黃河山東段橋梁對水文特性影響的分析

安 鵬，閆 堃

（1.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州450003；2.黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，山東 濟(jì)南250100）

1 問題提出

黃河山東段全長628 km，據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2019 年底有已建和在建橋梁30 余處，浮橋55 處。這些橋梁密密麻麻地分布在山東黃河河道上，橋墩及浮橋的存在和橋梁建設(shè)期間的臨時(shí)設(shè)施破壞了河道水流的自然屬性，水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，流速及含沙量的縱、橫向分布受到影響，河床沖淤及泥沙粗細(xì)發(fā)生變化，這些變化的表現(xiàn)形式是水文特性的變化。所以，分析橋梁建設(shè)及運(yùn)行期間水文特性有哪些影響及如何影響，對水文水資源監(jiān)測有著重要意義。

2 山東黃河水文監(jiān)測斷面概況

黃河山東段設(shè)有6 個(gè)基本水文站、18 個(gè)水位站、218 個(gè)河道沖淤監(jiān)測斷面、8 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面。其中每個(gè)水文站設(shè)有1 處基本斷面、1 處或多處流量監(jiān)測斷面和2 處比降監(jiān)測斷面，628 km 范圍內(nèi)不足3 km 就有1 個(gè)水文監(jiān)測斷面，基本水文站附近監(jiān)測斷面分布更是密集。

3 對水文特性的影響分析

3.1 分析評價(jià)的意義

黃河水文工作是黃河水利事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性工作，也是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性工作。多年來，山東黃河水文為黃河防洪、防凌、抗旱、減災(zāi)減淤、水資源調(diào)度等提供了技術(shù)服務(wù)，為沿岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和國家重點(diǎn)工程建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐。黃河橋梁和浮橋的建設(shè)及運(yùn)行對水沙運(yùn)行規(guī)律產(chǎn)生了不同程度的影響，當(dāng)橋位附近有水文監(jiān)測斷面時(shí)，水文監(jiān)測工作就會(huì)受到影響，多年積累的固定監(jiān)測斷面的水文資料原始樣本發(fā)生變異，斷面特性和水文資料的一致性、連續(xù)性發(fā)生變化，這些變化對水文資料的應(yīng)用產(chǎn)生了影響。所以，分析評價(jià)黃河橋梁建設(shè)及運(yùn)行對水文特性的影響，對保障水文監(jiān)測工作正常進(jìn)行，對橋梁建設(shè)的選址非常重要。

3.2 技術(shù)路線及工作內(nèi)容

3.2.1 技術(shù)路線

橋梁對水文特性的影響主要技術(shù)路線如下：①勘查橋位與水文斷面之間的關(guān)系及間距；②收集歷史水文資料，主要包括水位、流量、含沙量、斷面、流速、泥沙級配及水位流量關(guān)系、單斷沙關(guān)系等水文特征資料；③收集橋梁建設(shè)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和施工方案等；④進(jìn)行水文分析計(jì)算，主要計(jì)算設(shè)計(jì)洪水水位、壅水高度、壅水范圍；⑤收集橋梁建設(shè)和運(yùn)行期間一段時(shí)間的水文要素對比觀測資料，計(jì)算分析橋梁對水文特性的影響；⑥依據(jù)分析評價(jià)結(jié)果提出措施方案。

3.2.2 工作內(nèi)容

工作內(nèi)容主要包括野外實(shí)地踏勘、水文實(shí)測資料分析、水文分析計(jì)算，依據(jù)歷史水文資料、大橋設(shè)計(jì)資料及施工方案、水文監(jiān)測需求等分析計(jì)算橋梁建設(shè)及運(yùn)行期間對水文特性變化、河道沖淤、河床演變、水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響等，為保障橋梁建設(shè)期間及運(yùn)行后的水文監(jiān)測資料的可靠性、一致性、連續(xù)性和代表性提供科學(xué)依據(jù)。

4 對水文特性的影響分析

無論跨河橋梁在水文監(jiān)測斷面上游或下游，只要距監(jiān)測斷面小于10 km[1]，對水文水資源監(jiān)測設(shè)施、水文特性、河勢演變、水質(zhì)保護(hù)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，所以，分析橋梁建設(shè)造成的影響對水文水資源監(jiān)測、水文設(shè)施保護(hù)和橋梁位置選擇是不可缺少的重要工作。

