城区河道防洪景观生态治理工程行洪方案设计

张亚维

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

武威位于甘肃省中部河西走廊东端,历史上曾是战略要塞,南面是巍巍的祁连山,东北为浩瀚的腾格里沙漠,中部走廊平原东连咽喉要冲山的古浪峡,西与永昌县东大河洪积扇戈壁滩相接,正北有北沙河与永昌、民勤县为界,总面积33 249 km2。

金塔河是内陆河流域石羊河水系的一条主要支流,杨家坝河是金塔河的骨干行洪河道。杨家坝河横穿武威市境内,该段地理位置重要,左岸是武威市主城区,是防洪重点区。杨家坝河武威城区段治理河段全长 7.08 km,防护堤内河道最宽 246m,最窄 65m,河道深泓落差近 86 m,平均比降达12.11‰。河床表层为第四系全新统冲洪积砂卵砾石层(al-p lQ43),下部为冲洪积含漂石砂卵砾石层(al-p lQ41),河床质主要为洪积砂卵砾石,其卵砾石以变质砂岩、灰岩为主,粒径 0.2 cm～8 cm,次圆状,上游河床质粒径主要由较大的卵石组成,通过历次洪水逐渐向下游过渡为卵砾石。

河道平面形态基本处于一个 “S”型微弯河段,受两岸已有堤防的约束作用和河道内 8座桥梁的控制,平面形态上基本稳定,河道多年来年际之间冲淤基本平衡。

工程区多年平均降水量 158.4mm,6月至 9月降水量最多,占全年总降水量的 68.6%,4月至 5月降水量占全年的 13.6%左右,10月至 12月和 1月至3月降水占全年的 17.8%。

年平均气温为 7.7℃,极端最低气温出现在二月份,为-29.5℃,极端最高气温出现在七月份,为 38.5℃。年降水量 158.4mm,蒸发量 2021.0mm。最大冻土深度 142 cm。

工程区设计断面 100年一遇设计洪峰流量 545m3/s。工程区上游约 18 km修建有南营水库,由于南营水库至工程区断面之间区间流域面较小,只相当于该库控制面积的 5.6%,所以工程区断面输沙量主要来自水库的下泄沙量。经分析工程区断面年悬移质输沙量 22.66万 t。

1 工程总体布置

杨家坝河具有泥沙多、洪峰高、比降大的特性,作为城市河道蓄水景观工程,如何解决汛期洪水、泥沙的安全下泄,以及蓄水景观工程自身的运行安全,是工程的关键。

对于市区 7.08 km河道,根据河道现状和已建堤防高度,结合上游水库的调度运行方式,综合考虑河道行洪、排沙、工程投资及景观要求等诸多因素,设计布置了一槽(清洪不分)方案和二槽(清洪分治)方案,两种蓄水及行洪方式。

1.1 一槽(清洪不分)方案

一槽方案是将河道全部作为蓄水区,同时兼有蓄水和泄洪排沙的功能。平时为全河槽(一槽)蓄水湖区,为供观赏游乐的景观湖水面。每年的 5～9月汛期上游水库泄洪排沙时,根据泄水量的大小,景观蓄水区采取低水位运行或全部塌坝运行等相应的调度运行方式,确保上游洪水及泥沙自工程区河道安全下泄;主汛期过后,可立坝重新蓄水,形成景观湖。

治理段河道平均比降为 12.11‰左右,在确保防洪安全、维持河道平均比降不变的前提下,阶梯形的适度调缓河道比降,采用橡胶坝与跌水堰间隔布置,形成基本连续的蓄水梯级湖区,规划 6.09 km治理河段共布设 10座橡胶坝、24座跌水堰,共形成 10级基本连续的蓄水景观湖区,单级湖区长200～570m,蓄水水深 0.1～2.5m。

