秦皇岛城市防洪水文计算及河道改造

杨 蕾

(河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000)

1 区域概况

秦皇岛市是我国首批沿海开放的城市，地处渤海经济圈，是我国北方最大的粮油加工基地。由于位于海滨，雨量充沛，是华北地区极少数没有超采地下水问题的城市之一。全市总面积7812.4 km2，整体地势为西北高、东南低，主要由山地、丘陵、平原、滨海四个地带组成，超过50%区域为丘陵，山体海拔高度均不超过500 m。气候为暖温带半湿润季风型大陆性气候，因受海洋影响较大，气候温和，年平均气温在10 ℃左右。多年平均降水量在640 mm，且超过80%集中在6—9月份。区域内主要河流有潮河、石河、沙河、新开河等。

2 水文水资源现状

2017年秦皇岛主城区(海港区、山海关区、北戴河区)水资源计算成果如表1所示。而整个秦皇岛市所有区域水资源总量约为16.22亿m3，其中地表水12.72亿m3，地下水7.50亿m3，重复计算量4.0亿m3。目前，秦皇岛市共开发利用水资源量约为9.20亿m3/a，区域内现有各类水库283座，总库容14.86亿m3，其中桃林口水库总库容超过8.30亿m3。此外，三个主城区拥有7座供水厂，供水管道共计1123 km，满足市区年供水量1.40亿m3需求。

表1 2017年秦皇岛市区水资源计算成果 万m3

3 水文计算方法分析

据统计数据显示：2018年秦皇岛主城区人口总数约为91万人(海港区76万、山海关区17万、北戴河区8万)，标准为三线城市，防洪标准设计为100 a一遇。在此主要以双山子水文站、洋河水库水文站、石河水库水文站、桃林口水文站统计的数据对秦皇岛主城区防洪规划水文数据进行分析计算。

3.1 区域产流深计算

(1)水面产流。水面产流深RW(净雨深)等于降雨量与蒸发量之差，计算公式见式(1)[1]，经计算得出研究区RW=402.5 mm。

RW=P-β×E1

(1)

式中：P为研究区降雨量，mm；E1为研究区蒸发皿蒸发量，mm；β为水面蒸发折算系数。

(2)耕地产流。耕地是受城市化进程影响较小的下垫面类型，这类面积一般具有较好的渗透性。为简化计算，在此将研究区域内的非居民区全部作为耕地做处理[2]。耕地产流深RD简化计算公式见式(2)，经计算得出研究区RD=230.4 mm。

RD=P-E2-(WM-WD)

(2)

式中：E2为研究区耕地蒸发量，mm；WM为耕地最大可能缺水量，mm；WD为耕地初始含水量，mm。

(3)城镇市区产流。由于目前城镇和市区的主要居民区超过80%的面积都属于硬化面，产流来源为降水，损失仅为洼地蓄水，所以城镇市区居民区产流深hs计算式见式(3)[3]，经计算得出研究区hs=275.2 mm。

hs=P+D0-Dm

(3)

式中：D0为初始洼地蓄水量，mm；Dm为最大洼地蓄水量，mm。

3.2 洪水计算

3.2.1 防洪洪水计算河段及断面

在此以汤河防洪洪水计算为例，作为秦皇岛市的主要河流之一，在中下游河段上设置三处洪水计算断面，分别为上断面、中断面、下断面(如图1所示)[4]。

图1 汤河洪水计算断面布置示意图

3.2.2 断面洪峰流量计算

结合研究区各个水文站多年洪水资料，选取年最大值洪水选样，在此分别选取年最大洪峰流量及1 d、3 d、5 d洪量系列[5]。

(1)不连续洪水系列按式(4)数学期望计算经验频率PM。

(4)

式中：M为洪峰量值按大小顺序排位；N为调查期长度。

(2)特大洪水按照式(5)计算经验频率Pm。

(5)

