黃河山東段橋梁對水文特性影響的分析

安 鵬，閆 堃

（1.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州450003；2.黃河水利委員會山東水文水資源局，山東 濟南250100）

1 問題提出

黃河山東段全長628 km，據統計，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期間的臨時設施破壞了河道水流的自然屬性，水流結構發生變化，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發生變化，這些變化的表現形式是水文特性的變化。所以，分析橋梁建設及運行期間水文特性有哪些影響及如何影響，對水文水資源監測有著重要意義。

2 山東黃河水文監測斷面概況

黃河山東段設有6 個基本水文站、18 個水位站、218 個河道沖淤監測斷面、8 個水質監測斷面。其中每個水文站設有1 處基本斷面、1 處或多處流量監測斷面和2 處比降監測斷面，628 km 范圍內不足3 km 就有1 個水文監測斷面，基本水文站附近監測斷面分布更是密集。

3 對水文特性的影響分析

3.1 分析評價的意義

黃河水文工作是黃河水利事業發展的基礎性工作，也是國民經濟建設和社會發展的基礎性工作。多年來，山東黃河水文為黃河防洪、防凌、抗旱、減災減淤、水資源調度等提供了技術服務，為沿岸經濟社會的快速發展和國家重點工程建設提供了重要的技術支撐。黃河橋梁和浮橋的建設及運行對水沙運行規律產生了不同程度的影響，當橋位附近有水文監測斷面時，水文監測工作就會受到影響，多年積累的固定監測斷面的水文資料原始樣本發生變異，斷面特性和水文資料的一致性、連續性發生變化，這些變化對水文資料的應用產生了影響。所以，分析評價黃河橋梁建設及運行對水文特性的影響，對保障水文監測工作正常進行，對橋梁建設的選址非常重要。

3.2 技術路線及工作內容

3.2.1 技術路線

橋梁對水文特性的影響主要技術路線如下：①勘查橋位與水文斷面之間的關系及間距；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系、單斷沙關系等水文特征資料；③收集橋梁建設相關設計資料和施工方案等；④進行水文分析計算，主要計算設計洪水水位、壅水高度、壅水范圍；⑤收集橋梁建設和運行期間一段時間的水文要素對比觀測資料，計算分析橋梁對水文特性的影響；⑥依據分析評價結果提出措施方案。

3.2.2 工作內容

工作內容主要包括野外實地踏勘、水文實測資料分析、水文分析計算，依據歷史水文資料、大橋設計資料及施工方案、水文監測需求等分析計算橋梁建設及運行期間對水文特性變化、河道沖淤、河床演變、水質可能產生的影響等，為保障橋梁建設期間及運行后的水文監測資料的可靠性、一致性、連續性和代表性提供科學依據。

4 對水文特性的影響分析

無論跨河橋梁在水文監測斷面上游或下游，只要距監測斷面小于10 km[1]，對水文水資源監測設施、水文特性、河勢演變、水質保護均會產生不同程度的影響，所以，分析橋梁建設造成的影響對水文水資源監測、水文設施保護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期間工作橋梁、臨時設施及建成后橋墩的壅水及河段溯源沖淤等影響。若橋位在監測斷面下游，主要分析壅水影響，正常的穩定流情況下，橋位斷面壅水范圍內所有水位觀測斷面的水位都因橋位壅水普遍出現一個不同的增加值，形成一個附加比降，而這個附加比降又因壅水高度和壅水范圍的不同而變化，屬于一個動態變化值，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行期間，影響河段不同時期同流量級下的水位將相應增高，洪水期尤為明顯。若橋位在監測斷面上游，主要分析臨時工程、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設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部分，沖刷深度和強度與流量大小及水流挾沙能力有關，較大的沖刷將在橋墩上、下游形成沖刷坑，造成局部河勢調整大且速度快的現象，同時橋梁斷面以上河段產生溯源沖刷，以下河段產生的溯源淤積[2]，水勢上提下挫，主溜左移右擺，中泓位置不穩、變化頻繁，將對河段的河勢產生一定影響。

4.3 對測驗設施的影響

影響河段河勢的變化及主溜擺動將使現用的部分水文測驗設施失去或降低使用功能。比如水位觀測設施的脫溜、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能力的減小、測驗困難的增大，或造成測驗設施的重新建設。

4.4 對泥沙的影響

影響河段的河勢變化、主溜擺動，水流擾動、岸灘侵蝕[3]坍塌等現象造成監測河段泥沙含量增多、粒徑加粗、監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）關系曲線變化。這種變化使常用的含沙量、輸沙率測驗方法與改變后的水沙環境不適應，需在新的水沙環境下通過足夠多的試驗資料確定適合的測驗方法。

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、壅水等現象，使影響河段水流分布規律發生變化，監測斷面流速的縱向、橫向分布將發生變化，水位流量關系發生變化。這種變化將影響監測斷面的水流特性，原本常用的流量、輸沙率測驗方法與改變后的水流環境不相適應，需在新的水流環境下通過足夠多的試驗資料確定適合的測驗方法。

4.6 對河道沖淤監測的影響

4.6.1 監測方法

目前，山東黃河河道淤積測驗斷面監測方法是以水文監測船作為水上移動監測平臺，船上搭載GPS 定位系統、測深儀和其他測算設備工具，某監測斷面各條垂線位置通過GPS 確定[4]，水深通過測深儀實測，依據測時水位和水深計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1 處監測斷面，個別河段2 km 左右布設1 處，橋梁位置一般避不開河道監測斷面，有3 種現象：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測產生的主要影響是橋墩及臨時設施對水文特性、沖淤規律的影響，而且當橋位與斷面重合或相交時直接影響監測工作的開展；③大橋建設期間施工便橋等臨時設施對監測船只通航的影響。

4.7 對水質的影響

大橋建設期間的施工垃圾和人為因素增多，建成運行后交通量增加、人類活動頻繁，橋梁下游河段水質污染源增多，突發性水污染事件的概率增大，河段水污染事件的應急監測任務增加，水質監測難度加大。

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；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生冰凌插塞堆積，甚至形成冰塞、冰壩等嚴重凌情。

橋梁建設期間的臨時設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，容易發生卡冰壅水甚至產生冰塞冰壩。

4.9 浮橋對水文特性的影響

目前，黃河山東段建有浮橋50 余處，浮橋由浮舟、牽引浮筒及配套設施構成，平水期運行，洪水及冰期拆除部分或全部浮舟。浮橋對水文特性的影響主要表現在浮舟及其配套設施對水流結構的擾動和對河勢變化的影響。浮橋運行期間浮舟和配套設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沉時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，橋梁建設必將對影響河段的水文監測斷面現行的水沙運行規律產生影響，使監測斷面水文要素相關規律發生變化。迄今山東黃河水文站現有的水位流量關系、單斷沙（顆）關系以及相應的水文數據分析成果等是在近70 年系列觀測資料的基礎上建立的，水位站及河道淤積監測斷面資料系列也在幾十年以上。

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

5 結論與建議

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