湯金頂,程玉祥

(浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

我國中小河流眾多、分布廣,流域面積在100 km2以上的河流約有5萬多條,在200 km2以上的有5 000多條,在1 000 km2以上的約1 700多條。大部分中小河流主要是20世紀50—80年代通過群眾投工投勞進行治理,總體標準偏低、質量偏差,處于“大雨大災、小雨小災”的局面,特別是近些年來極端天氣事件增多,中小流域常發(fā)生集中暴雨,形成較大洪水,造成比較嚴重的洪澇災害,嚴重影響區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

本文以安徽省東至縣堯渡河中下游 (縣城河段)河道治理工程中的水利計算為例,介紹受出口洪水頂托影響的中小河流治理水利計算的一般方法。

2 河流概況

(1)堯渡河。堯渡河位于長江南岸,屬長江一級支流,經(jīng)東流新閘匯入長江。堯渡河東至縣城河段位于堯渡河中游、縣城以西,自東山撇洪溝出口至梅城河出口長5.25 km,是1974年開始改道而成的,河道順直,現(xiàn)狀河底寬度130～260 m,河底深泓點高程 12.7～8.5 m,河道坡降0.8‰,特征位置集水面積為東山撇洪溝出口下447 km2、水文站(汪公廟站址)457 km2、赤頭橋(梅城河出口橋)上470 km2、赤頭橋下496 km2。保護縣城的右岸堤防,1974年改道時按50 a一遇洪水位超高1.0 m設計,現(xiàn)狀堤頂高程22.3～ 21.1 m。

(2)梅城河。梅城河位于城北、縣城下游,在赤頭大橋匯入堯渡河,集水面積26.5 km2,河道長度10.93 km,河道平均坡度9.63‰?？h城防洪圈段自周村河出口至赤頭大橋長2.65 km,現(xiàn)狀河底寬度4～76 m,河底深泓點高程16.8～9.2 m,保護縣城的左岸堤頂高程22.2～20.1 m。

(3)周村河。周村河位于城東北,是梅城河支流,集水面積4.4 km2,河道長度4.22 km,河道平均坡度6.8‰?？h城防洪圈段河道長0.94 km,現(xiàn)狀河底寬度4～31 m,河底深泓點高程22.5～16.5 m,保護縣城的左岸堤頂高程24.8～22.0 m。

(4)東山撇洪溝。東山撇洪溝位于城南、縣城上游,集水面積4.8 km2,河道長度3.74 km(含上游天然河道),河道平均坡度7.0‰?？h城防洪圈段河道長1.624 km,現(xiàn)狀河底寬度5～22.5 m,河底深泓點高程18.3～13.2 m,保護縣城的右岸堤頂高程22.3～20.5 m。

堯渡河集水面積較大,流域內(nèi)調(diào)蓄容積小,使得出口處的東流新閘在洪水期一般均處于開啟狀態(tài),長江回水可至縣城河段,同時縣城河段洪水又對其支流梅城河、東山撇洪溝產(chǎn)生頂托影響。

3 防洪規(guī)劃方案與防洪設計標準

3.1 防洪規(guī)劃方案

1974年,堯渡河縣城河段改道后,形成了目前縣城防洪格局,經(jīng)多年來的運行,認為現(xiàn)狀防洪布局基本合理,維持現(xiàn)狀防洪方案、圈堤布局及大部分堤線布置。同時,根據(jù)河道現(xiàn)狀與存在問題,對河道底寬進行控制,堯渡河堯渡大橋以上最小底寬控制為160 m、以下130 m,梅城河14 m,東山撇洪溝8 m。

3.2 防洪設計標準

根據(jù) 《東至縣城總體規(guī)劃》(修編稿),2020年縣城總人口控制在8萬～10萬,根據(jù)《防洪標準》,非農(nóng)業(yè)人口少于或等于20萬的縣城屬于一般城鎮(zhèn),城市等別為Ⅳ等,防洪標準為20～50 a一遇。

4 防洪水利計算

防洪水利計算的主要任務是計算河道設計水面線,為河道治理和堤防設計提供依據(jù),其方法有自下而上的恒定流水面線法和自上而下的一維非恒定流水動力模型法。恒定流水面線法一般適用于山區(qū)、丘陵區(qū),現(xiàn)在使用較廣。

堯渡河東至縣城河段屬山丘區(qū),水面線計算采用恒定流水面線法。

4.1 堯渡河

4.1.1 河道斷面資料

2006年,在堯渡河干流上起東山撇洪溝出口下、下至赤頭橋上5.25 km 縣城河段共測了105個橫斷面,斷面間距基本為50 m。

4.1.2 設計洪水

堯渡河上有東至水文站,通過對流量法和暴雨法設計洪水成果的比較,確定采用考慮歷史洪水的流量系列法頻率計算成果。

4.1.3 起始水位

水面線計算從梅城河出口開始,需要計算梅城河出口處各頻率洪水位。

東至水文站雖有建站以來水位資料,但由于該站經(jīng)歷3次搬遷,1977年8月在水文站下游1.5 km 處新建1座跌水堰,1998年和1999年大洪水又將測驗設施和跌水堰沖毀,故該站水位系列不具備一致性。

堯渡河出口處的東流新閘,具有1971—2007年汛期實測水位資料;梅城河出口上游400 m 處的赤頭排澇站,具有1994—2007年汛期實測水位資料。根據(jù)東流新閘與赤頭站汛期50余組同期實測水位分析,赤頭站外水位比東流新閘水位高0.1～0.5 m 左右,二者相關關系較好,相關系數(shù)為0.999。利用東流新閘水位,延長赤頭排澇站最高外水位系列到1971—2007年,進行頻率分析得出梅城河出口處各頻率洪水位。

