秦皇島城市防洪水文計算及河道改造

楊 蕾

(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

1 區(qū)域概況

秦皇島市是我國首批沿海開放的城市，地處渤海經(jīng)濟圈，是我國北方最大的糧油加工基地。由于位于海濱，雨量充沛，是華北地區(qū)極少數(shù)沒有超采地下水問題的城市之一。全市總面積7812.4 km2，整體地勢為西北高、東南低，主要由山地、丘陵、平原、濱海四個地帶組成，超過50%區(qū)域為丘陵，山體海拔高度均不超過500 m。氣候為暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，因受海洋影響較大，氣候溫和，年平均氣溫在10 ℃左右。多年平均降水量在640 mm，且超過80%集中在6—9月份。區(qū)域內(nèi)主要河流有潮河、石河、沙河、新開河等。

2 水文水資源現(xiàn)狀

2017年秦皇島主城區(qū)(海港區(qū)、山海關(guān)區(qū)、北戴河區(qū))水資源計算成果如表1所示。而整個秦皇島市所有區(qū)域水資源總量約為16.22億m3，其中地表水12.72億m3，地下水7.50億m3，重復(fù)計算量4.0億m3。目前，秦皇島市共開發(fā)利用水資源量約為9.20億m3/a，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有各類水庫283座，總庫容14.86億m3，其中桃林口水庫總庫容超過8.30億m3。此外，三個主城區(qū)擁有7座供水廠，供水管道共計1123 km，滿足市區(qū)年供水量1.40億m3需求。

表1 2017年秦皇島市區(qū)水資源計算成果 萬m3

3 水文計算方法分析

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2018年秦皇島主城區(qū)人口總數(shù)約為91萬人(海港區(qū)76萬、山海關(guān)區(qū)17萬、北戴河區(qū)8萬)，標準為三線城市，防洪標準設(shè)計為100 a一遇。在此主要以雙山子水文站、洋河水庫水文站、石河水庫水文站、桃林口水文站統(tǒng)計的數(shù)據(jù)對秦皇島主城區(qū)防洪規(guī)劃水文數(shù)據(jù)進行分析計算。

3.1 區(qū)域產(chǎn)流深計算

(1)水面產(chǎn)流。水面產(chǎn)流深RW(凈雨深)等于降雨量與蒸發(fā)量之差，計算公式見式(1)[1]，經(jīng)計算得出研究區(qū)RW=402.5 mm。

RW=P-β×E1

(1)

式中：P為研究區(qū)降雨量，mm；E1為研究區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm；β為水面蒸發(fā)折算系數(shù)。

(2)耕地產(chǎn)流。耕地是受城市化進程影響較小的下墊面類型，這類面積一般具有較好的滲透性。為簡化計算，在此將研究區(qū)域內(nèi)的非居民區(qū)全部作為耕地做處理[2]。耕地產(chǎn)流深RD簡化計算公式見式(2)，經(jīng)計算得出研究區(qū)RD=230.4 mm。

RD=P-E2-(WM-WD)

(2)

式中：E2為研究區(qū)耕地蒸發(fā)量，mm；WM為耕地最大可能缺水量，mm；WD為耕地初始含水量，mm。

(3)城鎮(zhèn)市區(qū)產(chǎn)流。由于目前城鎮(zhèn)和市區(qū)的主要居民區(qū)超過80%的面積都屬于硬化面，產(chǎn)流來源為降水，損失僅為洼地蓄水，所以城鎮(zhèn)市區(qū)居民區(qū)產(chǎn)流深hs計算式見式(3)[3]，經(jīng)計算得出研究區(qū)hs=275.2 mm。

hs=P+D0-Dm

(3)

式中：D0為初始洼地蓄水量，mm；Dm為最大洼地蓄水量，mm。

3.2 洪水計算

3.2.1 防洪洪水計算河段及斷面

在此以湯河防洪洪水計算為例，作為秦皇島市的主要河流之一，在中下游河段上設(shè)置三處洪水計算斷面，分別為上斷面、中斷面、下斷面(如圖1所示)[4]。

圖1 湯河洪水計算斷面布置示意圖

3.2.2 斷面洪峰流量計算

結(jié)合研究區(qū)各個水文站多年洪水資料，選取年最大值洪水選樣，在此分別選取年最大洪峰流量及1 d、3 d、5 d洪量系列[5]。

(1)不連續(xù)洪水系列按式(4)數(shù)學期望計算經(jīng)驗頻率PM。

(4)

式中：M為洪峰量值按大小順序排位；N為調(diào)查期長度。

(2)特大洪水按照式(5)計算經(jīng)驗頻率Pm。

(5)

式中：m為實測洪水在實測期內(nèi)的排位；n為實測系列年數(shù)；L為水文站測得連續(xù)系列中特大洪水個數(shù)。

(3)對于剔除特大洪水值后的洪水系列按照式(6)[6]計算經(jīng)驗頻率Pm。

(6)

