礦山建設(shè)項目對潦河河道防洪影響評價研究

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

礦山建設(shè)項目對潦河河道防洪影響評價研究

彭幼林

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

本文以鉭鈮潦河下游鉭鈮礦山實際項目作為河道防洪影響研究案例，通過探討防洪影響評價的基本問題，分析防洪影響評價的方法和內(nèi)容，展開對河道建設(shè)工程的防洪影響評價。以該流域的防洪規(guī)劃為研究依據(jù)，設(shè)定模型參數(shù)時采用多個參考標(biāo)準(zhǔn)，最終求得設(shè)計洪水沿程水面線。該研究構(gòu)架模型具備準(zhǔn)確性和科學(xué)性，可以應(yīng)用于礦山建設(shè)對河道防洪的影響評價。

河道建設(shè)項目；洪水模擬；防洪評價；壅水分析

水利工程是保障其他工程項目安全性的基礎(chǔ)，同時其他工程項目設(shè)計、施工時應(yīng)當(dāng)依據(jù)所處江河流域的實際水利情況。由于流域內(nèi)每個水利工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)不相同，這就要求其他工程要與水利工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)相匹配，重點工程要選址于防洪能力高的區(qū)域，其他工程建成后不能減弱河道的泄洪能力或降低防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，在河道管理轄域內(nèi)建設(shè)其他工程之前，開展洪水影響評價十分必要[1-2]。

1 構(gòu)建河道洪水演進水動力模型

1.1 圣維南方程組

在自然河道內(nèi)，水流動為明渠非恒定流，專業(yè)學(xué)科一般用偏微分方程組(即圣維南方程組)來歸納明渠非恒定流的運動規(guī)律。

(1)

(2)

1.2 模擬河道洪水的分析模型

在模擬河道洪水之前，要明確河道的邊界條件情況，追趕方程的形式也需要按照邊界情況來確定，然后對水位-流量的關(guān)系、水位過程以及流量過程進行確定。明確河道上游邊界、下游邊界的情況后，構(gòu)建封閉方程組，該方程組由上游邊界、中間各單元以及下游邊界條件組成。這個方程組由n個方程組成，包括m個未知數(shù)，通過求解能夠得出河道各個斷面的洪水變化情況。得出上游邊界條件屬于流量過程，然后按照實際數(shù)據(jù)確定下游邊界條件，最后列出追趕方程：

Q0=P0+R0z0上邊界條件

(3)

(4)

?

(5)

zn=zn(t)下邊界條件

(6)

由于河道里的洪水可能會伴隨其他支流匯入，所以，在模擬河道洪水演進的動力時，必須將支流匯入情況考慮在內(nèi)。

1.3 計算模型的具體過程

在前述分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建出河道洪水演進模型，圖1為具體操作流程。按照圖1里的推算步驟，將斷面數(shù)作為循環(huán)的判斷條件，將時段數(shù)作為終止的前提，利用計算機語言進行科學(xué)的程序計算，構(gòu)建河道洪水演進模型。

圖1 河道洪水演進的模型

在計算流程圖中，模擬計算過程各個環(huán)節(jié)的先后順序及相互關(guān)系，示意標(biāo)注，各部分計算內(nèi)容也只簡要說明，但該流程代表計算模型的主體思路，依據(jù)該流程完成模擬洪水演進過程。

2 流域基本情況及項目背景

2.1 基本情況

潦河流域在江西省的西北部，跨越了南昌和宜春兩個市，流經(jīng)安義、永修、靖安、奉新等縣域，作為修河流域最大支流，潦河流域面積達4380km2，在南昌安義縣分流為南、北兩支。其中南支流域面積為2862km2，北支流域面積為1518km2，而后河流分支在安義縣石窩匯流，流過安義萬家埠下游流入修河。潦河北支一分為二，其中南河的流域面積782km2，北河的流域面積736km2，在安義縣凌家匯流。萬家埠站是潦河的控制站，集水面積3548km2。

潦河流域地勢西高東低，植被覆蓋面積大，屬于亞洲東南季風(fēng)氣候，年平均溫度為17℃，共有260～280天無霜期，雨量充沛，年平均降雨量1604mm。但該流域?qū)俦┯陞^(qū)，潦河上游更是江西眾多暴雨中心的一個。流域中上游屬于高山叢林地貌，下游屬于丘陵地貌，河床坡度比較大，導(dǎo)致水流湍急。該區(qū)域平均年降雨量1601mm，地形導(dǎo)致降雨分布不均，上游平均年降雨量2000mm，1小時最大降雨量達87.7mm，6小時最大降雨量達209mm，24小時最大降雨量達357mm。

