譚 萍

(鞍山市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114001)

1 概 述

鞍山位于遼寧省太子河下游，在過去幾年中，鞍山在旱季遭遇干旱，水資源供應(yīng)量最低。而豐水期又以洪水災(zāi)害的形式存在。太子河流域的暴雨具有明顯的季節(jié)性特征，相對比較集中，大多集中在汛期7、8兩個(gè)月，約占全年降水量的 50%以上。太子河流域的洪水由暴雨產(chǎn)生，與暴雨的年內(nèi)分布一致，多集中在夏季的7、8月份，約占全年的 85.0%～97.5%；在7、8兩個(gè)月中又以 7 月下旬和 8 月上旬為最多，約占全年的42.8%～60.0%。一些專家認(rèn)為，河流泛濫、排水系統(tǒng)差、生態(tài)破壞、砍伐森林及河流容量等因素是洪水的主要原因。

水文模型用于模擬峰值徑流和設(shè)計(jì)暴雨過程線。計(jì)算流域中的徑流可采用以下幾種方法：Nigussie提出的Snyder、Mockus、Nakayasu、Rodriguez Valdez和Gupta Waymire合成單位過程線(SUH)以尋求峰值徑流[1]。Kang提出的5種不同的模型，包括Rational、WFRP、Nakayasu、SCS和Clark方法來估算峰值流量[2]。蔣楠等進(jìn)行的一項(xiàng)水文模擬研究，以確定流域在強(qiáng)降雨事件期間可能被淹沒的區(qū)域，該程序采用HEC-RAS模型(水文工程中心河流分析系統(tǒng))，最終結(jié)果顯示在特定高洪水事件中的高、中、低洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的確切位置[3-4]。蔣書偉等使用HEC-RAS達(dá)到周期性流出，同時(shí)考慮表面粗糙度以產(chǎn)生洪水范圍[5-6]。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

太子河流域位于遼寧省東北部，E122°25′-E124°55′，N40°28′-N41°39′之間，流域面積13 202 km2。太子河是大遼河的重要支流，流入渤海，海拔高度從盆地西向東遞增，盆地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫2.27℃～9.99℃，年降水量655～954 mm。土地利用類型主要包括林地、草地、旱田、水田、河流、水庫、城鎮(zhèn)用地和沼澤地。林地、旱地、城鎮(zhèn)用地和水田是四大土地利用類型，分別占流域總面積的57.20%、24.06%、8.56%和6.05%。

2.2 研究方法

HEC-RAS(Hydraulic Engineering Center’s River Analysis System) 是由美國工程兵團(tuán)水利工程中心(US Army Corps of Engineers Hydraulic Engineering Center)開發(fā)的一維水力計(jì)算軟件，HEC-RAS 軟件進(jìn)行水面線推求主要采用以下方法：

一維恒定流基于一維能量方程：

(1)

(2)

式中：z1、z2為斷面1、斷面2處的水位，m；V1、V2為斷面1、斷面2處的平均流速，m/s；a1、a2為斷面1、斷面2處的加權(quán)系數(shù)；He為河段水頭損失，m；L為計(jì)算河段總長度，m；Sf為計(jì)算河段水頭損失，m；C為計(jì)算斷面擴(kuò)散或收縮損失系數(shù)。

非恒定流基于連續(xù)方程和能量方程：

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，g/cm3；u為為流速，m/s；f為質(zhì)量力，m/s2；P為水壓力，Pa；λ為黏系數(shù)。

本研究使用二次數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)來自太子河水文站，并假設(shè)每條河流的橫截面具有與梯形河道相同的特性。但由于缺乏有關(guān)河流橫斷面的主要和次要數(shù)據(jù)，導(dǎo)致HEC-RAS分析難以獲得最佳結(jié)果。然后根據(jù)可用性數(shù)據(jù)，本研究將進(jìn)行兩個(gè)階段的方法分析，即使用合成單位線分析設(shè)計(jì)峰值徑流和使用HEC-RAS軟件模擬，來比較洪水負(fù)荷與河流容量。同時(shí)采用曼寧方程研究分析河流容量，利用HEC-RAS建模分析確定危險(xiǎn)區(qū)域，獲取徑流高度信息，并顯示太子河下游的橫斷面特征。

3 結(jié)果和討論

3.1 洪水分析

由于地形原因，北部的鞍山區(qū)低于南部。根據(jù)鞍山區(qū)域?yàn)?zāi)害管理機(jī)構(gòu)的災(zāi)害數(shù)據(jù)，16個(gè)區(qū)的146個(gè)村莊因太子河泛濫而頻繁遭受洪水襲擊。因此需要進(jìn)行水文分析，以確定太子河流域至鞍山市的水文特征及設(shè)計(jì)洪水流量。

