河道治理工程對(duì)水文監(jiān)測(cè)影響因素分析

高曉冬

（河南省洛陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋至關(guān)帝橋）治理范圍為起點(diǎn)北汝河云夢(mèng)大橋，終點(diǎn)為關(guān)帝橋，治理長(zhǎng)度為6 620.48 m。汝陽(yáng)縣已經(jīng)對(duì)北汝河上段進(jìn)行了治理，堤頂修建了濱河公園，并在云夢(mèng)橋上游修建了三級(jí)水面工程及濕地景觀工程，極大改善了河道環(huán)境，提升了城市品味。目前北汝河汝陽(yáng)段下游河段尚未治理，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，堤防不封閉，堤身單薄、高度低，大部分支溝口無(wú)堤防，河道內(nèi)河床高低不平，荒灘裸露，環(huán)境較差，左岸的工業(yè)園區(qū)和右岸的村莊、農(nóng)田受洪水的威脅，河道不規(guī)整，河道漫灘在不斷拓寬，侵蝕兩岸農(nóng)田，云夢(mèng)橋至劉窯段右岸無(wú)路，為做好北汝河上下游系統(tǒng)治理，結(jié)合洛陽(yáng)市前坪水庫(kù)建設(shè)打造汝河兩岸水利風(fēng)景生態(tài)廊道，拉大城市框架，提升城市品味，對(duì)該段北汝河綜合治理是十分必要的。

紫羅山水文站位于北汝河下段綜合治理工程起點(diǎn)云夢(mèng)橋下游約4 km處，終點(diǎn)關(guān)帝橋上游約3 km處。紫羅山水文站是國(guó)家基本水文站，省級(jí)重點(diǎn)水文站，始建于1951 年，位于河南省洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣小店鎮(zhèn)紫羅山坡下，東經(jīng)112°31′，北緯34°10′，斷面以上集水面積1 800 km2，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：降水、蒸發(fā)、水位、流量、單沙、輸沙率、水文調(diào)查、水質(zhì)、水溫、冰情、墑情、初終霜、比降等。

1 概況

1.1 工程概況

汝陽(yáng)縣北汝河綜合治理工程任務(wù)：①防洪任務(wù)，通過(guò)綜合治理使該段河道防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇；②景觀任務(wù)，通過(guò)綜合治理打造沿河兩岸綠色長(zhǎng)廊，形成碧波蕩漾的水面和美麗的濕地景觀；③交通任務(wù)，通過(guò)綜合治理打通沿河兩岸交通道路，形成生態(tài)交通沿河環(huán)線。

汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋～關(guān)帝橋）治理范圍為起點(diǎn)北汝河云夢(mèng)大橋，終點(diǎn)為關(guān)帝橋，治理長(zhǎng)度為6 620.48 m。

汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋至關(guān)帝橋）主要建設(shè)內(nèi)容有：河床整治4 019.59 m；筑堤總長(zhǎng)7 332.29 m，其中左堤長(zhǎng)3 729.86 m，右堤長(zhǎng)3 602.43 m。新建道路10 285.92 m，其中左岸為新建堤頂?shù)缆罚L(zhǎng)3 729.86 m，右岸道路總長(zhǎng)6 556.06 m，其中云夢(mèng)橋下游至紫羅口下游劉窯為新建山區(qū)道路，長(zhǎng)2 953.63 m，紫羅口下游劉窯至關(guān)帝橋3 602.43 m，為新建堤防堤頂路；支溝口橋梁工程3 座，均位于河道右岸，分別為馬后溝橋、馬蹄溝橋、關(guān)帝廟溝橋。路涵工程10 座（均在右岸），排澇涵閘4 座（左右岸各2 座），攔水堰5 級(jí)。

云夢(mèng)橋至劉窯（河道右岸）沿云夢(mèng)山山坡302 m 等高線修筑一條道路（二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)），路基寬20 m，路面寬18.50 m，長(zhǎng)2 953.63 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，紫羅山下游大同渠渠首至關(guān)帝橋兩岸堤路結(jié)合修建沿河道路，堤頂寬25 m，路面寬18.50 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，左岸長(zhǎng)3 729.86 m，右岸長(zhǎng)3 602.43 m。

治理段紫羅山水文站下游大同渠渠首至關(guān)帝橋左右岸新建堤防總長(zhǎng)7 332.29 m，其中左岸長(zhǎng)3 729.86 m，右岸長(zhǎng)3 602.43 m。防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)堤防，堤防工程級(jí)別為2 級(jí)。

根據(jù)河道縱坡、河道自身特點(diǎn)及濕地的要求，在治理段河道內(nèi)規(guī)劃五級(jí)攔水堰工程。每級(jí)攔水堰蓄水4.50 萬(wàn)m3，共蓄水22.50 萬(wàn)m3，每級(jí)攔水堰水面面積9 hm2，共計(jì)45 hm2。攔水堰工程單級(jí)蓄水4.50萬(wàn)m3，工程等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

