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(cè)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(cè)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)防洪和河勢(shì)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(zhǎng)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(tái)地，山峰圓滑，河谷成U字型，右岸山勢(shì)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(duì)應(yīng)樁號(hào)3+300;右岸為江南堤防，對(duì)應(yīng)樁號(hào)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(cè)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(shì)，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(gè)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(jiǎn)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(zhǎng)度和灘地行洪長(zhǎng)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(shí)采用0.15，＜0.3時(shí)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(shí)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(duì)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(jí)配不良中礫，厚度5.10～10.70 m。根據(jù)近期河勢(shì)演變趨勢(shì)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(duì)河道穩(wěn)定基本無較大影響。

本次項(xiàng)目建設(shè)對(duì)于河段水勢(shì)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(shí)已考慮了閘下消能防沖等措施，故本工程對(duì)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(cè)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(shì)，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(huì)改變河道的整體沖淤變化，當(dāng)泄洪閘和沖沙閘泄水時(shí)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(zhǎng)期分析攔河樞紐上游不會(huì)產(chǎn)生較大的泥沙淤積［6］。

2.4 河勢(shì)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(duì)下游河勢(shì)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(duì)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(duì)該河段的河勢(shì)穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。發(fā)生100 a一遇洪水時(shí)，工程建成后最大水位壅高值為5 cm，不會(huì)對(duì)河勢(shì)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(duì)防洪工程實(shí)施方案基本不會(huì)帶來影響。如果二者同時(shí)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(duì)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(cè)資料，多年觀測(cè)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(duì)上游流冰起到阻擋作用，而且，攔河樞紐泄洪閘設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(cè)，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(shí)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(duì)中低水河勢(shì)而言，主流保持在主河道的穩(wěn)定性關(guān)系不會(huì)因建攔河壩產(chǎn)生大的變化。對(duì)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(shì)變動(dòng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，2000.

［5］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，牡丹江市水利勘測(cè)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，牡丹江市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1999.

［6］牡丹江市水利勘測(cè)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(cè)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。