黃河流域龍門段某水利工程防洪評價研究

謝志高

(深圳市東部水源管理中心，廣東 深圳 518116)

引言

習近平總書記在“黃河流域生態保護和高質量發展座談會”明確提出，黃河流域是打贏脫貧攻堅戰的重要區域[1，2]。由于歷史、自然條件等原因，黃河流域經濟社會發展相對滯后，特別是上中游地區和下游灘區，是我國貧困人口相對集中的區域。積極支持流域省區打贏脫貧攻堅戰，解決好流域人民群眾特別是少數民族群眾關心的防洪安全、飲水安全、生態安全等問題，對維護社會穩定、促進民族團結具有重要意義[3，4]。

河津市黃河沿岸碼頭現狀基本表現為缺乏必要的基礎設施，部分設備已老化，運力較差，無法滿足安全停靠要求，僅建有部分簡易梯步或下河道路，且寬度及縱坡等參數均不滿足規范要求，沒有護坡結構；人員上行船和船舶停靠場所為自然岸坡，坡陡路滑，存在極大的安全隱患。但便民交通碼頭長期以來為農村交通發揮了重要作用，渡運及短途客運需求旺盛，作為農村交通的組成部分在相當長的時期內還會存在。面對碼頭落后的現狀，尤其是在全面建成小康社會總體目標要求下，盡快完成龍門便民交通綠色碼頭建設工程，是發揮水運優勢、改善群眾水上出行條件及保障群眾出行安全的重要保證，同時也是實施山西省交通強國建設計劃的具體體現。因此，對龍門便民交通碼頭進行規范化建設，推動黃河水上運輸和水運與旅游融合發展，是十分必要的。本文通過相關水利計算，對黃河流域龍門段某水利工程的防洪設計進行評價分析，以期為防洪評價工作提供實例驗證[5-8]。

1 項目區概況

項目區位于山西省河津市龍門景區西側，距上游侯西鐵路橋約272m，距下游禹門口黃河公路大橋(G108)約230m。位置坐標為E110°36′11″，N35°39′31″。黃河船窩至龍門航道現屬于Ⅵ級航道，規劃為Ⅳ級航道，該河段河床質可分為沙質灘、石質灘。隨著壺口至禹門口段航道整治工程的啟動，將有效改善航行條件。該段水域能夠滿足船舶的靠泊及回旋作業要求。擬建龍門碼頭岸線順直，岸坡穩定，無不良工程地質現象，自然條件良好。擬建設的龍門便民客運碼頭后方緊鄰沿黃公路，交通方便，地理位置較優越。港區建設用水、用電和通信可從相鄰村鎮接入，施工條件便利。由于當地建筑材料豐富，港區建設使用土石材料可以就地取材，山西省內擁有多支航運工程建設隊伍，能滿足該碼頭建設需要。龍門碼頭本次擬采用“架空梯道+架空棧橋”的布置方案，均采取樁基礎。其中單個泊位架空梯道總長12.7m，寬6m。架空梯道后側設置架空棧橋與岸側銜接，棧橋總長17.3m，寬6m。本著以近為主、遠近結合的原則，本次擬建設2個客運泊位，預留1個工作船泊位，采用浮式加斜坡的結構型式，設計通過能力96萬人次·a-1，占用岸線長度為106m。

2 河道基本情況

工程項目所在河道隸屬河津市境內，所涉及黃河流域包括下化、樊村、清澗3個鄉(鎮)以及黃河灘一部分，流域面積307.7km2，洪水量平水年730.4萬m3，枯水年322.2萬m3。全市洪水總量平水年1376.9萬m3，枯水年585.3萬m3。龍門碼頭位于禹門口與黃淤68斷面之間黃河干流上，該河段屬黃河小北干流(禹門口至潼關)上段。清澗灣調彎工程位于河津市清澗街道辦事處龍門村以西，黃淤67～68斷面間，上接禹門口工程6號壩，下鄰大小石咀高崖，工程類別為控導工程，全長2472m，現有丁壩20道，垛壩14道。0+000～2+765段壩頂高程為386.08～382.81m，工程設計防御標準為龍門站12700m3·s-1洪水。

