(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

礦山建設(shè)項(xiàng)目對(duì)潦河河道防洪影響評(píng)價(jià)研究

彭幼林

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

本文以鉭鈮潦河下游鉭鈮礦山實(shí)際項(xiàng)目作為河道防洪影響研究案例，通過探討防洪影響評(píng)價(jià)的基本問題，分析防洪影響評(píng)價(jià)的方法和內(nèi)容，展開對(duì)河道建設(shè)工程的防洪影響評(píng)價(jià)。以該流域的防洪規(guī)劃為研究依據(jù)，設(shè)定模型參數(shù)時(shí)采用多個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，最終求得設(shè)計(jì)洪水沿程水面線。該研究構(gòu)架模型具備準(zhǔn)確性和科學(xué)性，可以應(yīng)用于礦山建設(shè)對(duì)河道防洪的影響評(píng)價(jià)。

河道建設(shè)項(xiàng)目；洪水模擬；防洪評(píng)價(jià)；壅水分析

水利工程是保障其他工程項(xiàng)目安全性的基礎(chǔ)，同時(shí)其他工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)所處江河流域的實(shí)際水利情況。由于流域內(nèi)每個(gè)水利工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)不相同，這就要求其他工程要與水利工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)相匹配，重點(diǎn)工程要選址于防洪能力高的區(qū)域，其他工程建成后不能減弱河道的泄洪能力或降低防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，在河道管理轄域內(nèi)建設(shè)其他工程之前，開展洪水影響評(píng)價(jià)十分必要[1-2]。

1 構(gòu)建河道洪水演進(jìn)水動(dòng)力模型

1.1 圣維南方程組

在自然河道內(nèi)，水流動(dòng)為明渠非恒定流，專業(yè)學(xué)科一般用偏微分方程組(即圣維南方程組)來歸納明渠非恒定流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(1)

(2)

1.2 模擬河道洪水的分析模型

在模擬河道洪水之前，要明確河道的邊界條件情況，追趕方程的形式也需要按照邊界情況來確定，然后對(duì)水位-流量的關(guān)系、水位過程以及流量過程進(jìn)行確定。明確河道上游邊界、下游邊界的情況后，構(gòu)建封閉方程組，該方程組由上游邊界、中間各單元以及下游邊界條件組成。這個(gè)方程組由n個(gè)方程組成，包括m個(gè)未知數(shù)，通過求解能夠得出河道各個(gè)斷面的洪水變化情況。得出上游邊界條件屬于流量過程，然后按照實(shí)際數(shù)據(jù)確定下游邊界條件，最后列出追趕方程：

Q0=P0+R0z0上邊界條件

(3)

(4)

?

(5)

zn=zn(t)下邊界條件

(6)

由于河道里的洪水可能會(huì)伴隨其他支流匯入，所以，在模擬河道洪水演進(jìn)的動(dòng)力時(shí)，必須將支流匯入情況考慮在內(nèi)。

1.3 計(jì)算模型的具體過程

在前述分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建出河道洪水演進(jìn)模型，圖1為具體操作流程。按照?qǐng)D1里的推算步驟，將斷面數(shù)作為循環(huán)的判斷條件，將時(shí)段數(shù)作為終止的前提，利用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行科學(xué)的程序計(jì)算，構(gòu)建河道洪水演進(jìn)模型。

圖1 河道洪水演進(jìn)的模型

在計(jì)算流程圖中，模擬計(jì)算過程各個(gè)環(huán)節(jié)的先后順序及相互關(guān)系，示意標(biāo)注，各部分計(jì)算內(nèi)容也只簡(jiǎn)要說明，但該流程代表計(jì)算模型的主體思路，依據(jù)該流程完成模擬洪水演進(jìn)過程。

2 流域基本情況及項(xiàng)目背景

2.1 基本情況

潦河流域在江西省的西北部，跨越了南昌和宜春兩個(gè)市，流經(jīng)安義、永修、靖安、奉新等縣域，作為修河流域最大支流，潦河流域面積達(dá)4380km2，在南昌安義縣分流為南、北兩支。其中南支流域面積為2862km2，北支流域面積為1518km2，而后河流分支在安義縣石窩匯流，流過安義萬家埠下游流入修河。潦河北支一分為二，其中南河的流域面積782km2，北河的流域面積736km2，在安義縣凌家匯流。萬家埠站是潦河的控制站，集水面積3548km2。

