受洪水顶托影响的中小河流水利计算

汤金顶,程玉祥

(浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

我国中小河流众多、分布广,流域面积在100 km2以上的河流约有5万多条,在200 km2以上的有5 000多条,在1 000 km2以上的约1 700多条。大部分中小河流主要是20世纪50—80年代通过群众投工投劳进行治理,总体标准偏低、质量偏差,处于“大雨大灾、小雨小灾”的局面,特别是近些年来极端天气事件增多,中小流域常发生集中暴雨,形成较大洪水,造成比较严重的洪涝灾害,严重影响区域经济社会的可持续发展。

本文以安徽省东至县尧渡河中下游 (县城河段)河道治理工程中的水利计算为例,介绍受出口洪水顶托影响的中小河流治理水利计算的一般方法。

2 河流概况

(1)尧渡河。尧渡河位于长江南岸,属长江一级支流,经东流新闸汇入长江。尧渡河东至县城河段位于尧渡河中游、县城以西,自东山撇洪沟出口至梅城河出口长5.25 km,是1974年开始改道而成的,河道顺直,现状河底宽度130～260 m,河底深泓点高程 12.7～8.5 m,河道坡降0.8‰,特征位置集水面积为东山撇洪沟出口下447 km2、水文站(汪公庙站址)457 km2、赤头桥(梅城河出口桥)上470 km2、赤头桥下496 km2。保护县城的右岸堤防,1974年改道时按50 a一遇洪水位超高1.0 m设计,现状堤顶高程22.3～ 21.1 m。

(2)梅城河。梅城河位于城北、县城下游,在赤头大桥汇入尧渡河,集水面积26.5 km2,河道长度10.93 km,河道平均坡度9.63‰。县城防洪圈段自周村河出口至赤头大桥长2.65 km,现状河底宽度4～76 m,河底深泓点高程16.8～9.2 m,保护县城的左岸堤顶高程22.2～20.1 m。

(3)周村河。周村河位于城东北,是梅城河支流,集水面积4.4 km2,河道长度4.22 km,河道平均坡度6.8‰。县城防洪圈段河道长0.94 km,现状河底宽度4～31 m,河底深泓点高程22.5～16.5 m,保护县城的左岸堤顶高程24.8～22.0 m。

(4)东山撇洪沟。东山撇洪沟位于城南、县城上游,集水面积4.8 km2,河道长度3.74 km(含上游天然河道),河道平均坡度7.0‰。县城防洪圈段河道长1.624 km,现状河底宽度5～22.5 m,河底深泓点高程18.3～13.2 m,保护县城的右岸堤顶高程22.3～20.5 m。

尧渡河集水面积较大,流域内调蓄容积小,使得出口处的东流新闸在洪水期一般均处于开启状态,长江回水可至县城河段,同时县城河段洪水又对其支流梅城河、东山撇洪沟产生顶托影响。

3 防洪规划方案与防洪设计标准

3.1 防洪规划方案

1974年,尧渡河县城河段改道后,形成了目前县城防洪格局,经多年来的运行,认为现状防洪布局基本合理,维持现状防洪方案、圈堤布局及大部分堤线布置。同时,根据河道现状与存在问题,对河道底宽进行控制,尧渡河尧渡大桥以上最小底宽控制为160 m、以下130 m,梅城河14 m,东山撇洪沟8 m。

3.2 防洪设计标准

根据 《东至县城总体规划》(修编稿),2020年县城总人口控制在8万～10万,根据《防洪标准》,非农业人口少于或等于20万的县城属于一般城镇,城市等别为Ⅳ等,防洪标准为20～50 a一遇。

4 防洪水利计算

防洪水利计算的主要任务是计算河道设计水面线,为河道治理和堤防设计提供依据,其方法有自下而上的恒定流水面线法和自上而下的一维非恒定流水动力模型法。恒定流水面线法一般适用于山区、丘陵区,现在使用较广。

尧渡河东至县城河段属山丘区,水面线计算采用恒定流水面线法。

4.1 尧渡河

4.1.1 河道断面资料

2006年,在尧渡河干流上起东山撇洪沟出口下、下至赤头桥上5.25 km 县城河段共测了105个横断面,断面间距基本为50 m。

4.1.2 设计洪水

尧渡河上有东至水文站,通过对流量法和暴雨法设计洪水成果的比较,确定采用考虑历史洪水的流量系列法频率计算成果。

4.1.3 起始水位

水面线计算从梅城河出口开始,需要计算梅城河出口处各频率洪水位。

东至水文站虽有建站以来水位资料,但由于该站经历3次搬迁,1977年8月在水文站下游1.5 km 处新建1座跌水堰,1998年和1999年大洪水又将测验设施和跌水堰冲毁,故该站水位系列不具备一致性。

尧渡河出口处的东流新闸,具有1971—2007年汛期实测水位资料;梅城河出口上游400 m 处的赤头排涝站,具有1994—2007年汛期实测水位资料。根据东流新闸与赤头站汛期50余组同期实测水位分析,赤头站外水位比东流新闸水位高0.1～0.5 m 左右,二者相关关系较好,相关系数为0.999。利用东流新闸水位,延长赤头排涝站最高外水位系列到1971—2007年,进行频率分析得出梅城河出口处各频率洪水位。