3.1.1 非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

該分析在正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、Gumbel和對數(shù)Pearson Ⅲ型中進(jìn)行。檢驗(yàn)結(jié)果表明，所有分布都符合預(yù)期結(jié)果。這些分布的卡方檢驗(yàn)結(jié)果分別為1.33、1.33、3.00和0.5，小于臨界值5.99。此外，Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)的結(jié)果分別為0.091、0.116、0.161和0.099，小于臨界值0.380。GIS的分析不僅計(jì)算面積，而且求徑流系數(shù)。在本研究中，計(jì)算5、10、25、50和100年重現(xiàn)期的加權(quán)系數(shù)，系數(shù)分別為0.330 6、0.354 1、0.392 5、0.425 9和0.466 7。此外，這些系數(shù)還可用于獲取洪水流量。

3.1.2 綜合單位線

該綜合單位線法公式見式(1)，以確定重現(xiàn)期流量。利用綜合過程線單元(shu)對雨量資料進(jìn)行處理，得到洪水流量。在計(jì)算人工合成徑流量時(shí)，需要計(jì)算降雨的分布和有效降雨量，降雨分布采用單點(diǎn)公式，有效降雨量采用曲線數(shù)法計(jì)算。確定徑流量合成過程線單位峰值流量公式如下：

(5)

式中：Qp為洪峰流量，m3/s；R0為雨量單位，mm；Tp為從降雨開始到洪峰的時(shí)間間隔，h；T0.3為減少排放所需的時(shí)間，從峰值到峰值排放量的30%；A為通往出口的流動面積，km2。

表1為每個(gè)重現(xiàn)期內(nèi)發(fā)生的洪峰流量估算量。

表1 徑流估算分析

3.2 河流容量分析

根據(jù)表2中的模擬流量數(shù)據(jù)，與河流最大承載水流量進(jìn)行對比分析。通過曼寧方程(Chow，1959)分析河流容量。式(6)為計(jì)算曼寧系數(shù)n的公式。此外，模擬河流設(shè)計(jì)的基底寬度為180 m，坡度S為0.000 17，n=0.03。太子河下游的最大日水位高度H為10 m，河流最大預(yù)計(jì)水負(fù)荷約為3 605.135 2 m3/s。

Q=A×R2/3×S1/2×n

(6)

根據(jù)計(jì)算和對比分析，太子河下游區(qū)域無法容納現(xiàn)有溢流。因此，當(dāng)降雨經(jīng)歷5、10、25、50和100年的重現(xiàn)期流量時(shí)，就會發(fā)生洪水。結(jié)果見表2。

表2 河流重現(xiàn)期模擬分析結(jié)果

3.3 HEC-RAS分析

利用HEC-RAS軟件對洪水因素進(jìn)行分析，具體步驟是：①輸入河流幾何數(shù)據(jù)；②輸入穩(wěn)定流量數(shù)據(jù)；③輸入重現(xiàn)期流量。由于該河流缺乏橫截面數(shù)據(jù)，因此該結(jié)果無法產(chǎn)生優(yōu)異的性能。本研究假設(shè)這條河的所有橫截面具有相同的模式，河流基準(zhǔn)面從0 m開始，全河岸高程加上監(jiān)測高度達(dá)到13.33 m。根據(jù)HEC-RAS分析，可以注意到下游點(diǎn)(監(jiān)測面C)，洪水流量仍處于最大容量之下。但在中心點(diǎn)(監(jiān)測面B)，重現(xiàn)期為25、50和100年的設(shè)計(jì)峰值徑流開始溢出。此外，上游點(diǎn)(監(jiān)測面A)，所有重現(xiàn)期的洪水流量都會溢出。模擬點(diǎn)的預(yù)期位置見圖1。使用HEC-RAS進(jìn)行的河流橫斷面試驗(yàn)結(jié)果樣本見圖2和表3。

圖1 模擬監(jiān)測點(diǎn)位置

圖2 HEC-RAS分析得出的太子河下游部分橫截面

表3 基于HEC-RAS 的橫截面A、B和C結(jié)果

第28卷第5期2022年5月水利科技與經(jīng)濟(jì)Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.28 No.5May.,2022

4 結(jié) 論

綜上所述，鞍山市的洪水是由于河流的載水能力無法容納所有模擬設(shè)計(jì)峰值徑流造成的。通過HEC-RAS軟件分析認(rèn)為，所有模擬設(shè)計(jì)峰值徑流的洪水水位高于鞍山市太子河的全河岸高程。因此，鞍山政府應(yīng)關(guān)注這一因素，以減少洪水問題對鞍山市的影響。本研究建議使用詳細(xì)的原始數(shù)據(jù)對HEC-RAS河流橫斷面進(jìn)行更深入的分析，以獲得更全面、更好的結(jié)果。