4.1 對水位、比降的影響

橋梁對水位及比降的影響主要來源于建設(shè)期間工作橋梁、臨時(shí)設(shè)施及建成后橋墩的壅水及河段溯源沖淤等影響。若橋位在監(jiān)測斷面下游，主要分析壅水影響，正常的穩(wěn)定流情況下，橋位斷面壅水范圍內(nèi)所有水位觀測斷面的水位都因橋位壅水普遍出現(xiàn)一個(gè)不同的增加值，形成一個(gè)附加比降，而這個(gè)附加比降又因壅水高度和壅水范圍的不同而變化，屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化值，從而影響到觀測斷面的水位及觀測河段的水面比降。所以，橋梁施工過程中和建成后的運(yùn)行期間，影響河段不同時(shí)期同流量級下的水位將相應(yīng)增高，洪水期尤為明顯。若橋位在監(jiān)測斷面上游，主要分析臨時(shí)工程、橋墩阻水及溯源淤積等造成的綜合影響。

4.2 對河勢的影響

建橋期間的施工便橋等臨時(shí)設(shè)施及建成后的橋墩將造成局部河段沖淤特性和主溜位置的變化。沖刷主要包括一般沖刷和局部沖刷兩個(gè)部分，沖刷深度和強(qiáng)度與流量大小及水流挾沙能力有關(guān)，較大的沖刷將在橋墩上、下游形成沖刷坑，造成局部河勢調(diào)整大且速度快的現(xiàn)象，同時(shí)橋梁斷面以上河段產(chǎn)生溯源沖刷，以下河段產(chǎn)生的溯源淤積[2]，水勢上提下挫，主溜左移右擺，中泓位置不穩(wěn)、變化頻繁，將對河段的河勢產(chǎn)生一定影響。

4.3 對測驗(yàn)設(shè)施的影響

影響河段河勢的變化及主溜擺動(dòng)將使現(xiàn)用的部分水文測驗(yàn)設(shè)施失去或降低使用功能。比如水位觀測設(shè)施的脫溜、靠船碼頭不能停靠船只等，這些影響將不同程度地造成測驗(yàn)?zāi)芰Φ臏p小、測驗(yàn)困難的增大，或造成測驗(yàn)設(shè)施的重新建設(shè)。

4.4 對泥沙的影響

影響河段的河勢變化、主溜擺動(dòng)，水流擾動(dòng)、岸灘侵蝕[3]坍塌等現(xiàn)象造成監(jiān)測河段泥沙含量增多、粒徑加粗、監(jiān)測斷面含沙量的橫向、縱向及泥沙顆粒級配分布的變化，造成單斷沙（顆）關(guān)系曲線變化。這種變化使常用的含沙量、輸沙率測驗(yàn)方法與改變后的水沙環(huán)境不適應(yīng)，需在新的水沙環(huán)境下通過足夠多的試驗(yàn)資料確定適合的測驗(yàn)方法。

4.5 對流速分布的影響

影響河段的河勢變化、主溜偏移，水流擾動(dòng)、壅水等現(xiàn)象，使影響河段水流分布規(guī)律發(fā)生變化，監(jiān)測斷面流速的縱向、橫向分布將發(fā)生變化，水位流量關(guān)系發(fā)生變化。這種變化將影響監(jiān)測斷面的水流特性，原本常用的流量、輸沙率測驗(yàn)方法與改變后的水流環(huán)境不相適應(yīng)，需在新的水流環(huán)境下通過足夠多的試驗(yàn)資料確定適合的測驗(yàn)方法。

4.6 對河道沖淤監(jiān)測的影響

4.6.1 監(jiān)測方法

目前，山東黃河河道淤積測驗(yàn)斷面監(jiān)測方法是以水文監(jiān)測船作為水上移動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)，船上搭載GPS 定位系統(tǒng)、測深儀和其他測算設(shè)備工具，某監(jiān)測斷面各條垂線位置通過GPS 確定[4]，水深通過測深儀實(shí)測，依據(jù)測時(shí)水位和水深計(jì)算河底高程和斷面沖淤。

4.6.2 主要影響

黃河山東段河道不足3 km 布設(shè)1 處監(jiān)測斷面，個(gè)別河段2 km 左右布設(shè)1 處，橋梁位置一般避不開河道監(jiān)測斷面，有3 種現(xiàn)象：①橋位距離斷面太近；②橋軸線與斷面重合或相交，這兩種情況對河道淤積監(jiān)測產(chǎn)生的主要影響是橋墩及臨時(shí)設(shè)施對水文特性、沖淤規(guī)律的影響，而且當(dāng)橋位與斷面重合或相交時(shí)直接影響監(jiān)測工作的開展；③大橋建設(shè)期間施工便橋等臨時(shí)設(shè)施對監(jiān)測船只通航的影響。