禹門口至潼關河段長132.5km，河道寬淺，水流散亂，屬于強烈堆積的游蕩性河道，河道形態從縱向上看，河道比降上陡下緩，比降在0.3‰～0.6‰，平均為0.4‰。灘槽高差一般為0.5～1.5m。從平面上看，河道寬窄相間，總體呈啞鈴狀，中間較窄、兩頭較寬，河道彎曲系數為1.12。

黃河是境內最大的河流，市境內流經長度35km，根據龍門水文站多年觀測資料統計(1988—1995年)，黃河多年平均流量731.81m3·s-1，汛期多發生在7—9月，據前人資料汛期最大洪峰流量為21000m3·s-1，一般年份洪流量為4710～16400m3·s-1，枯水期平均流量為53.2m3·s-1。河流含砂量根據1970—1992年的觀測資料統計，1年之中有5～12d大于100kg·m-3，多出現在6—8月3個月份，多年平均值為25.9kg·m-3。

據鉆孔揭露資料，該場地地下水埋藏深度在自然地坪下5.13～5.99m，穩定水位以高程表示為375.82～377.0m，根據含水介質的巖性，地下水類型為松散巖類孔隙水，根據地下水的埋藏條件劃分為潛水，場地地下水主要由大氣降水入滲及黃河水側向徑流補給，地下水排泄方式以側向徑流及大氣蒸發為主，地下水流向西向東，水位年變化幅度為3～5m。

3 防洪工程

防洪工程主要存在于龍門水文站下游，其中黃河干流禹門口至汾河入黃口段左岸(山西)防洪工程：禹門口工程、清澗灣調彎工程、清澗灣工程、大石咀工程、小石咀工程、汾河口工程、西范工程、西范控導下延工程、廟前工程和城南工程，見表1。工程可分為控導工程和護岸護灘工程。防御標準：控導工程一般按當地流量4000～5000m3·s-1設計，部分具有重點防護作用的控導工程按5年一遇(相當于龍門站流量12700m3·s-1)設計；護岸工程按20年一遇(相當于龍門站流量20000m3·s-1)，護灘工程與灘面平。

表1 河禹門口至汾河入黃口段(左岸)防洪工程防御標準

黃河干流禹門口至汾河入黃口段右岸(陜西)防洪工程有橋南上延工程、橋南工程、下峪口工程、下峪口下延工程、史代工程、南謝工程和芝川工程，見表2，工程的防御標準大小不等，為龍門站11000～21000m3·s-1或當地5000m3·s-1。部分工程已達到設計標準，部分尚未達到。

表2 黃河禹門口至汾河入黃口段(右岸)防洪工程防御標準

4 防洪評價分析與計算

4.1 歷史洪水資料

4.1.1 調查洪水

根據1983年刊印出版的《中華人民共和國黃河流域洪水調查資料》(黃河干流及主要支流控制河段)，龍門水文站調查歷史特大洪水成果共有2次：發生于1843年洪峰流量為31000m3·s-1的特大洪水；發生于1942年8月3日洪峰流量為24000m3·s-1的特大洪水。

4.1.2 實測洪水

龍門水文站自1934年6月設站以來，除因戰爭、站別更改等諸多原因幾次中斷，造成資料系列不連續外，1950年后各項測驗逐漸穩定下來。共有1934—1937年、1944—1945年、1950—2018年共75年的不連續實測洪水系列。

龍門水文站歷年實測最大洪峰流量為1967年8月11日的21000m3·s-1。從1934—2018年的85年間，龍門站實測流量大于20000m3·s-1的洪水出現過1次；歷年實測10000m3·s-1以上大洪水23次，1996年以后至今未出現洪峰流量大于該量級的洪水，具體洪峰日期、洪峰流量、來水區域見表3。

