洛河濕地建設(shè)的防洪影響分析

李城涵,孫 晨,宮雪亮,公緒英

(1.山東水文水環(huán)境科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014;2.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

莒縣洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程位于洛河右岸灘地，對水質(zhì)進(jìn)行深度凈化，降低了排入洛河的各項(xiàng)污染物濃度，改善水體水質(zhì)，改善河道和沿岸的生態(tài)壞境，促進(jìn)洛河流域的生態(tài)恢復(fù)。由于濕地工程建于河道灘地上，需要進(jìn)行防洪評價，對工程進(jìn)行壅水、沖刷計(jì)算和基礎(chǔ)深度復(fù)核，并從相關(guān)規(guī)劃、防洪標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性、河道泄洪、河勢穩(wěn)定、防汛搶險(xiǎn)、第三方影響等方面對防洪的影響綜合分析[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本工程在建濕地位于莒縣洛河鎮(zhèn)政府駐地洛河右岸灘地，樁號范圍10+120～10+850，總占地面積約69 畝，其中人工濕地占地面積22.35 畝。

本工程主要由濕地公園、新建沉砂池、集水池、人工濕地、生物指示池、檢測用房等部分組成，大部分位于洛河右岸灘地，只有洛河護(hù)岸位于河道左岸。整個工程布置包括河道工程、水處理工程(人工濕地)和生態(tài)景觀工程3 部分。

河道工程包括左岸400 m 洛河護(hù)岸，原橡膠壩處加設(shè)3跨18 m 的翻板閘。水處理工程包括主要構(gòu)建筑物有進(jìn)水渠、一級配水渠、一級潛流濕地床、一級集水渠/二級配水渠、二級潛流濕地床、二級集水渠、集水池、生物指示池、在線監(jiān)測站房，布置在洛河右堤內(nèi)堤角外緣東側(cè)，寬約70 m。生態(tài)景觀工程主要是在人工濕地入口處，布置濕地公園。生態(tài)景觀工程主要構(gòu)建筑物有排水溝、人行卵石道、木棧道、擋土墻等。

圖1 工程總平面布置示意圖

1.2 河道斷面情況

項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)(樁號10+120～10+850)的河道河底高程為128.34 m～129.91 m，設(shè)計(jì)堤頂高程為135.08 m～136.63 m，主河槽寬度54 m～84 m，左岸灘地寬度20 m 左右，高程133 m左右，右岸灘地寬度44 m～95 m，灘地高程132 m～134.8 m。

2 防洪評價計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)洪水

洛河濕地工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)同所在河道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為20 年一遇。洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程位于唐家河口下，樁號為10+120～10+850，采用入沭河口的設(shè)計(jì)洪水成果，P=5%設(shè)計(jì)洪水流量為1100 m3/s。

2.2 壅水分析計(jì)算

為準(zhǔn)確反映莒縣洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程建設(shè)前后河道的水面流動，本次對工程建成前和工程建成后遭遇20 年一遇洪水情況下的水面線分別進(jìn)行推求，對比分析工程對河道行洪的影響。

河道水面線按天然河道恒定非均勻流基本方程式計(jì)算:

式中:Z1、Z2分別為上、下斷面水位，m;V1、V2分別為上、下斷面流速，m;△hW為水頭損失，m;△hf為沿程水頭損失，m;△hj為局部水頭損失，m。

工程建設(shè)前，洛河入沭河口處采用20 年一遇設(shè)計(jì)流量1100 m3/s，設(shè)計(jì)水位為119.5 m，本次以該水位作為起始水位。洛河沒有實(shí)測資料，根據(jù)歷次治理采用的糙率和河床灘地的實(shí)際情況分析采用糙率的合理性。確定洛河主河槽糙率取0.03，灘地糙率為0.07。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙，濕地工程對原有河灘地進(jìn)行了下挖，據(jù)此對濕地工程范圍內(nèi)的河道橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和概化。

工程建設(shè)前后20 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下各典型斷面水位對比情況見表1。

表1 20 年一遇洪水工程建設(shè)前后水位對比表

通過天然河道水面線計(jì)算，工程建設(shè)不會產(chǎn)生壅水。

2.3 河道沖刷計(jì)算

檢測室近似單個橋墩，經(jīng)地質(zhì)勘察，工程范圍內(nèi)土壤類型為中粗砂，故沖刷計(jì)算采用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)中的非黏性土河灘一般沖刷和局部沖刷計(jì)算公式，墩形系數(shù)為1，計(jì)算寬度取檢測室占行洪斷面寬度4 m。

根據(jù)有關(guān)工程地質(zhì)資料，及其它洛河有關(guān)河床質(zhì)粒徑資料、洪水資料及水文、地質(zhì)條件，綜合分析確定沖刷計(jì)算參數(shù)，成果見表2。