4.1.4 河道糙率

尧渡河河道宽阔、顺直,河道内无障碍物,两岸堤防较标准,现状和规划情况下各断面糙率取小值0.025。

4.1.5 跨河建筑物

尧渡河县城河段自上而下现建有尧渡大桥、尧渡新桥与橡胶坝3座建筑物,三建筑物均产生一定量的壅水。桥梁壅水根据 《公路桥位勘测设计规范》(JTJ 062—91)推荐公式计算;橡胶坝在高水位时全部淹没,由于水深深、流速小,壅水高度估算确定。

4.1.6 水面线计算

水面线计算分现状与规划2种情况分别计算。

(1)现状水面线计算。保护县城的右岸尧渡大桥上500 m以下堤顶高程超50 a一遇水位1.5 m 以上,堤顶高程满足设计要求;以上堤顶高程超50 a一遇水位0.6～1.3 m(局部超1.5 m 以上),堤顶高程不足。左岸尧渡大桥下600 m以上堤顶高程超20 a一遇水位1.5 m 以上(局部超1.0～1.3 m) ,堤顶高程基本满足设计要求;以下堤顶高程超20 a一遇水位不足1.0 m,堤顶高程不足。

(2)规划水面线计算。规划方案考虑对河道进行清淤,清淤后50 a一遇降低水位最大值仅0.06 m,效果不明显,说明尧渡河县城河段高水位主要受长江水位控制,清淤不能有效降低水面线。虽然如此,为改善河道环境,利于引水进入城区(进水口为尧渡大桥上游的尧渡老河进水闸),以及水利血防的需要,设计考虑了河道清淤措施。

4.2 梅城河

4.2.1 河道断面资料

1.1.2 仪器设备 赛默飞UltiMate 3000 XRS高效液相色谱仪(美国Thermo Fisher公司)，DAD检测器，Evolution 600型紫外分光光度计(美国Thermo Fisher公司)，超声机(中国)，电子分析天平(十万分之一，美国)。

2006年,在梅城河上起周村河出口下、下至梅城河出口2.65 km河段共测了54个横断面,断面间距基本为50m。

4.2.2 洪水组合

梅城河设计洪水标准为20 a一遇,其洪水位受尧渡河干流回水和自身洪水的双重影响,在水面线计算时,必须考虑两河洪水组合(见表1)。

表1 梅城河洪水组合表

4.2.3 河道糙率

梅城河现状河道弯曲,右岸为山或土坎,岸坡和局部河道有阻水植物,现状和设计河道不拓宽情况下各断面糙率取0.04,设计河道拓宽情况下各断面糙率取0.035。

4.2.4 水面线计算

水面线计算分现状与规划2种情况分别计算。

1995年,“05.25”暴雨暴发山洪,梅城河堤普遍漫水,县一中背后河堤决口,校舍被淹,死亡3人,县城进水1～3 m。1995年灾后,在上游950 m段左岸堤顶兴建了1.2 m高的防洪墙,现状防洪墙部分钢筋外露,安全运行不能得到保证。

(1)现状水面线计算。保护县城的左岸下游1.71 km堤防堤顶高程超20 a一遇水位1.5 m以上,堤顶高程满足设计要求;上游0.95 km堤顶高程超20 a一遇水位1.12～1.37 m,堤顶高程不足,同时1995年灾后建设的防洪墙存在安全隐患。

(2)规划水面线计算。规划方案分拓宽河道和加高堤防2种方案,拓宽河道方案最小底宽为14.0 m。水利计算结果表明,河道拓宽方案,上游1.8 km河段水位均有所降低,20 a一遇水位最大降幅为1.21 m,投资比加高堤防方案省,同时拓宽段河道位于县一中下游,无拆迁,易实施,加高堤防方案因加高段位于县一中及上游,需拆迁房屋,实施难,因而推荐河道拓宽方案。

以同样方法对东山撇洪沟和周村河进行了水面线计算,并确定合理的治理方案。

5 结 语

根据初步安排,2009—2011年治理的中小河流项目数量多,建设任务重,每个县一般均有10个以上项目。然而,很多中小河流前期规划设计工作严重滞后,前期设计工作的进度,是决定中小河流治理任务能否顺利完成的关键之一,前期设计工作的优劣,决定着中小河流治理投资效益的好差,因此,既快又好地做好前期设计工作,非常重要。水利计算作为前期设计工作非常重要的环节,必须注意以下2点:

(1)下一级河流回水对上一级河流的影响随洪水量级不同而不同,通过水利计算,确定上一级河段完全影响区、部分影响区,从而采取相应的工程措施,如拓宽与清淤河道、加高加固堤防等。

(2)下一级河流回水对上一级河流的影响随洪水组合不同而不同,要分析已发生洪水遭遇情况,合理选取洪水组合,必要时进行多组合计算,结合工程量、投资综合分析选取。