河道治理工程對水文監測影響因素分析

高曉冬

（河南省洛陽水文水資源勘測局，河南 洛陽 471000）

0 引言

汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋至關帝橋）治理范圍為起點北汝河云夢大橋，終點為關帝橋，治理長度為6 620.48 m。汝陽縣已經對北汝河上段進行了治理，堤頂修建了濱河公園，并在云夢橋上游修建了三級水面工程及濕地景觀工程，極大改善了河道環境，提升了城市品味。目前北汝河汝陽段下游河段尚未治理，防洪標準較低，堤防不封閉，堤身單薄、高度低，大部分支溝口無堤防，河道內河床高低不平，荒灘裸露，環境較差，左岸的工業園區和右岸的村莊、農田受洪水的威脅，河道不規整，河道漫灘在不斷拓寬，侵蝕兩岸農田，云夢橋至劉窯段右岸無路，為做好北汝河上下游系統治理，結合洛陽市前坪水庫建設打造汝河兩岸水利風景生態廊道，拉大城市框架，提升城市品味，對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云夢橋下游約4 km處，終點關帝橋上游約3 km處。紫羅山水文站是國家基本水文站，省級重點水文站，始建于1951 年，位于河南省洛陽市汝陽縣小店鎮紫羅山坡下，東經112°31′，北緯34°10′，斷面以上集水面積1 800 km2，主要監測項目有：降水、蒸發、水位、流量、單沙、輸沙率、水文調查、水質、水溫、冰情、墑情、初終霜、比降等。

1 概況

1.1 工程概況

汝陽縣北汝河綜合治理工程任務：①防洪任務，通過綜合治理使該段河道防洪標準達到50年一遇；②景觀任務，通過綜合治理打造沿河兩岸綠色長廊，形成碧波蕩漾的水面和美麗的濕地景觀；③交通任務，通過綜合治理打通沿河兩岸交通道路，形成生態交通沿河環線。

汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋～關帝橋）治理范圍為起點北汝河云夢大橋，終點為關帝橋，治理長度為6 620.48 m。

汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋至關帝橋）主要建設內容有：河床整治4 019.59 m；筑堤總長7 332.29 m，其中左堤長3 729.86 m，右堤長3 602.43 m。新建道路10 285.92 m，其中左岸為新建堤頂道路，長3 729.86 m，右岸道路總長6 556.06 m，其中云夢橋下游至紫羅口下游劉窯為新建山區道路，長2 953.63 m，紫羅口下游劉窯至關帝橋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。

云夢橋至劉窯（河道右岸）沿云夢山山坡302 m 等高線修筑一條道路（二級公路標準），路基寬20 m，路面寬18.50 m，長2 953.63 m，設計時速80 km/h，紫羅山下游大同渠渠首至關帝橋兩岸堤路結合修建沿河道路，堤頂寬25 m，路面寬18.50 m，設計時速80 km/h，左岸長3 729.86 m，右岸長3 602.43 m。

治理段紫羅山水文站下游大同渠渠首至關帝橋左右岸新建堤防總長7 332.29 m，其中左岸長3 729.86 m，右岸長3 602.43 m。防洪標準為50 年一遇洪水標準設堤防，堤防工程級別為2 級。

根據河道縱坡、河道自身特點及濕地的要求，在治理段河道內規劃五級攔水堰工程。每級攔水堰蓄水4.50 萬m3，共蓄水22.50 萬m3，每級攔水堰水面面積9 hm2，共計45 hm2。攔水堰工程單級蓄水4.50萬m3，工程等級為Ⅴ級。

北汝河主河槽開挖平整長度4 019.59 m，按設計河底進行整平。

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。北汝河發源于伏牛山嵩縣外方山跑馬嶺，流經河南省嵩縣、汝陽縣、汝州市、郟縣、寶豐縣、襄城縣、葉縣等七個縣市，在襄城縣丁營鄉崔莊村岔河口匯入沙河，全長250 km，流域總面積6 080 km2。

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

1.3 地質概況

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

云夢橋下游至劉窯村工程區地貌單元屬中低山區地貌單元，區域地形起伏不平，地勢起伏較大，山上植被發育，森林覆蓋率高，部分屬坡耕地。紫羅口下游劉窯到關帝廟橋工程區地貌單元屬山區河谷地貌單元。河道寬度在400～650 m，兩岸發育Ⅰ級階地，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 洪水位計算

當紫羅山水文站發生50年一遇洪水時，洪峰流量為6 050 m3/s，根據紫羅山水文站水位流量關系，相應洪水位為294.25 m。

河道治理后，根據評價河段的具體情況，結合紫羅山水文站的實測流量，分析確定北汝河河道50 年一遇設計洪水的水面比降為1.50×10-3，糙率n=3.50×10-2，根據曼寧公式推求評價河段的平均流速。