表2 檢測室沖刷計(jì)算成果表 單位:m

經(jīng)計(jì)算，發(fā)生20年一遇洪水時，檢測室處沖刷深度為1.51 m。

2.4 基礎(chǔ)沖刷深度復(fù)核

護(hù)岸工程建于左岸主河槽邊坡上，護(hù)岸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)深度1.0m。擋墻工程建于左岸主河槽邊坡上，位于人工濕地與原河灘之間，漿砌塊石結(jié)構(gòu)，埋在灘地以下基礎(chǔ)深度為3 m。翻板閘位于右岸主河槽，鋪蓋基礎(chǔ)深度為1.6 m。應(yīng)對這3 處基礎(chǔ)深度進(jìn)行復(fù)核。

坡腳處沖刷深度計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度公式(D.2.2-1)進(jìn)行計(jì)算[2]。

式中:hs為局部沖刷深度，m;H0為沖刷處的水深，m;Ucp為近岸垂線平均流速，m/s;n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6;η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角查算;U為行近流速，m/s;Uc為泥沙起動流速，m/s，采用張瑞瑾公式計(jì)算。

根據(jù)上述公式，發(fā)生20 年一遇洪水時基礎(chǔ)沖刷深度的計(jì)算成果見表3、表4。

表3 護(hù)岸處基礎(chǔ)沖刷深成果表

表4 擋墻處基礎(chǔ)沖刷深成果表

通過計(jì)算，護(hù)岸處(河槽)基礎(chǔ)沖刷深度為1.43 m，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深為1.0 m，不滿足要求，建議將基礎(chǔ)埋深加大到1.5 m 以下或增加拋石等防護(hù)措施，以確保護(hù)岸安全;擋墻處(右灘地)基礎(chǔ)沖刷深度為0.89 m，小于其的基礎(chǔ)埋深3 m，無需再采取措施;翻板閘處基礎(chǔ)沖刷深度為1.26 m，小于其鋪蓋基礎(chǔ)深度1.6 m，無需再采取措施。

2.5 洪水對濕地的沖淤影響

由于本工程項(xiàng)目選址地處洛河河道的灘地上，河道發(fā)生20 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時，設(shè)計(jì)洪水位在133.88 m～134.38 m之間，右岸濕地設(shè)計(jì)高程在132 m 左右，擋墻設(shè)計(jì)高程為132.4 m，濕地被洪水淹沒1.48 m～1.98 m。根據(jù)洛河流域洪水特性，自然濕地處洪水停留時間較短，雖然不會對濕地工程產(chǎn)生巨大影響，但淹沒會對濕地產(chǎn)生一定的泥沙淤積影響。洪水過后，通過清除濕地表層淤積物、對部分淤積較重的區(qū)域換填填料、補(bǔ)植水生植物等措施，可有效恢復(fù)濕地功能。

3 防洪影響評價

3.1 與相關(guān)規(guī)劃的關(guān)系與影響分析

洛河治理工程于2018 年已施工完畢，使洛河下游段達(dá)到20 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。洛河目前無其他治理規(guī)劃，故濕地的建設(shè)對河道的規(guī)劃無影響。

根據(jù)洛河岸線利用管理規(guī)劃，濕地工程所在河段岸線功能區(qū)劃分為岸線保留區(qū)。在岸線保留區(qū)現(xiàn)狀開發(fā)程度不高，因此允許濕地建設(shè)、控制開發(fā)性綠地建設(shè)。濕地工程的建設(shè)符合岸線規(guī)劃的要求。

3.2 與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性分析

檢測室位于濕地東南角，緊鄰洛河大堤，檢測室底高程同洛河灘地高程為133 m，擋墻頂高程132.4 m，當(dāng)發(fā)生20 年一遇洪水時附近河道斷面設(shè)計(jì)洪水位為133.88 m，淹沒水深0.88 m。工程建筑物設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)。同時濕地公園及潛流濕地布置在灘地上，設(shè)計(jì)高程在132 m 左右，右岸擋墻設(shè)計(jì)高程為132.4 m，均低于設(shè)計(jì)洪水位。當(dāng)發(fā)生20 年一遇洪水時，洛河利用灘地行洪，洪水會短暫淹沒濕地公園及潛流濕地。

3.3 對河道泄洪的影響分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)中高程設(shè)計(jì)內(nèi)容，工程在設(shè)計(jì)各濕地單元高程時，遵循不減少洛河行洪斷面，不抬高現(xiàn)狀灘地地面高程的原則，對灘地進(jìn)行少量下挖，不會產(chǎn)生阻水影響。另外河灘地本身種植苗木，濕地建成后改種景觀樹木及水生植物，糙率變化也不大，同樣不會影響行洪;檢測室位于濕地東南角，緊鄰洛河大堤，尺寸為3 m×4 m，規(guī)模小，阻水影響在水面線推算更改河道斷面時已考慮。

