谷瓊瓊，潘麗雯，李銀濤，劉宇博，雷錦

（1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100000；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

根據(jù)灌區(qū)干支渠河段的來(lái)水來(lái)沙特性、河道沖淤演變及河勢(shì)演變特征，通過(guò)數(shù)學(xué)模型、實(shí)體模型相結(jié)合的方法計(jì)算分析工程對(duì)河道上下游河段的壅水及沖刷影響，論證分析工程建設(shè)對(duì)現(xiàn)有涉河工程等第三方合法水事權(quán)益的影響及補(bǔ)救措施。研究結(jié)果以期為大型灌區(qū)工程防洪提供必要的實(shí)踐借鑒。

1 工程概況

灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸豫北平原與山丘交界處，處于黃河中游段。灌區(qū)內(nèi)范圍包括焦作市孟州、溫縣和武陟，北至黃河大堤（含青風(fēng)嶺），南至黃河灘區(qū)生產(chǎn)堤，西至黃河濕地自然保護(hù)區(qū)邊界，東至規(guī)劃桃花峪水庫(kù)草亭壩址（東經(jīng)112°20′～113°30′、北緯34°45′～35°00′）。灌區(qū)設(shè)計(jì)為自流灌溉，設(shè)計(jì)灌溉面積31.18 hm2。灌溉面積分別為4.94 hm2、15.09 hm2及11.15 hm2。

灌區(qū)東西長(zhǎng)約80 km，南北長(zhǎng)約3～9.50 km，為長(zhǎng)條型灌區(qū)。根據(jù)灌區(qū)形狀特點(diǎn)以及為灌區(qū)和下游人民勝利渠灌區(qū)、武嘉灌區(qū)、大功灌區(qū)供水要求，設(shè)置1 條總干渠，2 條總干支渠及3 條分干渠，灌區(qū)內(nèi)支渠按總干渠、總干支渠、分干渠、支渠進(jìn)行布置，其中總干渠利用輸水工程總干渠。根據(jù)灌區(qū)形狀特點(diǎn)及總干渠路由，灌區(qū)灌片按涉及地域不同分為孟州灌片、溫縣灌片和武陟灌片。灌區(qū)內(nèi)渠道設(shè)置各類交叉建筑物149座。

2 影響分析方法確定

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所在河道的洪水特征、河床演變特點(diǎn)、河道防洪任務(wù)和建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算、實(shí)體模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行洪水影響綜合分析評(píng)價(jià)。

實(shí)體模型試驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型采用不同的邊界條件，數(shù)學(xué)模型按照防護(hù)堤不考慮其1 m 超高部分是對(duì)上游最為不利的情況進(jìn)行計(jì)算，而物理模型則基于數(shù)學(xué)模型結(jié)果考慮防護(hù)堤增加1 m 安全超高，水流都被擠壓至化工工程以下，對(duì)下游最不利情況，灘地漫灘嚴(yán)重，綜合分析最不利狀況時(shí)的壅水及沖刷結(jié)果。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

2.1.1 壅水計(jì)算壅水計(jì)算按照《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋前最大壅水高度公式進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 沖刷與淤積分析

不考慮灘地的自然演變沖刷，只對(duì)項(xiàng)目建設(shè)后大洪水期間灘地的一般沖刷和局部沖刷進(jìn)行計(jì)算。采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式進(jìn)行沖刷計(jì)算。

2.2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

利用黃河水利委員會(huì)黃河數(shù)學(xué)模型攻關(guān)課題組研發(fā)的平面二維水流～泥沙數(shù)學(xué)模型（YRSSHD2D0212）開(kāi)展計(jì)算，評(píng)估擬建輸水總干渠工程對(duì)防洪的影響，并提出補(bǔ)救措施，以最大限度地減輕擬建工程對(duì)防洪的不利影響，為工程建設(shè)提供決策依據(jù)。

2.3 實(shí)體模型試驗(yàn)