式中：a為N年內(nèi)特大洪水個數(shù)。

3.2.3 設(shè)計洪水計算成果表

在本項目中，利用“矩法”對洪水系列統(tǒng)計參數(shù)進行估算，并利用計算機軟件對P-Ⅲ曲線進行優(yōu)化適線，湯河設(shè)計洪水計算成果如表2所示(部分)。根據(jù)以上成果綜合分析：秦皇島市在對現(xiàn)有河道進行適當改造后便可滿足轄區(qū)內(nèi)的防洪排澇任務(wù)。

4 防洪河道改造

綜合上述水文計算出的洪水量，大致估算出本市泄洪能力滿足相關(guān)標準，因此防洪設(shè)施不必進行大規(guī)模擴大，只需對現(xiàn)有河道進行適當加固改造即可。

4.1 河道疏浚

針對河道淤泥沉積嚴重河段，設(shè)計采用絞吸式挖泥船施工；針對郊區(qū)河道碎石、垃圾沉積嚴重河段，設(shè)計采用抓斗船施工。

4.1.1 絞吸式挖泥船施工要點

(1)為防止淤泥回流問題，要求當河水流速大于0.5 m/s時，采用逆流施工；當河水流速小于0.5 m/s時，采取順流施工。監(jiān)督部門必須時刻審查回淤量，挖泥船開挖不到的地方由人工進行清除。

(2)當淤泥厚度超過挖泥船單次最大挖深時，應(yīng)采用分層施工，原則為“上層厚，下層薄”。針對較寬河道，應(yīng)采取分條開挖，保證河道始終保持通暢。

(3)在居民區(qū)范圍施工時，應(yīng)將施工區(qū)隔離，吸出的淤泥通過翻斗汽車運至淤泥安置點，為保護生態(tài)環(huán)境，要求安置點遠離居民區(qū)10 km以上。秦皇島市政府共設(shè)置5個荒地作為安置點，最后作填埋處理。

表2 湯河設(shè)計洪水計算成果(部分)

圖2 絞吸式挖泥船(左)和抓斗船(右)

4.1.2 抓斗船施工要點

(1)郊區(qū)及野外河道一般寬度較大，應(yīng)采用分條施工。但應(yīng)注意：在淺水區(qū)施工，分條寬度應(yīng)滿足挖泥船和泥駁綁靠所需水域要求；在流速較大的深水區(qū)施工，分條寬度不得大于挖泥船船寬。

(2)當沉積物厚度超過抓斗船單次開挖深度，采用分層開挖；當沉積物厚度較小，質(zhì)地松軟，可采用“梅花法”施工來降低工程量。

(3)當河道流速較大時，必須注意水流對泥斗位移和挖深的影響，可適當增加抓斗重量，盡量避免在汛期施工。

4.2 堤防工程加固

加固河流堤防對于提高河道泄洪能力意義重大，經(jīng)實地調(diào)查：秦皇島市境內(nèi)河道邊坡超過70%強度和高度均不滿足要求(集中在郊區(qū)及野外河道)，一般為土坡，腐蝕沖刷嚴重，這也是造成河道淤積的原因之一；而位于居民區(qū)的河道沒有建立相應(yīng)的河道生態(tài)環(huán)境，且人為污染、破壞現(xiàn)象較多。

(1)在居民區(qū)建立河道生態(tài)環(huán)境。秦皇島市是著名的生態(tài)旅游城市，完全可將河道生態(tài)打造成一道風景。對于部分位于居民區(qū)河段，可采用生態(tài)護坡技術(shù)(見圖3)對現(xiàn)有河道進行生態(tài)改造。本項目設(shè)計采用正六邊形護坡磚，結(jié)構(gòu)牢固，壽命時間長，后期維修方便，而且目前已經(jīng)在秦皇島多個河段有了成功經(jīng)驗。

圖3 城市河道生態(tài)護坡實景圖

(2)加固野外河道邊坡。由于野外河道對美化環(huán)境要求較低，所以本項目設(shè)計采用成本低廉且結(jié)構(gòu)牢固的鉛絲石籠護坡對原有土坡進行加固改造(見圖4)。該種護坡需要注意夯實基礎(chǔ)，且做好土工膜鋪設(shè)工作。

圖4 鉛絲石籠護坡實景圖

5 結(jié) 語

水文計算是城市防洪規(guī)劃的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果也是規(guī)劃的重要依據(jù)，秦皇島市相關(guān)部門根據(jù)水文計算出的洪水量大致估算出本市泄洪能力滿足相關(guān)標準，因此防洪設(shè)施不必進行大規(guī)模擴大，只需對現(xiàn)有河道進行適當加固改造即可。