式中：m为实测洪水在实测期内的排位；n为实测系列年数；L为水文站测得连续系列中特大洪水个数。

(3)对于剔除特大洪水值后的洪水系列按照式(6)[6]计算经验频率Pm。

(6)

式中：a为N年内特大洪水个数。

3.2.3 设计洪水计算成果表

在本项目中，利用“矩法”对洪水系列统计参数进行估算，并利用计算机软件对P-Ⅲ曲线进行优化适线，汤河设计洪水计算成果如表2所示(部分)。根据以上成果综合分析：秦皇岛市在对现有河道进行适当改造后便可满足辖区内的防洪排涝任务。

4 防洪河道改造

综合上述水文计算出的洪水量，大致估算出本市泄洪能力满足相关标准，因此防洪设施不必进行大规模扩大，只需对现有河道进行适当加固改造即可。

4.1 河道疏浚

针对河道淤泥沉积严重河段，设计采用绞吸式挖泥船施工；针对郊区河道碎石、垃圾沉积严重河段，设计采用抓斗船施工。

4.1.1 绞吸式挖泥船施工要点

(1)为防止淤泥回流问题，要求当河水流速大于0.5 m/s时，采用逆流施工；当河水流速小于0.5 m/s时，采取顺流施工。监督部门必须时刻审查回淤量，挖泥船开挖不到的地方由人工进行清除。

(2)当淤泥厚度超过挖泥船单次最大挖深时，应采用分层施工，原则为“上层厚，下层薄”。针对较宽河道，应采取分条开挖，保证河道始终保持通畅。

(3)在居民区范围施工时，应将施工区隔离，吸出的淤泥通过翻斗汽车运至淤泥安置点，为保护生态环境，要求安置点远离居民区10 km以上。秦皇岛市政府共设置5个荒地作为安置点，最后作填埋处理。

表2 汤河设计洪水计算成果(部分)

图2 绞吸式挖泥船(左)和抓斗船(右)

4.1.2 抓斗船施工要点

(1)郊区及野外河道一般宽度较大，应采用分条施工。但应注意：在浅水区施工，分条宽度应满足挖泥船和泥驳绑靠所需水域要求；在流速较大的深水区施工，分条宽度不得大于挖泥船船宽。

(2)当沉积物厚度超过抓斗船单次开挖深度，采用分层开挖；当沉积物厚度较小，质地松软，可采用“梅花法”施工来降低工程量。

(3)当河道流速较大时，必须注意水流对泥斗位移和挖深的影响，可适当增加抓斗重量，尽量避免在汛期施工。

4.2 堤防工程加固

加固河流堤防对于提高河道泄洪能力意义重大，经实地调查：秦皇岛市境内河道边坡超过70%强度和高度均不满足要求(集中在郊区及野外河道)，一般为土坡，腐蚀冲刷严重，这也是造成河道淤积的原因之一；而位于居民区的河道没有建立相应的河道生态环境，且人为污染、破坏现象较多。

(1)在居民区建立河道生态环境。秦皇岛市是著名的生态旅游城市，完全可将河道生态打造成一道风景。对于部分位于居民区河段，可采用生态护坡技术(见图3)对现有河道进行生态改造。本项目设计采用正六边形护坡砖，结构牢固，寿命时间长，后期维修方便，而且目前已经在秦皇岛多个河段有了成功经验。

图3 城市河道生态护坡实景图

(2)加固野外河道边坡。由于野外河道对美化环境要求较低，所以本项目设计采用成本低廉且结构牢固的铅丝石笼护坡对原有土坡进行加固改造(见图4)。该种护坡需要注意夯实基础，且做好土工膜铺设工作。

图4 铅丝石笼护坡实景图

5 结 语

水文计算是城市防洪规划的基础，其计算结果也是规划的重要依据，秦皇岛市相关部门根据水文计算出的洪水量大致估算出本市泄洪能力满足相关标准，因此防洪设施不必进行大规模扩大，只需对现有河道进行适当加固改造即可。