實(shí)體模型試驗(yàn)是在現(xiàn)有的黃河下游小浪底至陶城鋪河段河道模型上開(kāi)展，試驗(yàn)河段全長(zhǎng)130 km，選取某灌區(qū)至京廣鐵橋之間河段作為試驗(yàn)的重點(diǎn)，觀測(cè)河段長(zhǎng)100 km，其中河道灘地布置渠系的區(qū)段長(zhǎng)81 km。

3 洪水影響分析計(jì)算結(jié)果

3.1 雍水分析

渠道工程建設(shè)對(duì)上灘洪水具有一定影響，工程實(shí)施前后水位抬升較為明顯，河段行洪受渠系建設(shè)的影響較為顯著。通過(guò)實(shí)體模型、數(shù)學(xué)模型分別量測(cè)了工程修建前后的水位變化情況，其修建工程后水位略有抬高，見(jiàn)表1所示。

表1 工程建設(shè)前后水位統(tǒng)計(jì)表 單位：m

通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、實(shí)體模型試驗(yàn)三種方法得到設(shè)計(jì)洪水條件下的支渠段處黃河大斷面位置的壅水最終取值結(jié)果，見(jiàn)表2。

從表2 看出，實(shí)體模型試驗(yàn)的壅水結(jié)果偏小，經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果部分接近。根據(jù)表2 可以看出工程方案運(yùn)行時(shí)，一分干二支、三分干二支受影響較大，但是整個(gè)支渠的壅高均小于0.27m，基本滿足要求。為安全考慮，本次壅高、壅長(zhǎng)采用三種方法中的最大值。

表2 沿程壅水統(tǒng)計(jì)表 單位：m

3.2 沖刷分析

綜合考慮經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)學(xué)模型和實(shí)體模型試驗(yàn)等結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表3及表4所示，支渠的沖刷水深范圍在3.61～16.56 m。西氣東輸鄭州穿黃工程在灘地段埋于地下12.5 m，西氣東輸灘地段即于三分干下埋設(shè)，三分干處地面下最大沖坑深度達(dá)7.40 m，遠(yuǎn)離西氣東輸埋深，因此，支渠建設(shè)引起的沖刷對(duì)西氣東輸沒(méi)有影響。

表3 灌區(qū)沿程水位站沖刷計(jì)算結(jié)果表 單位：m

表4 灌區(qū)倒虹吸沖刷計(jì)算結(jié)果表 單位：m

輸水干渠跨澇河倒虹吸、干渠跨溫縣子夏大街倒虹吸、干渠跨老蟒河倒虹吸處的沖刷水深分別為6.24 m、9.66 m、10.07 m，需降低以上倒虹吸的管頂高程。保證其最低沖刷線高程低于倒虹吸管頂高程。

4 洪水影響分析評(píng)價(jià)

4.1 建設(shè)項(xiàng)目與相關(guān)規(guī)劃的關(guān)系分析

根據(jù)孟州市城市總體規(guī)劃和土地利用總體規(guī)劃，干渠的建設(shè)對(duì)其有影響。輸水總干渠不在河道管理范圍內(nèi)，但建設(shè)項(xiàng)目對(duì)《黃河流域綜合規(guī)劃（2012-2030 年）》中涉及的溫孟灘放淤區(qū)規(guī)劃有影響。

4.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)符合性分析

新建灌區(qū)工程等別確定為Ⅰ等，規(guī)模為大（1）型，輸水總干渠、支渠及倒虹吸等主要建筑物為3級(jí)建筑物，按30年一遇洪水設(shè)計(jì)。輸水總干渠跨南水北調(diào)建筑物級(jí)別為1級(jí)，按100年一遇洪水設(shè)計(jì)。防護(hù)堤黃河防洪標(biāo)準(zhǔn)為防御10 000 m3/s洪水，《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的規(guī)定，設(shè)計(jì)洪水除滿足建設(shè)項(xiàng)目自身防洪標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)與建設(shè)項(xiàng)目所在河段的防洪及水電工程標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)。經(jīng)分析，建設(shè)項(xiàng)目無(wú)法抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水。