潦河流域地勢(shì)西高東低，植被覆蓋面積大，屬于亞洲東南季風(fēng)氣候，年平均溫度為17℃，共有260～280天無霜期，雨量充沛，年平均降雨量1604mm。但該流域?qū)俦┯陞^(qū)，潦河上游更是江西眾多暴雨中心的一個(gè)。流域中上游屬于高山叢林地貌，下游屬于丘陵地貌，河床坡度比較大，導(dǎo)致水流湍急。該區(qū)域平均年降雨量1601mm，地形導(dǎo)致降雨分布不均，上游平均年降雨量2000mm，1小時(shí)最大降雨量達(dá)87.7mm，6小時(shí)最大降雨量達(dá)209mm，24小時(shí)最大降雨量達(dá)357mm。

2.2 項(xiàng)目背景

本文所研究的鉭鈮礦區(qū)位于潦河?xùn)|側(cè)，含有豐富的地表水和地下水資源，該區(qū)域地勢(shì)較為平坦，海拔處于15.00～25.00m之間，區(qū)內(nèi)最低的侵蝕基準(zhǔn)面海拔為12.00m。該礦區(qū)四季分明，是典型的干旱大陸性氣候，全年平均氣溫為10.6℃，其中最低氣溫為-23.7℃，出現(xiàn)在1月，極端最高氣溫為39℃，出現(xiàn)在7月。該區(qū)域多年平均降雨量652.8mm，凍土深度最大在0.6～0.8m之間。礦物儲(chǔ)量比較大，埋藏比較深，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。礦體的頂盤是含卵礫石層，地表是沖積河套。地表第四系共分為三層，厚度達(dá)175～220m，地表上層是含礫沖積砂，屬于細(xì)砂層，厚度約25～35m，中層是粗砂石以及少量黏土，厚度約75～95m，下層是卵石及巨礫礫石，厚度約65～75m。這三層之間為礫黏土層。潦河的河水和地下水之間沒有水力聯(lián)系。含卵礫石層中包含第四系孔隙淺水的含水層，該含水層和承壓含水層都是強(qiáng)突水段，滲透系數(shù)在29.37～6.020m/d之間，涌水量在4.0669～4.28L/s·m之間，礦床在進(jìn)行開采時(shí)沖水大多來自于此，如果不熟悉該區(qū)域的水文地質(zhì)條件就可能會(huì)引起災(zāi)變性的淹井事故。

3 構(gòu)建計(jì)算模型

3.1 構(gòu)建模型

計(jì)算工況的方案模型以水流計(jì)算為主，對(duì)上游的流量過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其定為恒定出流過程，并設(shè)定流量值。展開洪水演算時(shí)，計(jì)算方案要根據(jù)恒定流量的不同單獨(dú)進(jìn)行，然后對(duì)下游的邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其定為恒定水位過程。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為五年一遇時(shí)，上游邊界的流量恒定為Q=8250m3/s，下游的設(shè)計(jì)洪水位恒定為2.75m；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇時(shí)，上游邊界的流量恒定為Q=13650m3/s，下游的設(shè)計(jì)洪水位恒定為12.05m；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇時(shí)，上游邊界的流量恒定為Q=25000m3/s，下游的設(shè)計(jì)洪水位恒定為11.95m。

3.2 設(shè)定權(quán)重參數(shù)

一般情況下假定隱格式比較穩(wěn)定，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，得出隱格式的穩(wěn)定性具有前提條件，因此設(shè)定隱格式的參數(shù)要科學(xué)。在斷面間距和入流強(qiáng)度為反比例關(guān)系的情況下，使用隱格式來模擬流速快的水流，并利用插補(bǔ)計(jì)算或者增加計(jì)算來縮短斷面的間距，最后選擇科學(xué)的時(shí)間段，增加計(jì)算的可靠性。按照潦河的實(shí)際情況將權(quán)重參數(shù)θ的值設(shè)定為0.60。

