矿山建设项目对潦河河道防洪影响评价研究

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

矿山建设项目对潦河河道防洪影响评价研究

彭幼林

(江西省潦河工程管理局， 江西 宜春 336000)

本文以钽铌潦河下游钽铌矿山实际项目作为河道防洪影响研究案例，通过探讨防洪影响评价的基本问题，分析防洪影响评价的方法和内容，展开对河道建设工程的防洪影响评价。以该流域的防洪规划为研究依据，设定模型参数时采用多个参考标准，最终求得设计洪水沿程水面线。该研究构架模型具备准确性和科学性，可以应用于矿山建设对河道防洪的影响评价。

河道建设项目；洪水模拟；防洪评价；壅水分析

水利工程是保障其他工程项目安全性的基础，同时其他工程项目设计、施工时应当依据所处江河流域的实际水利情况。由于流域内每个水利工程的防洪标准不相同，这就要求其他工程要与水利工程的防洪标准相匹配，重点工程要选址于防洪能力高的区域，其他工程建成后不能减弱河道的泄洪能力或降低防洪标准。因此，在河道管理辖域内建设其他工程之前，开展洪水影响评价十分必要[1-2]。

1 构建河道洪水演进水动力模型

1.1 圣维南方程组

在自然河道内，水流动为明渠非恒定流，专业学科一般用偏微分方程组(即圣维南方程组)来归纳明渠非恒定流的运动规律。

(1)

(2)

1.2 模拟河道洪水的分析模型

在模拟河道洪水之前，要明确河道的边界条件情况，追赶方程的形式也需要按照边界情况来确定，然后对水位-流量的关系、水位过程以及流量过程进行确定。明确河道上游边界、下游边界的情况后，构建封闭方程组，该方程组由上游边界、中间各单元以及下游边界条件组成。这个方程组由n个方程组成，包括m个未知数，通过求解能够得出河道各个断面的洪水变化情况。得出上游边界条件属于流量过程，然后按照实际数据确定下游边界条件，最后列出追赶方程：

Q0=P0+R0z0上边界条件

(3)

(4)

⋮

(5)

zn=zn(t)下边界条件

(6)

由于河道里的洪水可能会伴随其他支流汇入，所以，在模拟河道洪水演进的动力时，必须将支流汇入情况考虑在内。

1.3 计算模型的具体过程

在前述分析基础上，构建出河道洪水演进模型，图1为具体操作流程。按照图1里的推算步骤，将断面数作为循环的判断条件，将时段数作为终止的前提，利用计算机语言进行科学的程序计算，构建河道洪水演进模型。

图1 河道洪水演进的模型

在计算流程图中，模拟计算过程各个环节的先后顺序及相互关系，示意标注，各部分计算内容也只简要说明，但该流程代表计算模型的主体思路，依据该流程完成模拟洪水演进过程。

2 流域基本情况及项目背景

2.1 基本情况

潦河流域在江西省的西北部，跨越了南昌和宜春两个市，流经安义、永修、靖安、奉新等县域，作为修河流域最大支流，潦河流域面积达4380km2，在南昌安义县分流为南、北两支。其中南支流域面积为2862km2，北支流域面积为1518km2，而后河流分支在安义县石窝汇流，流过安义万家埠下游流入修河。潦河北支一分为二，其中南河的流域面积782km2，北河的流域面积736km2，在安义县凌家汇流。万家埠站是潦河的控制站，集水面积3548km2。

潦河流域地势西高东低，植被覆盖面积大，属于亚洲东南季风气候，年平均温度为17℃，共有260～280天无霜期，雨量充沛，年平均降雨量1604mm。但该流域属暴雨区，潦河上游更是江西众多暴雨中心的一个。流域中上游属于高山丛林地貌，下游属于丘陵地貌，河床坡度比较大，导致水流湍急。该区域平均年降雨量1601mm，地形导致降雨分布不均，上游平均年降雨量2000mm，1小时最大降雨量达87.7mm，6小时最大降雨量达209mm，24小时最大降雨量达357mm。

2.2 项目背景

本文所研究的钽铌矿区位于潦河东侧，含有丰富的地表水和地下水资源，该区域地势较为平坦，海拔处于15.00～25.00m之间，区内最低的侵蚀基准面海拔为12.00m。该矿区四季分明，是典型的干旱大陆性气候，全年平均气温为10.6℃，其中最低气温为-23.7℃，出现在1月，极端最高气温为39℃，出现在7月。该区域多年平均降雨量652.8mm，冻土深度最大在0.6～0.8m之间。矿物储量比较大，埋藏比较深，水文地质条件比较复杂。矿体的顶盘是含卵砾石层，地表是冲积河套。地表第四系共分为三层，厚度达175～220m，地表上层是含砾冲积砂，属于细砂层，厚度约25～35m，中层是粗砂石以及少量黏土，厚度约75～95m，下层是卵石及巨砾砾石，厚度约65～75m。这三层之间为砾黏土层。潦河的河水和地下水之间没有水力联系。含卵砾石层中包含第四系孔隙浅水的含水层，该含水层和承压含水层都是强突水段，渗透系数在29.37～6.020m/d之间，涌水量在4.0669～4.28L/s·m之间，矿床在进行开采时冲水大多来自于此，如果不熟悉该区域的水文地质条件就可能会引起灾变性的淹井事故。

