郝健超，孟慶順，姜依彤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

寧安市范家煙草水源工程攔河樞紐洪水影響分析

郝健超，孟慶順，姜依彤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

目前寧安市煙草種植等農(nóng)業(yè)項(xiàng)目由于缺乏水源，天然徑流與作物需水時間不一致，水資源利用率低，遭遇干旱年份，煙草產(chǎn)量銳減，無法保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高效、高產(chǎn)。因此，建設(shè)水源工程及配套的灌區(qū)工程是非常必要的。為大力發(fā)展煙葉生產(chǎn)，提供可靠的灌溉水源，改善煙區(qū)人民生產(chǎn)和生活條件，提高城市競爭力，規(guī)劃建設(shè)范家煙草水源工程。工程包括煙草灌區(qū)和攔河樞紐兩部分組成，其中涉河工程為攔河樞紐。文章主要分析攔河樞紐建成后對防洪和河勢可能產(chǎn)生的不利影響。

水源工程;攔河樞紐;洪水影響;雍水;水文

1 概況

牡丹江為山區(qū)性河流，兩岸支流分布均勻，水網(wǎng)呈樹枝狀，穿流在張廣才嶺與老爺嶺之間的條形谷地中，地形起伏較大，上游河谷狹小，下游河谷呈“U”字形，寬度一般在400～500 m左右，沿程納入的主要支流有7條，牡丹江市以上有沙河、珠爾多河、蛤蟆河、海浪河，牡丹江市以下有虎林河、三道河、烏斯渾河，支流一般不大，最大為海浪河，約占總面積的1/7。由于牡丹江流域形狀呈狹長形，故多數(shù)支流短而水流急。流域內(nèi)植被較好，森林覆蓋面積占總面積的46%，沼澤率為3.2%，土壤類型為生草炭土，沿江兩岸的濕地則為腐殖質(zhì)沼澤土。

本次項(xiàng)目所處河段河道比降0.4‰～0.5‰，河谷逐漸展寬，自石頭水文站至寧安市間丘陵連綿，有大片坡狀臺地，山峰圓滑，河谷成U字型，右岸山勢一般，左岸陡峻［1］。

本項(xiàng)目攔河樞紐工程位于牡丹江干流寧安市市區(qū)段，寧古塔大橋下游1.26 km處。樞紐左岸為寧安鎮(zhèn)堤防，對應(yīng)樁號3+300;右岸為江南堤防，對應(yīng)樁號3+000。項(xiàng)目區(qū)建設(shè)節(jié)水灌溉工程面積3 940 hm2。

2 洪水影響分析

2.1 水文分析

根據(jù)歷史洪水調(diào)查和石頭站實(shí)測成果(1956—2010年)，按年最大值獨(dú)立選樣原則，統(tǒng)計(jì)出洪峰流量，進(jìn)行洪水特征值頻率計(jì)算，采用 P—Ⅲ型曲線［2］，Cs=2.5Cv，盡量照顧點(diǎn)群趨勢，以大、中洪水的經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)與理論曲線配合較優(yōu)為原則進(jìn)行適線，并確定石頭站設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，得出本次石頭站設(shè)計(jì)洪峰流量成果。然后將本次成果與《牡丹江流域防洪規(guī)劃報(bào)告(鏡泊湖以下)》中石頭站的設(shè)計(jì)洪峰流量成果進(jìn)行比較［3-5］，兩者之間的比較及最終采用成果見表1。

表1 石頭站洪峰流量比較采用成果表

牡丹江干流控制斷面設(shè)計(jì)洪水利用石頭站設(shè)計(jì)洪峰流量按牡丹江干流綜合面積指數(shù)1.123推求，石頭站控制面積13 771 km2，控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表2。

表2 牡丹江干流控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

2.2 雍水計(jì)算

2.2.1 基本資料

本次論證寧安城區(qū)段攔河樞紐工程的影響以及回水范圍，推求牡丹江干流規(guī)劃水面線、新建堤防和攔河樞紐建成后的設(shè)計(jì)水面線，牡丹江干流水面線自下游溫春鐵路橋起推共計(jì)63個斷面。溫春鐵路橋起推水位采用三間房水電站初步設(shè)計(jì)回水部分成果。分段流量采用本次水文分析成果，見表3。

表3 牡丹江干流起推水位表

2.2.2 計(jì)算方法

2.2.2.1 水面線計(jì)算公式

水面線計(jì)算采用簡化的穩(wěn)定非均勻流公式:

式中:Hx、Hs分別為下斷面和上斷面水位，m;Q為設(shè)計(jì)洪峰流量為上、下斷面平均流量模數(shù);L灘為斷面間洪水間距，m。

流量模數(shù)按主槽和灘地分別計(jì)算，具體計(jì)算公式為:

式中:n主、n灘為主槽、灘地糙率;R主、R灘為主槽、灘地水力半徑;A主、A灘為主槽、灘地?cái)嗝婷娣e，m2;α、β為主槽、灘地?cái)嗝嫫?Φ為河道彎曲系數(shù);Φ =L主/L灘;L主和L灘分別為主槽河道長度和灘地行洪長度。

2.2.2.2 壅水計(jì)算公式

壅水高度采用鐵三院公式計(jì)算，具體計(jì)算公式為:

式中:ΔH為壅水高度，m;η為壅水系數(shù);Vm為壓縮斷面平均流速，m/s;V0為擴(kuò)散斷面平均流速，m/s。

壅水系數(shù)按流量壓縮比在0.05～0.15內(nèi)插值。壓縮比＞0.6時采用0.15，＜0.3時采用0.05。

2.2.3 雍水計(jì)算

根據(jù)上述起始水位及相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量，在考慮規(guī)劃堤線情況下，推求攔河樞紐修建前后水面線。按明渠恒定非均勻流公式向上游推算規(guī)劃水面線成果(僅考慮規(guī)劃新建堤防)、設(shè)計(jì)水面線成果(同時考慮規(guī)劃新建堤防和攔河樞紐)，以上兩方案水面線成果在攔河樞紐處的差值即為攔河樞紐對牡丹江干流的雍高影響，各頻率最大壅高值與回水距離見表4。

表4 牡丹江干流水面線壅高與回水距離成果表

2.3 沖刷與淤積分析

2.3.1 沖刷分析

建設(shè)項(xiàng)目所在河段為順直河道，工程所處河段河床松散層構(gòu)成依次為:卵石混合土、含砂低液限黏土、級配不良中礫，厚度5.10～10.70 m。根據(jù)近期河勢演變趨勢分析，河道的左右岸受堤防的控制，河道縱橫向均較為穩(wěn)定，本工程修建后對河道穩(wěn)定基本無較大影響。

本次項(xiàng)目建設(shè)對于河段水勢總體影響不大，100 a一遇洪水壅高5 cm，50 a一遇洪水雍高5 cm，30 a一遇洪水雍高4 cm。項(xiàng)目建成運(yùn)行后攔河樞紐下游流速增大，但設(shè)計(jì)時已考慮了閘下消能防沖等措施，故本工程對下游主槽和灘地的沖刷影響微乎其微。

2.3.2 泥沙分析

石頭水文站無泥沙觀測資料，牡丹江站具有1956—2010年的懸移質(zhì)輸沙率資料，侵蝕模數(shù)為22.9 t/km2·a。

據(jù)分析懸移質(zhì)輸沙量有逐年增大的趨勢，將現(xiàn)狀情況下多年平均輸沙模數(shù)乘以1.10的修正系數(shù)，據(jù)此修正后年輸沙模數(shù)為25.2 t/km2·a，推移質(zhì)按懸移質(zhì)輸沙量的15%估算，推求攔河樞紐壩址處年輸沙總量41.3×104t。

攔河樞紐工程修建后上游流速略有減小，上游泥沙容易落淤?？紤]泄洪閘和沖沙閘閘低高程與河底高程基本一致，且運(yùn)行期間閘門不間斷放水，基本不會改變河道的整體沖淤變化，當(dāng)泄洪閘和沖沙閘泄水時淤積泥沙將大部分被洪水帶走，并最終達(dá)到新的沖淤平衡，從長期分析攔河樞紐上游不會產(chǎn)生較大的泥沙淤積［6］。

2.4 河勢影響分析

根據(jù)前述分析，引水期內(nèi)煙草灌區(qū)取水僅占牡丹江徑流量的0.36%，所占比例很小，引水對下游河勢幾乎沒有影響。

攔河樞紐工程建成后，攔河建筑物泄流能力可以滿足設(shè)計(jì)和校核頻率洪峰流量的下泄要求，在大洪水情況下，灘地過流斷面壓縮，將對行洪造成一定影響，考慮到灘地流速變化不大，且受規(guī)劃堤防的控制，對該河段的河勢穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。發(fā)生100 a一遇洪水時，工程建成后最大水位壅高值為5 cm，不會對河勢穩(wěn)定性帶來較大影響。