2.2 項目背景

本文所研究的鉭鈮礦區(qū)位于潦河?xùn)|側(cè)，含有豐富的地表水和地下水資源，該區(qū)域地勢較為平坦，海拔處于15.00～25.00m之間，區(qū)內(nèi)最低的侵蝕基準(zhǔn)面海拔為12.00m。該礦區(qū)四季分明，是典型的干旱大陸性氣候，全年平均氣溫為10.6℃，其中最低氣溫為-23.7℃，出現(xiàn)在1月，極端最高氣溫為39℃，出現(xiàn)在7月。該區(qū)域多年平均降雨量652.8mm，凍土深度最大在0.6～0.8m之間。礦物儲量比較大，埋藏比較深，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。礦體的頂盤是含卵礫石層，地表是沖積河套。地表第四系共分為三層，厚度達175～220m，地表上層是含礫沖積砂，屬于細砂層，厚度約25～35m，中層是粗砂石以及少量黏土，厚度約75～95m，下層是卵石及巨礫礫石，厚度約65～75m。這三層之間為礫黏土層。潦河的河水和地下水之間沒有水力聯(lián)系。含卵礫石層中包含第四系孔隙淺水的含水層，該含水層和承壓含水層都是強突水段，滲透系數(shù)在29.37～6.020m/d之間，涌水量在4.0669～4.28L/s·m之間，礦床在進行開采時沖水大多來自于此，如果不熟悉該區(qū)域的水文地質(zhì)條件就可能會引起災(zāi)變性的淹井事故。

3 構(gòu)建計算模型

3.1 構(gòu)建模型

計算工況的方案模型以水流計算為主，對上游的流量過程進行簡化，將其定為恒定出流過程，并設(shè)定流量值。展開洪水演算時，計算方案要根據(jù)恒定流量的不同單獨進行，然后對下游的邊界條件進行簡化，將其定為恒定水位過程。設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為五年一遇時，上游邊界的流量恒定為Q=8250m3/s，下游的設(shè)計洪水位恒定為2.75m；設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇時，上游邊界的流量恒定為Q=13650m3/s，下游的設(shè)計洪水位恒定為12.05m；設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇時，上游邊界的流量恒定為Q=25000m3/s，下游的設(shè)計洪水位恒定為11.95m。

3.2 設(shè)定權(quán)重參數(shù)

一般情況下假定隱格式比較穩(wěn)定，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和實際操作經(jīng)驗，得出隱格式的穩(wěn)定性具有前提條件，因此設(shè)定隱格式的參數(shù)要科學(xué)。在斷面間距和入流強度為反比例關(guān)系的情況下，使用隱格式來模擬流速快的水流，并利用插補計算或者增加計算來縮短斷面的間距，最后選擇科學(xué)的時間段，增加計算的可靠性。按照潦河的實際情況將權(quán)重參數(shù)θ的值設(shè)定為0.60。

3.3 驗證河道洪水模型

模擬完潦河下游河道洪水的演進之后，采用天然河道斷面，通過模擬設(shè)計洪水位來驗證該模型的可行性。圖2～圖4為設(shè)計水位斷面驗證點詳細的河道沿程水面線模擬結(jié)果。

圖2 5年一遇設(shè)計洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

圖3 10年一遇設(shè)計洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

圖4 50年一遇設(shè)計洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

由圖2可知，在模擬河道的流量為5年一遇洪峰時，該模型斷面設(shè)計水位和計算水位比較一致。在所有的驗證點中，除第46個驗證點的設(shè)計水位低于計算水位8cm、第58個驗證點的設(shè)計水位低于計算水位15cm之外，剩下21個驗證點的設(shè)計水位與計算水位的差值最小為-2cm，最大為3cm。由圖3可知，在模擬河道的流量為10年一遇洪峰時，斷面設(shè)計水位和計算水位比較一致。在所有的設(shè)計水位驗證點中，除57號斷面設(shè)計水位高于計算水位17cm外，剩下11個驗證點的設(shè)計水位與計算水位的差值最小為-3cm、最大為3cm。由圖4可知，在模擬河道的流量為50年一遇的洪峰時，斷面設(shè)計水位和計算水位比較一致。

4 計算并分析潦河礦山工程的防洪影響

驗證前述模型的科學(xué)性和準(zhǔn)確性后，本文認為可以將其應(yīng)用到礦山工程防洪影響的評價中，分析該工程實施對干擾河道行洪能力影響，計算工程修建前、修建后兩種情況下河道沿程水面線，模擬河道行洪過程。