表3 龍門站實測10000m3·s-1以上大洪水統計表

4.2 設計洪水頻率計算

水文頻率計算依據龍門水文站1934—1946年、1949—2018年共83年實測插補最大流量資料，并考慮歷史調查大洪水資料進行頻率計算。根據《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-2006)推薦的方法，以年最大值法選樣，并加入歷史調查洪水，按連序系列和不連序系列的數學期望公式進行計算。頻率曲線的線型采用P-Ⅲ型，統計參數采用矩法初步估計，并采用目估適線法確定設計洪水成果。計算系列中歷史特大洪水調查考證期176年；連序系列洪水年數為83年。

4.2.1 經驗頻率計算

a個特大洪水的經驗頻率計算公式：

(1)

式中，PM為第M項特大洪水經驗頻率；M為特大洪水的排列序號；a為特大洪水個數；N為歷史特大洪水調查考證期。

n-l個連序系列洪水的經驗頻率計算公式：

…，n

(2)

式中，Pm為第m項連序系列洪水的經驗頻率；m為連序系列洪水的序位；n為連序系列的項數；a為特大洪水個數；l為從n項連序系列中抽出的特大洪水個數。

4.2.2 理論頻率曲線參數的確定

(3)

(4)

(5)

對于CV，由于計算值只是一個參考，還要在適線中調整確定，為簡便計算按連序系列進行計算。CV與CS的倍比參照地區綜合規律，結合適線具體情況確定。

4.2.3 頻率曲線適線情況

采用《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-2006)中規定的P-Ⅲ型曲線進行適線，在適線中一條總的準則是盡量使理論頻率曲線通過全部點據的中心位置。

適線時，先采用上述矩法估計出頻率曲線參數的初始值，固定系列均值，憑經驗調整變差系數CV和偏態系數CS，并進行目估適線確定頻率曲線。計算結果見表4。

表4 龍門水文站洪水頻率計算成果表

4.3 設計洪水成果選用

《黃河流域防洪規劃》與本次計算的龍門水文站設計洪水成果見表5。本次計算結果與《黃河流域防洪規劃》成果較為接近，相差4.2%～8.5%，主要是由于所采用的資料系列長短不同。鑒于《黃河流域防洪規劃》成果考慮多方面因素并通過審查，偏安全考慮，本次龍門站設計洪水成果主要采用《黃河流域防洪規劃》的成果，100年一遇(P=1%)設計洪峰流量值為28300m3·s-1，50年一遇(P=2%)設計洪峰流量值為24800m3·s-1，20年一遇(P=5%)設計洪峰流量值為20000m3·s-1。25年一遇(P=4%)設計洪峰量按21500m3·s-1。

表5 《黃河流域防洪規劃》與本次計算龍門水文站設計洪水成果比較

本建設項目位于龍門水文站下游約1.7km范圍河道內。河道斷面寬度一般為731m。而龍門水文站測驗斷面河寬約為300m，是典型的峽谷河段。考慮到項目距離龍門水文站較近，建設項目所在區間的洪峰流量應與龍門站的洪峰流量相同。因此，本建設項目所在斷面設計洪峰流量統一采用龍門站不同頻率設計洪峰流量，從防洪安全角度而言是滿足要求的。

4.4 方案計算與分析

4.4.1 河道斷面水深與流速

由于龍門碼頭處于小北干流起始處，此處河道較上游突然變寬，黃河出龍門，進入開闊地帶。龍門碼頭處最大水深為10.56m，根據二維數學模型水深變化等值線圖、流速變化等值線圖可以看出，洪水出山口后受彎道水流離心慣性力作用，主流更偏向于右岸。河道流速為0.5～4.8m·s-1，主槽內流速分布較均勻，但局部有建筑物時，易引起局部流速增加，周圍需做好防護。

4.4.2 計算水位

擬建工程位置及其對應的洪水水位見表6，擬建龍門碼頭5年一遇洪水位為382.50m，10年一遇洪水位為383.56m，20年一遇洪水位為384.21m，碼頭棧橋在10年一遇淹沒范圍外，碼頭陸域平臺在10年一遇洪水位淹沒范圍外，由于碼頭占地面積小，對河道行洪產生影響較小。