北汝河主河槽開挖平整長(zhǎng)度4 019.59 m，按設(shè)計(jì)河底進(jìn)行整平。

1.2 河道概況

北汝河是淮河流域沙潁河水系的主要支流，西南與沙河毗鄰；西北與伊洛河流域以伏牛山為界；東北與潁河相接。北汝河發(fā)源于伏牛山嵩縣外方山跑馬嶺，流經(jīng)河南省嵩縣、汝陽(yáng)縣、汝州市、郟縣、寶豐縣、襄城縣、葉縣等七個(gè)縣市，在襄城縣丁營(yíng)鄉(xiāng)崔莊村岔河口匯入沙河，全長(zhǎng)250 km，流域總面積6 080 km2。

北汝河在汝陽(yáng)縣紫羅山站以上屬山區(qū)河道，地面高程為500～1 500 m，河道寬200～1 000 m，河床質(zhì)為卵石和砂組成，河道比降10.00‰～3.30‰；紫羅山至襄城段為淺山丘陵區(qū)，河槽驟然變寬，河道最大行洪寬度可達(dá)2 000 m，地面高程為300～500 m，河床質(zhì)為卵石和砂組成，河底比降3.00‰～1.70‰；襄城以下為平原區(qū)，河道變窄，最窄處僅有100～200 m，地面高程為70～280 m，坡度1.40‰，河床質(zhì)為砂，河道比降平緩，河身彎曲。整個(gè)流域地形地貌明顯劃為山、丘、平、洼四大類。流域內(nèi)荒山禿嶺較多，植被覆蓋率20%～40%，水土流失較重。

1.3 地質(zhì)概況

汝陽(yáng)縣地處外方山北麓，地勢(shì)南高北低，地形復(fù)雜多樣，南部崇山峻嶺，北部丘陵平川。其中山區(qū)面積占70.20%，丘陵面積占19.60%，平川面積僅占10.20%。縣內(nèi)最高海拔1 602.40 m，最低海拔220 m。

云夢(mèng)橋下游至劉窯村工程區(qū)地貌單元屬中低山區(qū)地貌單元，區(qū)域地形起伏不平，地勢(shì)起伏較大，山上植被發(fā)育，森林覆蓋率高，部分屬坡耕地。紫羅口下游劉窯到關(guān)帝廟橋工程區(qū)地貌單元屬山區(qū)河谷地貌單元。河道寬度在400～650 m，兩岸發(fā)育Ⅰ級(jí)階地，高出河道2～6 m，屬寬淺U 型河道，平均河道坡降1/200～1/300。

2 影響因素分析

2.1 洪水位計(jì)算

當(dāng)紫羅山水文站發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，洪峰流量為6 050 m3/s，根據(jù)紫羅山水文站水位流量關(guān)系，相應(yīng)洪水位為294.25 m。

河道治理后，根據(jù)評(píng)價(jià)河段的具體情況，結(jié)合紫羅山水文站的實(shí)測(cè)流量，分析確定北汝河河道50 年一遇設(shè)計(jì)洪水的水面比降為1.50×10-3，糙率n=3.50×10-2，根據(jù)曼寧公式推求評(píng)價(jià)河段的平均流速。

式中：V—流速，m/s；n—河床糙率；R—水力半徑，m；i—河道水面比降。

河道治理后，經(jīng)分析計(jì)算，紫羅山水文站測(cè)驗(yàn)斷面的平均流速3.55 m/s，評(píng)價(jià)河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇洪水，最大洪峰流量為6 050 m3/s，河道的過(guò)水面積為1 710 m2，相應(yīng)洪水位為294.60 m，與河道治理前比較，測(cè)驗(yàn)斷面變窄，斷面寬減少了25 m，洪水位增加了0.35 m。

2.2 右岸道路對(duì)洪水影響分析

根據(jù)汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋～關(guān)帝橋）初步設(shè)計(jì)報(bào)告，云夢(mèng)橋至劉窯（河道右岸）沿云夢(mèng)山山坡302 m等高線修筑一條道路（二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)），路基寬20 m，路面寬18.50 m，路長(zhǎng)2 953.63 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，紫羅山下游大同渠渠首至關(guān)帝橋兩岸堤路結(jié)合修建沿河道路，堤頂寬25 m，路面寬18.50 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，左岸長(zhǎng)3 729.86 m，右岸長(zhǎng)3 602.43 m。

紫羅山水文站原測(cè)流斷面寬339.50 m，北汝河右岸堤頂公路建成后，導(dǎo)致紫羅山水文站測(cè)流斷面縮窄25 m，過(guò)水面積相應(yīng)減少，詳見表1。