该方案形成的蓄水景观湖总长约 6.09 km,宽 186 m,湖区面积为 77.7万 m2(1 166亩),一次蓄水量为 60万 m3。每年泄洪排沙后需重新蓄水一次,按每年泄空一次估算,该方案每年的运行蓄水量为 120万 m3(不含为改善水质、蒸发渗漏损失所需的补水量)。

1.2 二槽(清洪分治)方案

鉴于全河槽蓄水方案淤积不可避免,且每年的泄洪排沙期需塌坝泄空运行,主汛期 7～9月无法正常蓄水,即使主汛期采用低水位运行,但平均每年水库下泄的输沙量 22.66万 t(17.2万 m3)将大部分淤积在蓄水区河道内,全河槽蓄水方案蓄水区容积仅 60万 m3,这样不到 4年的时间蓄水区就将淤满。

为此,提出采用清洪分治方案,此方案将治理段河道划分为蓄水区及行洪区两部分,在靠近河道右岸堤防修建泄洪槽,左侧为蓄水河槽。

规划泄洪槽设防标准为 100 m3/s,即：当上游水库下泄洪水低于 100m3/s时,水库的泄洪排沙均自泄洪槽排入工程区下游,景观蓄水区均可正常运行,不受上游水库及河道泄洪、排沙的影响;当上游下泄水量超过 100 m3/s时,蓄水区方塌坝泄空,全河道过洪,以确保城市防洪安全。

该方案在适度调缓蓄水河槽河道比降的基础上,在蓄水河槽内亦采用橡胶坝与跌水堰间隔布置,形成基本连续的蓄水梯级湖区,深水、浅水相间布置,水景观可按水深情况划分为不同的功能区,如浅水嬉戏区、深水划船区、音乐喷泉区等。规划 6.09 km治理河段共布设 10座橡胶坝、24座跌水堰,橡胶坝坝高 2.5m,跌水堰高 0.5m,共形成 10级基本连续的蓄水景观湖区,单级湖区长200～570m,蓄水水深 0.1m～2.5m。

本工程低于 100 m3/s洪水标准情况下,蓄水河槽按蓄清水功能运行,平时为蓄水水面,洪水或不满足景观水质要求的水自泄洪槽泄流,为平时主要的泄洪通道;高于 100m3/s洪水标准情况下,河道必须全断面过洪,蓄水河槽橡胶坝塌坝,与泄洪槽共同泄洪,达到畅泄大洪水的目的,洪水过后,

方可立坝蓄水。

采用二槽方案形成的蓄水景观湖总长 6.09 km,宽176m,湖区面积为 71万 m2(1066亩),一次蓄水量为55万 m3。由于只在上游下泄超过 100m3/s的洪水时,左侧的蓄水景观湖方塌坝泄空,与泄洪槽共同泄洪,因此,该方案在蓄水区水质满足的条件下,可多年蓄水运行不塌坝,每年仅需为蒸发渗漏损失、以及改善水质而进行补水,每年的运行蓄水量为 55万 m3(不含为改善水质、蒸发渗漏损失所需的补水量),充分节约了水资源。

2 方案比选

根据工程区实际情况,设计从两方案的景观效果、泥沙淤积、需水量、蓄水区运行周期、对灌区的影响、防洪度汛、投资、以及运行管理等多方面进行综合分析,推荐工程的总体方案采用清洪分治方案,即二槽方案。比较详见下表。

表1 一槽和二槽方案优缺点比较表

3 结论

通过布置堆砂导流坝及泄洪槽,成功解决了蓄水与行洪的矛盾,也基本解决了淤积问题,为城区河道防洪景观生态治理工程的设计提供了新思路。同时对工程的运行管理、水情预报和合理调度提出了更高要求。

[1](GB 50286—98)堤防工程设计规范.

[2](SL252—2000)水利水电工程等级划分及洪水标准.

[3](SL44—2006)水利水电工程设计洪水计算规范.

[4](GB 50201-94)防洪标准.

[5](SL227—98)橡胶坝技术规范.