4.3 防洪及河勢(shì)影響分析

4.3.1 對(duì)河道行洪的影響

工程的建設(shè)改變了河道的自然面貌，建成后對(duì)水流有一定壓縮、阻攔并形成壅水，河道過(guò)洪能力不同程度地減小，對(duì)下游防洪產(chǎn)生一定影響。

4.3.2 對(duì)河勢(shì)的影響

隨著河道整治工程的逐步完善，渠道所在河段河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，主流基本上按照現(xiàn)有的規(guī)劃流路行進(jìn)，但由于河勢(shì)也受洪水過(guò)程影響，所以工程對(duì)河勢(shì)有一定影響。

4.4 對(duì)現(xiàn)有水利工程與設(shè)施影響分析

4.4.1 對(duì)大堤的影響

此工程總干渠在灘區(qū)內(nèi)分為兩部分：一部分從渠首至中曹坡段，一部分河段從大玉蘭工程下4 km 處到輸水干渠在南平皋村和北平皋村之間上青峰嶺，其中輸水總干渠穿越南水北調(diào)部分，支渠于灘區(qū)內(nèi)建設(shè)，干支渠建設(shè)后最大壅高0.27 m，由于壅水相應(yīng)地降低了左岸黃河大堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)，抬高了水位，對(duì)黃河大堤有影響。由于工程的修建增加了退水時(shí)間，將會(huì)導(dǎo)致黃河大堤浸泡時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)堤坡穩(wěn)定有一定影響。

4.4.2 對(duì)南水北調(diào)中線工程的影響

施工期和運(yùn)行期有可能造成南水北調(diào)穿越新蟒河倒虹吸的不均勻沉降，對(duì)其安全運(yùn)行有影響。

5 工程建設(shè)影響防治補(bǔ)救措施

5.1 對(duì)影響有關(guān)規(guī)劃采取的措施

工程建設(shè)對(duì)溫孟灘放淤區(qū)規(guī)劃的影響，建議在放淤區(qū)內(nèi)留好交通通道，并服從于今后黃河流域規(guī)劃修訂、調(diào)整、實(shí)施的需要。

5.2 項(xiàng)目建設(shè)防御洪水的措施

建設(shè)單位應(yīng)每年汛前制定切實(shí)、可行的度汛方案，報(bào)河務(wù)局審批備案，加強(qiáng)員工防汛意識(shí)教育。在黃河7-9月份防汛期間，應(yīng)安排專人與防汛部門保持良好溝通，做好一切度汛措施。當(dāng)預(yù)報(bào)黃河出現(xiàn)較大洪峰時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按河務(wù)部門要求，在洪水到來(lái)前，根據(jù)預(yù)先編制的拆除方案組織拆除阻水建筑，同時(shí)組織人員、設(shè)備及重要物資等撤離到安全區(qū)域。

5.3 減少對(duì)河道行洪安全和河勢(shì)穩(wěn)定影響的措施

項(xiàng)目經(jīng)黃河河務(wù)部門審查批準(zhǔn)后，應(yīng)嚴(yán)格按審批同意的建設(shè)項(xiàng)目、建設(shè)規(guī)模、位置和走向進(jìn)行實(shí)施，不得隨意變更，項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營(yíng)應(yīng)當(dāng)服從當(dāng)?shù)睾觿?wù)部門的監(jiān)督管理。

5.4 減少現(xiàn)有水利工程與設(shè)施影響的措施

5.4.1 堤防工程

在壅水比較明顯的局部進(jìn)行土石備料的方式進(jìn)行黃河大堤的防護(hù)補(bǔ)救。

5.4.2 南水北調(diào)中線工程

建設(shè)項(xiàng)目會(huì)對(duì)南水北調(diào)中線工程安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，建設(shè)單位應(yīng)做專項(xiàng)設(shè)計(jì)報(bào)有關(guān)單位審批。