表6 模型計算水位

4.4.3 壅水計算分析

某一洪水位下工程占據的有效過水面積與工程前相應水位全斷面的有效過水面積之比，稱為工程對過水面積的阻水比。阻水比是體現跨河及臨河工程影響河道行洪能力的主要參數，在工程區段水流條件相同的情況下，阻水比越大，對河道行洪的影響就越大。龍門碼頭工程采用躉船布置，平臺前沿采用架空梯道，架空梯道后側設置架空棧橋與岸側銜接，基礎采用樁基礎，梯道和棧橋下部基本擬利用現狀已形成平臺進行建設，基本不增加阻水面積。碼頭阻水面積主要來自于樁基礎和棧橋橋面等建筑物，10年一遇洪水條件下阻水比為0.2%，100年一遇洪水條件下阻水比為0.1%。本報告采用二維水流數學模型對壅水高度進行計算，根據二維數學模型計算結果，10年一遇洪水條件下龍門碼頭工程產生的壅水高度為0.016m，壅水長度256.3m；100年一遇洪水條件下龍門碼頭工程產生的壅水高度為0.018m，壅水長度269.6m。

4.4.4 沖刷能力分析計算

碼頭樁基按河段遭遇100年一遇洪水時沖刷深度計算，斷面總沖刷深度包括河床自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷3部分組成。根據干流與支流來水方向不同，經分析，九龍橋沖刷選取干流或支流最不利沖刷算結果，本次評價選取干流方向來水作為最終沖刷結果。根據龍門地質圖可知，沖刷未到巖基。總沖刷深度詳情見表7。

表7 P=1%碼頭總沖刷水深

5 防洪影響評價

梯規劃建設的古賢水利樞紐距離龍門工程上游距離約93.4km。由于距離較遠，本項目建設與古賢水利樞紐的規劃及實施不矛盾，不會對古賢水利樞紐規劃與實施產生不利影響。規劃建設中的甘澤坡水利樞紐工程位于黃河大北干流下段，下距龍門水文站2.5km，后上移至舌頭嶺碼頭附近，距龍門工程約26.8km。禹門口水利樞紐工程的施工備料場地在距龍門工程上游21.8km左右，均不在項目建設內，因而工程與禹門口水利樞紐工程的規劃及實施不矛盾，不會對禹門口水利樞紐規劃與實施產生不利影響。龍門碼頭工程位于黃河小北干流起始處左岸岸灘修建，主要是服務黃河航運，有利于航運規劃的實施。項目建設產生壅水較小，基本不會改變河道特性，因此項目不會對黃河小北干流放淤規劃實施產生影響。

6 結論

河津市黃河船窩至龍門段便民交通碼頭屬于便民基礎設施項目，擬建龍門碼頭從以人為本的要意出發，可以有效改善河津市黃河沿岸群眾的出行條件，方便晉陜兩省群眾之間的來往交流，對于加快黃河兩岸文化旅游及社會經濟發展具有重要的意義。

龍門便民交通碼頭工程擬新建2個客運泊位，預留1個工作船泊位，泊位順岸布置，設計通過能力96萬人次·a-1，龍門碼頭設計高水位(381.40m)不滿足5年一遇洪水設計水位；碼頭棧橋設計高程(382.50m)，滿足5年一遇洪水設計水位，不滿足10年一遇洪水設計水位；碼頭陸域平臺設計高程為387.50m，高于10年一遇洪水設計水位。

10年一遇洪水條件下，工程阻水比為0.2%，產生的壅水高度為0.016m，壅水長度256.3m。經計算，100年一遇洪水船龍門碼頭最大沖刷水深為24.34m，最低沖刷線高程為361.48m，沖刷線高程在基巖面(或片狀砂巖)以上。龍門碼頭陸域前沿線走向與附近流速方向基本一致，沒有引起工程附近出現挑流等不良流態，且碼頭工程占據河道過水面積有限，因此，龍門碼頭對工程附近流速大小及方向影響較小。