3 結(jié)論

攔河樞紐工程影響范圍內(nèi)水利工程主要為左岸的寧安城堤(擴(kuò)建防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇)，根據(jù)本次推求的水面線成果，50 a一遇洪水位最大雍高5 cm，在《黑龍江省寧安市濱水城市建設(shè)水利工程規(guī)劃報(bào)告》和《牡丹江(含海浪河)治理工程可行性研究報(bào)告》中，寧安段規(guī)劃堤防及建筑物設(shè)計(jì)方案中已考慮了本工程帶來的的壅水影響，近期內(nèi)也將實(shí)施，因此，本工程的建設(shè)對防洪工程實(shí)施方案基本不會帶來影響。如果二者同時施工，應(yīng)合理安排施工組織設(shè)計(jì)方案，減免施工沖突。因此，本工程對其它水利工程基本沒影響。

攔河樞紐工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。該工程泄流能力可以滿足汛期洪峰流量下泄，涉河建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)牡丹江石頭水文站1957—2002冰情觀測資料，多年觀測資料中只有1967年最大流冰冰塊尺寸為30 m×20 m。本工程上游已建有多座水電站和橋梁，將對上游流冰起到阻擋作用，而且，攔河樞紐泄洪閘設(shè)計(jì)時考慮了破冰措施，可以滿足過冰的要求，也能夠適應(yīng)防凌要求。建設(shè)項(xiàng)目按建設(shè)程序經(jīng)過設(shè)計(jì)審查，設(shè)計(jì)滿足目前相關(guān)規(guī)定要求，符合水利部門的管理規(guī)定。

工程所在河段左岸為寧安城市堤防，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，右岸為江南堤防，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。經(jīng)計(jì)算，攔河樞紐50 a一遇和30 a一遇水位雍高值分別為5 cm和4 cm，回水長度分別為1.31 km和1.24 km。規(guī)劃堤防基本可與本工程同步實(shí)施，并且兩岸堤防在設(shè)計(jì)過程中已考慮了本工程的壅高，河道行洪能力滿足行洪安全要求;本工程泄流能力經(jīng)復(fù)核滿足洪水下泄要求，因此，本工程的修建對防洪安全基本沒有影響。本工程施工期跨主汛期，將采取圍堰施工，對施工期的防洪安全可能帶來一定影響。施工前應(yīng)將詳細(xì)的施工方案和施工度汛方案報(bào)送水行政主管部門，審批后方可開工建設(shè)。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)觀測，密切關(guān)注水雨情，積極配合水行政主管部門及防汛指揮機(jī)構(gòu)的的監(jiān)督檢查，服從防汛指揮機(jī)構(gòu)的調(diào)度;大洪水發(fā)生時應(yīng)采取必要的措施，保證河道行洪安全。

該樞紐工程修建后，由于壅水與回水作用，壩上流速減小，壩下流速增加，對中低水河勢而言，主流保持在主河道的穩(wěn)定性關(guān)系不會因建攔河壩產(chǎn)生大的變化。對大洪水而言，由于攔河壩的阻水影響，壓縮主流從而使主槽過水?dāng)嗝鏈p少，流速略有增大，由于下游設(shè)有消力池，所以河勢變動的可能性不大。

［1］松遼委.松花江流域防洪規(guī)劃報(bào)告［R］.長春:松遼委，2008.

［2］黑龍江省水利廳.黑龍江省水文圖集［M］.哈爾濱:黑龍江省水利廳，1996:2-8.

［3］黑龍江省水利廳.黑龍江歷史大洪水［M］.哈爾濱:黑龍江省水利廳，1991:3-5.

［4］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.松花江流域防洪工程(黑龍江省部分)可研階段水文分析報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2000.

［5］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，牡丹江市水利勘測設(shè)計(jì)研究院.牡丹江流域防洪規(guī)劃(鏡泊湖以下)［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，牡丹江市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，1999.

［6］牡丹江市水利勘測設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省牡丹江市(地區(qū))城市濱水區(qū)水利建設(shè)規(guī)劃報(bào)告書［R］.牡丹江:牡丹江市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，2009.

F326.12

B

1007-7596(2014)05-0082-03

2013-09-25

郝健超(1985-)，男，黑龍江樺南人，助理工程師;孟慶順(1981-)，男，山東單縣人，工程師;姜依彤(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。