4.1.4 河道糙率

堯渡河河道寬闊、順直,河道內(nèi)無障礙物,兩岸堤防較標準,現(xiàn)狀和規(guī)劃情況下各斷面糙率取小值0.025。

4.1.5 跨河建筑物

堯渡河縣城河段自上而下現(xiàn)建有堯渡大橋、堯渡新橋與橡膠壩3座建筑物,三建筑物均產(chǎn)生一定量的壅水。橋梁壅水根據(jù) 《公路橋位勘測設計規(guī)范》(JTJ 062—91)推薦公式計算;橡膠壩在高水位時全部淹沒,由于水深深、流速小,壅水高度估算確定。

4.1.6 水面線計算

水面線計算分現(xiàn)狀與規(guī)劃2種情況分別計算。

(1)現(xiàn)狀水面線計算。保護縣城的右岸堯渡大橋上500 m以下堤頂高程超50 a一遇水位1.5 m 以上,堤頂高程滿足設計要求;以上堤頂高程超50 a一遇水位0.6～1.3 m(局部超1.5 m 以上),堤頂高程不足。左岸堯渡大橋下600 m以上堤頂高程超20 a一遇水位1.5 m 以上(局部超1.0～1.3 m) ,堤頂高程基本滿足設計要求;以下堤頂高程超20 a一遇水位不足1.0 m,堤頂高程不足。

(2)規(guī)劃水面線計算。規(guī)劃方案考慮對河道進行清淤,清淤后50 a一遇降低水位最大值僅0.06 m,效果不明顯,說明堯渡河縣城河段高水位主要受長江水位控制,清淤不能有效降低水面線。雖然如此,為改善河道環(huán)境,利于引水進入城區(qū)(進水口為堯渡大橋上游的堯渡老河進水閘),以及水利血防的需要,設計考慮了河道清淤措施。

4.2 梅城河

4.2.1 河道斷面資料

1.1.2 儀器設備 賽默飛UltiMate 3000 XRS高效液相色譜儀(美國Thermo Fisher公司)，DAD檢測器，Evolution 600型紫外分光光度計(美國Thermo Fisher公司)，超聲機(中國)，電子分析天平(十萬分之一，美國)。

2006年,在梅城河上起周村河出口下、下至梅城河出口2.65 km河段共測了54個橫斷面,斷面間距基本為50m。

4.2.2 洪水組合

梅城河設計洪水標準為20 a一遇,其洪水位受堯渡河干流回水和自身洪水的雙重影響,在水面線計算時,必須考慮兩河洪水組合(見表1)。

表1 梅城河洪水組合表

4.2.3 河道糙率

梅城河現(xiàn)狀河道彎曲,右岸為山或土坎,岸坡和局部河道有阻水植物,現(xiàn)狀和設計河道不拓寬情況下各斷面糙率取0.04,設計河道拓寬情況下各斷面糙率取0.035。

4.2.4 水面線計算

水面線計算分現(xiàn)狀與規(guī)劃2種情況分別計算。

1995年,“05.25”暴雨暴發(fā)山洪,梅城河堤普遍漫水,縣一中背后河堤決口,校舍被淹,死亡3人,縣城進水1～3 m。1995年災后,在上游950 m段左岸堤頂興建了1.2 m高的防洪墻,現(xiàn)狀防洪墻部分鋼筋外露,安全運行不能得到保證。

(1)現(xiàn)狀水面線計算。保護縣城的左岸下游1.71 km堤防堤頂高程超20 a一遇水位1.5 m以上,堤頂高程滿足設計要求;上游0.95 km堤頂高程超20 a一遇水位1.12～1.37 m,堤頂高程不足,同時1995年災后建設的防洪墻存在安全隱患。

(2)規(guī)劃水面線計算。規(guī)劃方案分拓寬河道和加高堤防2種方案,拓寬河道方案最小底寬為14.0 m。水利計算結果表明,河道拓寬方案,上游1.8 km河段水位均有所降低,20 a一遇水位最大降幅為1.21 m,投資比加高堤防方案省,同時拓寬段河道位于縣一中下游,無拆遷,易實施,加高堤防方案因加高段位于縣一中及上游,需拆遷房屋,實施難,因而推薦河道拓寬方案。

以同樣方法對東山撇洪溝和周村河進行了水面線計算,并確定合理的治理方案。

5 結 語

根據(jù)初步安排,2009—2011年治理的中小河流項目數(shù)量多,建設任務重,每個縣一般均有10個以上項目。然而,很多中小河流前期規(guī)劃設計工作嚴重滯后,前期設計工作的進度,是決定中小河流治理任務能否順利完成的關鍵之一,前期設計工作的優(yōu)劣,決定著中小河流治理投資效益的好差,因此,既快又好地做好前期設計工作,非常重要。水利計算作為前期設計工作非常重要的環(huán)節(jié),必須注意以下2點:

(1)下一級河流回水對上一級河流的影響隨洪水量級不同而不同,通過水利計算,確定上一級河段完全影響區(qū)、部分影響區(qū),從而采取相應的工程措施,如拓寬與清淤河道、加高加固堤防等。

(2)下一級河流回水對上一級河流的影響隨洪水組合不同而不同,要分析已發(fā)生洪水遭遇情況,合理選取洪水組合,必要時進行多組合計算,結合工程量、投資綜合分析選取。