4.7 對水質(zhì)的影響

大橋建設(shè)期間的施工垃圾和人為因素增多，建成運(yùn)行后交通量增加、人類活動(dòng)頻繁，橋梁下游河段水質(zhì)污染源增多，突發(fā)性水污染事件的概率增大，河段水污染事件的應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)增加，水質(zhì)監(jiān)測難度加大。

4.8 對冰期的影響

山東黃河由西南流向東北，冬季平均氣溫下段比上段低2～3 ℃，下段封河早、開河晚、冰層厚，上段封河晚、開河早、冰層薄。封河期間易形成冰塞阻塞河道，壅高水位，漫灘成災(zāi)；開河期間往往上段解凍開河，冰水齊下，而下段冰層固封，在彎曲河段或在寬河道向窄河道的過渡段容易發(fā)生冰凌插塞堆積，甚至形成冰塞、冰壩等嚴(yán)重凌情。

橋梁建設(shè)期間的臨時(shí)設(shè)施及建成后橋墩明顯減小了河道輸冰寬度，降低了輸水輸冰能力，容易發(fā)生卡冰壅水甚至產(chǎn)生冰塞冰壩。

4.9 浮橋?qū)λ奶匦缘挠绊?/h3>

目前，黃河山東段建有浮橋50 余處，浮橋由浮舟、牽引浮筒及配套設(shè)施構(gòu)成，平水期運(yùn)行，洪水及冰期拆除部分或全部浮舟。浮橋?qū)λ奶匦缘挠绊懼饕憩F(xiàn)在浮舟及其配套設(shè)施對水流結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和對河勢變化的影響。浮橋運(yùn)行期間浮舟和配套設(shè)施破壞了水流的自然屬性，浮舟將敞露水流分割成若干股水流從時(shí)沉?xí)r浮的浮舟下及浮舟間流過，水沙的縱、橫向分布受到影響；拆除主流浮舟后，兩岸剩余浮舟和配套設(shè)施對洪水和凌汛期水文特性仍有不同程度的影響。

4.10 對水文資料的影響

綜上分析，橋梁建設(shè)必將對影響河段的水文監(jiān)測斷面現(xiàn)行的水沙運(yùn)行規(guī)律產(chǎn)生影響，使監(jiān)測斷面水文要素相關(guān)規(guī)律發(fā)生變化。迄今山東黃河水文站現(xiàn)有的水位流量關(guān)系、單斷沙（顆）關(guān)系以及相應(yīng)的水文數(shù)據(jù)分析成果等是在近70 年系列觀測資料的基礎(chǔ)上建立的，水位站及河道淤積監(jiān)測斷面資料系列也在幾十年以上。

橋梁建設(shè)對所在河段的水流產(chǎn)生的干擾，使得現(xiàn)有水文要素之間的穩(wěn)定關(guān)系受到影響。所以，若橋位在水文站、水位站或河道淤積監(jiān)測斷面附近，這種干擾就影響到相應(yīng)斷面多年形成的水、流、沙及沖淤斷面監(jiān)測資料的代表性、一致性、連續(xù)性和可靠性。

5 結(jié)論與建議

無論是公路橋還是鐵路橋或是浮橋，建設(shè)過程和建成后運(yùn)行期間，對影響河段天然水流的自然屬性都將產(chǎn)生不同程度的影響，其影響程度與橋墩（浮舟）的數(shù)量、流線形式、阻水面積、分布及施工方案的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。當(dāng)橋梁軸線位于水文監(jiān)測河段之內(nèi)，這種影響就會(huì)引起監(jiān)測河段的河勢、水文特性的變化，影響測驗(yàn)設(shè)施正常使用和水質(zhì)監(jiān)測的困難等，了解和掌握橋梁及其施工對水文特性的影響，并依據(jù)實(shí)際資料分析評價(jià)影響程度，對保障水文監(jiān)測要素的代表性、可靠性和水文資料一致性、連續(xù)性是非常重要和十分必要的，對橋梁建設(shè)、設(shè)計(jì)單位科學(xué)確定橋梁位置、方向和施工方案也是非常重要和十分必要的。