3.3 驗(yàn)證河道洪水模型

模擬完潦河下游河道洪水的演進(jìn)之后，采用天然河道斷面，通過模擬設(shè)計(jì)洪水位來驗(yàn)證該模型的可行性。圖2～圖4為設(shè)計(jì)水位斷面驗(yàn)證點(diǎn)詳細(xì)的河道沿程水面線模擬結(jié)果。

圖2 5年一遇設(shè)計(jì)洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

圖3 10年一遇設(shè)計(jì)洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

圖4 50年一遇設(shè)計(jì)洪水的沿程水面線模擬結(jié)果

由圖2可知，在模擬河道的流量為5年一遇洪峰時(shí)，該模型斷面設(shè)計(jì)水位和計(jì)算水位比較一致。在所有的驗(yàn)證點(diǎn)中，除第46個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的設(shè)計(jì)水位低于計(jì)算水位8cm、第58個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的設(shè)計(jì)水位低于計(jì)算水位15cm之外，剩下21個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的設(shè)計(jì)水位與計(jì)算水位的差值最小為-2cm，最大為3cm。由圖3可知，在模擬河道的流量為10年一遇洪峰時(shí)，斷面設(shè)計(jì)水位和計(jì)算水位比較一致。在所有的設(shè)計(jì)水位驗(yàn)證點(diǎn)中，除57號(hào)斷面設(shè)計(jì)水位高于計(jì)算水位17cm外，剩下11個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的設(shè)計(jì)水位與計(jì)算水位的差值最小為-3cm、最大為3cm。由圖4可知，在模擬河道的流量為50年一遇的洪峰時(shí)，斷面設(shè)計(jì)水位和計(jì)算水位比較一致。

4 計(jì)算并分析潦河礦山工程的防洪影響

驗(yàn)證前述模型的科學(xué)性和準(zhǔn)確性后，本文認(rèn)為可以將其應(yīng)用到礦山工程防洪影響的評(píng)價(jià)中，分析該工程實(shí)施對(duì)干擾河道行洪能力影響，計(jì)算工程修建前、修建后兩種情況下河道沿程水面線，模擬河道行洪過程。

4.1 計(jì)算水文條件

設(shè)定潦河上游邊界京山鐵路橋(第1斷面)的邊界條件為5年一遇、10年一遇和50年一遇，初始條件設(shè)定為起漲流量。受到邊界條件和實(shí)際情況的限制，邊界條件為5年一遇時(shí)，下游邊界設(shè)定為設(shè)計(jì)洪水位2.76m，該數(shù)據(jù)為入?？跀嗝婧愣〝?shù)據(jù)，邊界條件為5年一遇時(shí)，下游邊界設(shè)定為設(shè)計(jì)洪水位12.50m，該數(shù)據(jù)為潦河分漢前斷面(第87斷面)的恒定數(shù)據(jù)，邊界條件為50年一遇時(shí)，下游邊界設(shè)定為設(shè)計(jì)洪水位11.93m，該數(shù)據(jù)為現(xiàn)狀右岸大堤截止處袁莊一帶(第80斷面)恒定數(shù)據(jù)。5年一遇洪水的起漲流量是 464m3/s ，10年一遇洪水的起漲流量是624m3/s，50年一遇洪水的起漲流量是865m3/s。時(shí)間間距設(shè)為3min。

4.2 分析計(jì)算結(jié)果

確定水文和邊界條件之后，利用模型計(jì)算礦山工程實(shí)施前和實(shí)施后兩種工況下的水位流量過程線，得出典型斷面的結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 38斷面水位流量過程線(50年一遇)

圖6 39斷面水位流量過程線(50年一遇)