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，經分析計算，紫羅山水文站測驗斷面的平均流速3.55 m/s，評價河段的防洪標準為50 年一遇洪水，最大洪峰流量為6 050 m3/s，河道的過水面積為1 710 m2，相應洪水位為294.60 m，與河道治理前比較，測驗斷面變窄，斷面寬減少了25 m，洪水位增加了0.35 m。

2.2 右岸道路對洪水影響分析

根據汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋～關帝橋）初步設計報告，云夢橋至劉窯（河道右岸）沿云夢山山坡302 m等高線修筑一條道路（二級公路標準），路基寬20 m，路面寬18.50 m，路長2 953.63 m，設計時速80 km/h，紫羅山下游大同渠渠首至關帝橋兩岸堤路結合修建沿河道路，堤頂寬25 m，路面寬18.50 m，設計時速80 km/h，左岸長3 729.86 m，右岸長3 602.43 m。

紫羅山水文站原測流斷面寬339.50 m，北汝河右岸堤頂公路建成后，導致紫羅山水文站測流斷面縮窄25 m，過水面積相應減少，詳見表1。

表1 北汝河右岸公路建成后過水面積計算表

2.3 沖刷分析計算

依據評價的需要，由于建設項目的修建，對河道的沖刷變化將產生影響，攔水堰建成后，由于攔水堰的阻水作用，改變了水流流態，減少了河道的有效過水面積，增大了河道的流速，攔水堰壩址處河床底部將發生下切沖刷。根據《汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋～關帝橋）初步設計報告》，該攔水堰壩址處河床沖刷層為含礫粉質粘土。河床的沖刷計算按粉質粘土河床處理。

2.3.1 自然沖刷

河床演變是一個非常復雜的自然過程，目前尚無可靠的定量分析計算方法，根據《公路工程水文勘測設計規范》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。經調查攔水堰壩址處河段整體無明顯自然下切現象，此次計算不考慮自然沖刷的情況。

2.3.2 一般沖刷計算

攔水堰建成后，由于受攔水堰的阻水影響，壩址處斷面過水斷面減小，從而引起斷面流速增大，水流挾沙能力也隨之增大，會造成攔水堰壩址處斷面河床沖刷。

根據《汝陽縣北汝河下段綜合治理工程（云夢橋～關帝橋）初步設計報告》，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《公路工程水文勘測設計規范》的技術要求，河道一般沖刷計算按主河槽及灘地分別進行計算。

粉質粘性土河床的一般沖刷計算：

經計算：攔水堰壩址處50 年一遇洪水時一般沖刷深度為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 河勢影響分析

攔水堰工程建成后，枯水季節將在北汝河河道上形成長1 310 m的水面，該河段主河槽將受到人為影響，主河槽的形態也會隨之改變。由于受到攔河堰攔蓄水量的影響，對應于底板高程的蓄水區域在大多數時間內將會形成泥沙淤積，從而使其相應的河槽有所抬高。

3 結論

3.1 測驗設施

工程建設導致測驗斷面的流速、挾沙力以及沖淤變化規律發生改變，長期沖淤變化規律的改變可能對紫羅山水文站水尺等基本水文設施的穩定性造成影響。

右岸道路建設擠占河道斷面25 m，使得紫羅山測流纜道主索地錨被掩埋。同時路面高程加高為302 m，距離纜道主索高度不足3 m，嚴重威脅纜道運行及車輛通過安全。由此紫羅山纜道主索、地錨、循環索都需要拆除并重新建設。

3.2 水位觀測

施工期間施工棧橋、臨時便道擠占河道，影響河道過流能力，河道整治造成低水位無法進行水位觀測，需要重新設立水尺。

3.3 流量測驗

施工期間施工棧橋、臨時便道擠占河道，阻礙了上游來水，流速、流向都將發生變化，紫羅山水文站測流斷面原已掌握的流速、流向分布規律將發生改變。這種分布規律的改變將導致原有的測驗方法不再適用，原掌握的流速分布規律也將發生改變。

3.4 水文資料整編

施工期間施工方案對水流形態產生干擾，破壞了已經掌握的各水文要素變化規律，影響了各水文要素間的穩定關系，需要重新收集大量的水文資料和分析內容，建立擬合新的關系線，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，破壞了已有水文規律，影響了水文要素間的穩定關系，影響了水位～流量關系線，需要在加密觀測的基礎上重新率定關系線，破壞了水文資料的連續性與一致性。

3.6 測驗安全

工程施工期間施工便道防洪能力較低，一旦發生洪水，在過流面積大大降低的情況下，極有可能發生垮塌，由于施工位置距測驗斷面較近，沒有足夠的避險時間，影響測驗安全。