表1 北汝河右岸公路建成后過(guò)水面積計(jì)算表

2.3 沖刷分析計(jì)算

依據(jù)評(píng)價(jià)的需要，由于建設(shè)項(xiàng)目的修建，對(duì)河道的沖刷變化將產(chǎn)生影響，攔水堰建成后，由于攔水堰的阻水作用，改變了水流流態(tài)，減少了河道的有效過(guò)水面積，增大了河道的流速，攔水堰壩址處河床底部將發(fā)生下切沖刷。根據(jù)《汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋～關(guān)帝橋）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，該攔水堰壩址處河床沖刷層為含礫粉質(zhì)粘土。河床的沖刷計(jì)算按粉質(zhì)粘土河床處理。

2.3.1 自然沖刷

河床演變是一個(gè)非常復(fù)雜的自然過(guò)程，目前尚無(wú)可靠的定量分析計(jì)算方法，根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.2條的要求，河床的自然沖刷是河床逐年自然下切的深度。經(jīng)調(diào)查攔水堰壩址處河段整體無(wú)明顯自然下切現(xiàn)象，此次計(jì)算不考慮自然沖刷的情況。

2.3.2 一般沖刷計(jì)算

攔水堰建成后，由于受攔水堰的阻水影響，壩址處斷面過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，從而引起斷面流速增大，水流挾沙能力也隨之增大，會(huì)造成攔水堰壩址處斷面河床沖刷。

根據(jù)《汝陽(yáng)縣北汝河下段綜合治理工程（云夢(mèng)橋～關(guān)帝橋）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，攔水堰壩址處河床為砂卵石層，河床泥沙平均粒徑為40 mm。按《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》的技術(shù)要求，河道一般沖刷計(jì)算按主河槽及灘地分別進(jìn)行計(jì)算。

粉質(zhì)粘性土河床的一般沖刷計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算：攔水堰壩址處50 年一遇洪水時(shí)一般沖刷深度為4.55 m。水位為292.36 m，主河槽最大水深6.84 m，一般沖刷后最大水深11.39 m，一般沖刷沖坑深4.55 m。

2.3.3 河勢(shì)影響分析

攔水堰工程建成后，枯水季節(jié)將在北汝河河道上形成長(zhǎng)1 310 m的水面，該河段主河槽將受到人為影響，主河槽的形態(tài)也會(huì)隨之改變。由于受到攔河堰攔蓄水量的影響，對(duì)應(yīng)于底板高程的蓄水區(qū)域在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)將會(huì)形成泥沙淤積，從而使其相應(yīng)的河槽有所抬高。

3 結(jié)論

3.1 測(cè)驗(yàn)設(shè)施

工程建設(shè)導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)斷面的流速、挾沙力以及沖淤變化規(guī)律發(fā)生改變，長(zhǎng)期沖淤變化規(guī)律的改變可能對(duì)紫羅山水文站水尺等基本水文設(shè)施的穩(wěn)定性造成影響。

右岸道路建設(shè)擠占河道斷面25 m，使得紫羅山測(cè)流纜道主索地錨被掩埋。同時(shí)路面高程加高為302 m，距離纜道主索高度不足3 m，嚴(yán)重威脅纜道運(yùn)行及車輛通過(guò)安全。由此紫羅山纜道主索、地錨、循環(huán)索都需要拆除并重新建設(shè)。

3.2 水位觀測(cè)

施工期間施工棧橋、臨時(shí)便道擠占河道，影響河道過(guò)流能力，河道整治造成低水位無(wú)法進(jìn)行水位觀測(cè)，需要重新設(shè)立水尺。

3.3 流量測(cè)驗(yàn)

施工期間施工棧橋、臨時(shí)便道擠占河道，阻礙了上游來(lái)水，流速、流向都將發(fā)生變化，紫羅山水文站測(cè)流斷面原已掌握的流速、流向分布規(guī)律將發(fā)生改變。這種分布規(guī)律的改變將導(dǎo)致原有的測(cè)驗(yàn)方法不再適用，原掌握的流速分布規(guī)律也將發(fā)生改變。

3.4 水文資料整編

施工期間施工方案對(duì)水流形態(tài)產(chǎn)生干擾，破壞了已經(jīng)掌握的各水文要素變化規(guī)律，影響了各水文要素間的穩(wěn)定關(guān)系，需要重新收集大量的水文資料和分析內(nèi)容，建立擬合新的關(guān)系線，增加水文資料整編的工作量和工作難度。

3.5 水文資料一致性

工程施工方案改變了水流形態(tài)，破壞了已有水文規(guī)律，影響了水文要素間的穩(wěn)定關(guān)系，影響了水位～流量關(guān)系線，需要在加密觀測(cè)的基礎(chǔ)上重新率定關(guān)系線，破壞了水文資料的連續(xù)性與一致性。

3.6 測(cè)驗(yàn)安全

工程施工期間施工便道防洪能力較低，一旦發(fā)生洪水，在過(guò)流面積大大降低的情況下，極有可能發(fā)生垮塌，由于施工位置距測(cè)驗(yàn)斷面較近，沒(méi)有足夠的避險(xiǎn)時(shí)間，影響測(cè)驗(yàn)安全。