4.1 計算水文條件

設(shè)定潦河上游邊界京山鐵路橋(第1斷面)的邊界條件為5年一遇、10年一遇和50年一遇，初始條件設(shè)定為起漲流量。受到邊界條件和實際情況的限制，邊界條件為5年一遇時，下游邊界設(shè)定為設(shè)計洪水位2.76m，該數(shù)據(jù)為入?？跀嗝婧愣〝?shù)據(jù)，邊界條件為5年一遇時，下游邊界設(shè)定為設(shè)計洪水位12.50m，該數(shù)據(jù)為潦河分漢前斷面(第87斷面)的恒定數(shù)據(jù)，邊界條件為50年一遇時，下游邊界設(shè)定為設(shè)計洪水位11.93m，該數(shù)據(jù)為現(xiàn)狀右岸大堤截止處袁莊一帶(第80斷面)恒定數(shù)據(jù)。5年一遇洪水的起漲流量是 464m3/s ，10年一遇洪水的起漲流量是624m3/s，50年一遇洪水的起漲流量是865m3/s。時間間距設(shè)為3min。

4.2 分析計算結(jié)果

確定水文和邊界條件之后，利用模型計算礦山工程實施前和實施后兩種工況下的水位流量過程線，得出典型斷面的結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 38斷面水位流量過程線(50年一遇)

圖6 39斷面水位流量過程線(50年一遇)

從圖5、圖6看出，各個控制斷面在5年、10年、50年一遇不同設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)下，洪水發(fā)生時礦山工程引起的水位流量變化幅度不大。設(shè)定洪水為5年一遇時，礦山工程實施前后，沿程各個控制斷面最大水位變化位于礦山工程控制斷面(第39斷面)的上游約500m處，在廖各莊(第38斷面)處，實施后比實施前壅水的高度增加0.07m，流量降低2.25m3/s，除此之外，其他控制斷面的水位流量在實施前后幾乎沒有變化；設(shè)定洪水為10年一遇，礦山工程實施前后，沿程各個控制斷面最大水位的變化位于控制斷面(第38斷面)上游約500m處，實施后比實施前壅水的高度增加0.09m，流量降低2.14m3/s，其他控制斷面的水位流量在實施前后幾乎沒有變化；設(shè)定洪水為50年一遇時，礦山工程實施前后，沿程各個控制斷面最大水位的變化也位于廖各莊(第38斷面)處，實施后比實施前壅水的高度增加0.1m，流量降低2.30m3/s，除此之外，其他控制斷面的水位流量在實施前后幾乎沒有變化。

實施礦山項目后并沒有降低潦河下游河道的防洪能力，對其產(chǎn)生的影響比較小。在非恒定流和恒定流兩種情況下，模擬并分析礦山項目實施前后不同程度洪水發(fā)生時沿程水面線及行洪過程，結(jié)果為礦山項目實施后河道產(chǎn)生壅水現(xiàn)象和阻水現(xiàn)象都比較微弱。假定洪水為50年一遇時河道產(chǎn)生的最大壅水高度僅為0.12m，減少流量為2.30m3/s，只達到設(shè)計流量不足0.1%，綜上研究認為礦山項目實施后并沒有對潦河下游河道的防洪產(chǎn)生明顯影響。

5 主要結(jié)論

本文在驗證了構(gòu)建的河道洪水模型科學(xué)、準(zhǔn)確之后，分別計算5年、10年和50年一遇洪水發(fā)生時潦河的洪峰流量，并模擬三種不同洪水情況下，實施礦山項目前和實施后下游河道的沿程水面線及水位流量的變化情況。計算結(jié)果：三種不同工況下，洪水歷時過程中或洪峰流量下，礦山項目實施后在項目所處區(qū)域上游的局部地段內(nèi)水位、流量發(fā)生部分變化，其他控制斷面的水位和流量在實施前后幾乎沒有變化，水位最大變化幅度0.12m，流量的變化幅度小于0.1%?？烧J為礦山項目的實施幾乎沒有對潦河下游河道的防洪能力產(chǎn)生干擾。

[1] 王伶俐，苗孝芳. 具有預(yù)見期的洪水演算方法研究[J]. 水科學(xué)進展，2000, 11(3): 291-295.

[2] 吳持恭. 水力學(xué)(下冊)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1993.

EvaluationandstudyoftheinfluenceofmineconstructionprojectonLiaoheRiverfloodcontrol

PENG Youlin

(JiangxiLiaoheRiverEngineeringAuthority,Yichun336000,China)

In the paper, mine practical project on the downstream area of Liaohe River is regarded as a case for studying the influence on river flood control. Methods and contents of flood control influence evaluation are analyzed through discussing basic problems of flood control influence evaluation, thereby carrying out flood control influence evaluation on river construction projects. Flood control plan in the river is regarded as research basis. Many reference standards are adopted during setting of model parameters. Designed flow profiles along flood are finally obtained. The research framework model of the paper is accurate and scientific, which can be used for evaluating the influence of mine construction on river flood control.

river construction project; flood simulation; flood control evaluation; backwater analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.008

TV212.5+3

A

1005-4774(2017)012-0029-05