從圖5、圖6看出，各個(gè)控制斷面在5年、10年、50年一遇不同設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下，洪水發(fā)生時(shí)礦山工程引起的水位流量變化幅度不大。設(shè)定洪水為5年一遇時(shí)，礦山工程實(shí)施前后，沿程各個(gè)控制斷面最大水位變化位于礦山工程控制斷面(第39斷面)的上游約500m處，在廖各莊(第38斷面)處，實(shí)施后比實(shí)施前壅水的高度增加0.07m，流量降低2.25m3/s，除此之外，其他控制斷面的水位流量在實(shí)施前后幾乎沒有變化；設(shè)定洪水為10年一遇，礦山工程實(shí)施前后，沿程各個(gè)控制斷面最大水位的變化位于控制斷面(第38斷面)上游約500m處，實(shí)施后比實(shí)施前壅水的高度增加0.09m，流量降低2.14m3/s，其他控制斷面的水位流量在實(shí)施前后幾乎沒有變化；設(shè)定洪水為50年一遇時(shí)，礦山工程實(shí)施前后，沿程各個(gè)控制斷面最大水位的變化也位于廖各莊(第38斷面)處，實(shí)施后比實(shí)施前壅水的高度增加0.1m，流量降低2.30m3/s，除此之外，其他控制斷面的水位流量在實(shí)施前后幾乎沒有變化。

實(shí)施礦山項(xiàng)目后并沒有降低潦河下游河道的防洪能力，對(duì)其產(chǎn)生的影響比較小。在非恒定流和恒定流兩種情況下，模擬并分析礦山項(xiàng)目實(shí)施前后不同程度洪水發(fā)生時(shí)沿程水面線及行洪過程，結(jié)果為礦山項(xiàng)目實(shí)施后河道產(chǎn)生壅水現(xiàn)象和阻水現(xiàn)象都比較微弱。假定洪水為50年一遇時(shí)河道產(chǎn)生的最大壅水高度僅為0.12m，減少流量為2.30m3/s，只達(dá)到設(shè)計(jì)流量不足0.1%，綜上研究認(rèn)為礦山項(xiàng)目實(shí)施后并沒有對(duì)潦河下游河道的防洪產(chǎn)生明顯影響。

5 主要結(jié)論

本文在驗(yàn)證了構(gòu)建的河道洪水模型科學(xué)、準(zhǔn)確之后，分別計(jì)算5年、10年和50年一遇洪水發(fā)生時(shí)潦河的洪峰流量，并模擬三種不同洪水情況下，實(shí)施礦山項(xiàng)目前和實(shí)施后下游河道的沿程水面線及水位流量的變化情況。計(jì)算結(jié)果：三種不同工況下，洪水歷時(shí)過程中或洪峰流量下，礦山項(xiàng)目實(shí)施后在項(xiàng)目所處區(qū)域上游的局部地段內(nèi)水位、流量發(fā)生部分變化，其他控制斷面的水位和流量在實(shí)施前后幾乎沒有變化，水位最大變化幅度0.12m，流量的變化幅度小于0.1%?？烧J(rèn)為礦山項(xiàng)目的實(shí)施幾乎沒有對(duì)潦河下游河道的防洪能力產(chǎn)生干擾。

[1] 王伶俐，苗孝芳. 具有預(yù)見期的洪水演算方法研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2000, 11(3): 291-295.

[2] 吳持恭. 水力學(xué)(下冊(cè))[M]. 北京: 高等教育出版社, 1993.

EvaluationandstudyoftheinfluenceofmineconstructionprojectonLiaoheRiverfloodcontrol

PENG Youlin

(JiangxiLiaoheRiverEngineeringAuthority,Yichun336000,China)

In the paper, mine practical project on the downstream area of Liaohe River is regarded as a case for studying the influence on river flood control. Methods and contents of flood control influence evaluation are analyzed through discussing basic problems of flood control influence evaluation, thereby carrying out flood control influence evaluation on river construction projects. Flood control plan in the river is regarded as research basis. Many reference standards are adopted during setting of model parameters. Designed flow profiles along flood are finally obtained. The research framework model of the paper is accurate and scientific, which can be used for evaluating the influence of mine construction on river flood control.

river construction project; flood simulation; flood control evaluation; backwater analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.008

TV212.5+3

A

1005-4774(2017)012-0029-05