工程后濕地底高程為132 m，工程前灘地高程為132 m～133.22 m，灘地整體進(jìn)行了下挖，增大了河道過流能力。河道內(nèi)遭遇20 年一遇洪水時，通過天然河道水面線計(jì)算，工程建設(shè)不會對河道泄洪產(chǎn)生影響[3]。

3.4 對河勢穩(wěn)定的影響分析

擋墻建成后將改變河道斷面的原有狀況，發(fā)生20 年一遇洪水時，使水流的流態(tài)流勢發(fā)生變化，影響天然河道已形成的動力平衡狀態(tài)，有可能使下游段發(fā)生河道沖刷現(xiàn)象。

檢測室建于右側(cè)灘地，加重對下游河灘的沖刷，對河勢穩(wěn)定有一定的影響。

3.5 對堤防的影響分析

莒縣洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程建設(shè)滿足防滲、防堵塞等方面要求，洛河右堤堤防臨水側(cè)與濕地工程間距基本保持5m 的距離，滿足護(hù)堤地寬度要求，只有檢測室在護(hù)堤地5m范圍內(nèi)，由于檢測室所在位置并未對灘地進(jìn)行下挖，所以不會對堤防產(chǎn)生不利影響。

3.6 對防汛搶險(xiǎn)的影響分析

因工程需在灘地施工，為了不影響行洪安全，應(yīng)選擇在非汛期施工，達(dá)到不影響防汛搶險(xiǎn)的目的，建設(shè)單位應(yīng)與河道主管部門加強(qiáng)聯(lián)系，制定應(yīng)急方案，防范可能發(fā)生的汛情。工程運(yùn)行期不會占用堤頂管理道路，不會對防汛交通及管理道路造成影響。

3.7 對第三人合法水事權(quán)益的影響分析

根據(jù)洛河岸線利用管理規(guī)劃，項(xiàng)目區(qū)上游300 m 處有1處洛河崖交通橋、有3 處涵管和1 口大口井，根據(jù)水面線推算成果，濕地建設(shè)使得附近水位略有下降，不會對橋梁、管涵及大口井造成不利影響。濕地工程的建設(shè)可以保持原有水量不變的前提下，優(yōu)化水質(zhì)，有效提高水資源可利用量。濕地建設(shè)不會對第三人合法水事權(quán)益造成影響。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1)洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程建設(shè)符合河道治理規(guī)劃以及岸線規(guī)劃的要求。

(2)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合現(xiàn)有河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，但部分工程建筑物設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)，檢測室和濕地存在淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過對工程建設(shè)前后水面線的分析，工程建設(shè)不會對河道泄洪產(chǎn)生不利影響。

(4)檢測室建設(shè)將會導(dǎo)致流速加大，加重對下游河灘的沖刷。擋墻的建設(shè)改變了水的流態(tài)，對河勢穩(wěn)定有一定的影響。

(5)工程建設(shè)基本不會對洛河堤防產(chǎn)生不利影響。

(6)洛河人工濕地水質(zhì)凈化工程建議應(yīng)在非汛期進(jìn)行施工，以免對防汛搶險(xiǎn)造成不利影響。

(7)濕地工程建設(shè)對第三人水事合法權(quán)益無影響。

4.2 建議

(1)加強(qiáng)與洛河各有關(guān)部門的聯(lián)系，注意掌握橡膠壩上游的雨、水情信息，制定切實(shí)可行的施工期防汛預(yù)案，確保施工的安全。

(2)由于工程建設(shè)需占用河道，施工期對行洪可能有一定的影響，為確保安全，工程施工期盡量安排在枯水期;施工期做好臨時棄渣場水土保持工作。汛期需拆除河道內(nèi)臨時圍堰和臨時建筑，確保防洪度汛安全。

(3)在發(fā)生20 年一遇洪水時，濕地公園及檢測室有被洪水淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。建議做好相應(yīng)的應(yīng)急方案及洪水后清淤工作，盡量將檢測室移出灘地。若難以移出，建議將檢測室底高程抬高到20 年一遇洪水位(133.88 m)以上，防止檢測室被洪水淹沒;檢測室周圍采取路面硬化等措施防止洪水沖刷影響。

(4)通過對護(hù)岸、擋墻基礎(chǔ)埋深的復(fù)核，建議護(hù)岸處(河槽)將基礎(chǔ)埋深加大到1.5 m 以下或增加拋石等防護(hù)措施;擋墻處和翻板閘處基礎(chǔ)埋深滿足沖刷要求，不需再做額外處理。