3 构建计算模型

3.1 构建模型

计算工况的方案模型以水流计算为主，对上游的流量过程进行简化，将其定为恒定出流过程，并设定流量值。展开洪水演算时，计算方案要根据恒定流量的不同单独进行，然后对下游的边界条件进行简化，将其定为恒定水位过程。设计防洪标准为五年一遇时，上游边界的流量恒定为Q=8250m3/s，下游的设计洪水位恒定为2.75m；设计防洪标准为十年一遇时，上游边界的流量恒定为Q=13650m3/s，下游的设计洪水位恒定为12.05m；设计防洪标准为五十年一遇时，上游边界的流量恒定为Q=25000m3/s，下游的设计洪水位恒定为11.95m。

3.2 设定权重参数

一般情况下假定隐格式比较稳定，根据试验数据和实际操作经验，得出隐格式的稳定性具有前提条件，因此设定隐格式的参数要科学。在断面间距和入流强度为反比例关系的情况下，使用隐格式来模拟流速快的水流，并利用插补计算或者增加计算来缩短断面的间距，最后选择科学的时间段，增加计算的可靠性。按照潦河的实际情况将权重参数θ的值设定为0.60。

3.3 验证河道洪水模型

模拟完潦河下游河道洪水的演进之后，采用天然河道断面，通过模拟设计洪水位来验证该模型的可行性。图2～图4为设计水位断面验证点详细的河道沿程水面线模拟结果。

图2 5年一遇设计洪水的沿程水面线模拟结果

图3 10年一遇设计洪水的沿程水面线模拟结果

图4 50年一遇设计洪水的沿程水面线模拟结果

由图2可知，在模拟河道的流量为5年一遇洪峰时，该模型断面设计水位和计算水位比较一致。在所有的验证点中，除第46个验证点的设计水位低于计算水位8cm、第58个验证点的设计水位低于计算水位15cm之外，剩下21个验证点的设计水位与计算水位的差值最小为-2cm，最大为3cm。由图3可知，在模拟河道的流量为10年一遇洪峰时，断面设计水位和计算水位比较一致。在所有的设计水位验证点中，除57号断面设计水位高于计算水位17cm外，剩下11个验证点的设计水位与计算水位的差值最小为-3cm、最大为3cm。由图4可知，在模拟河道的流量为50年一遇的洪峰时，断面设计水位和计算水位比较一致。

4 计算并分析潦河矿山工程的防洪影响

验证前述模型的科学性和准确性后，本文认为可以将其应用到矿山工程防洪影响的评价中，分析该工程实施对干扰河道行洪能力影响，计算工程修建前、修建后两种情况下河道沿程水面线，模拟河道行洪过程。

4.1 计算水文条件

设定潦河上游边界京山铁路桥(第1断面)的边界条件为5年一遇、10年一遇和50年一遇，初始条件设定为起涨流量。受到边界条件和实际情况的限制，边界条件为5年一遇时，下游边界设定为设计洪水位2.76m，该数据为入海口断面恒定数据，边界条件为5年一遇时，下游边界设定为设计洪水位12.50m，该数据为潦河分汉前断面(第87断面)的恒定数据，边界条件为50年一遇时，下游边界设定为设计洪水位11.93m，该数据为现状右岸大堤截止处袁庄一带(第80断面)恒定数据。5年一遇洪水的起涨流量是 464m3/s ，10年一遇洪水的起涨流量是624m3/s，50年一遇洪水的起涨流量是865m3/s。时间间距设为3min。

4.2 分析计算结果

确定水文和边界条件之后，利用模型计算矿山工程实施前和实施后两种工况下的水位流量过程线，得出典型断面的结果如图5、图6所示。

图5 38断面水位流量过程线(50年一遇)

图6 39断面水位流量过程线(50年一遇)

从图5、图6看出，各个控制断面在5年、10年、50年一遇不同设计洪水标准下，洪水发生时矿山工程引起的水位流量变化幅度不大。设定洪水为5年一遇时，矿山工程实施前后，沿程各个控制断面最大水位变化位于矿山工程控制断面(第39断面)的上游约500m处，在廖各庄(第38断面)处，实施后比实施前壅水的高度增加0.07m，流量降低2.25m3/s，除此之外，其他控制断面的水位流量在实施前后几乎没有变化；设定洪水为10年一遇，矿山工程实施前后，沿程各个控制断面最大水位的变化位于控制断面(第38断面)上游约500m处，实施后比实施前壅水的高度增加0.09m，流量降低2.14m3/s，其他控制断面的水位流量在实施前后几乎没有变化；设定洪水为50年一遇时，矿山工程实施前后，沿程各个控制断面最大水位的变化也位于廖各庄(第38断面)处，实施后比实施前壅水的高度增加0.1m，流量降低2.30m3/s，除此之外，其他控制断面的水位流量在实施前后几乎没有变化。

实施矿山项目后并没有降低潦河下游河道的防洪能力，对其产生的影响比较小。在非恒定流和恒定流两种情况下，模拟并分析矿山项目实施前后不同程度洪水发生时沿程水面线及行洪过程，结果为矿山项目实施后河道产生壅水现象和阻水现象都比较微弱。假定洪水为50年一遇时河道产生的最大壅水高度仅为0.12m，减少流量为2.30m3/s，只达到设计流量不足0.1%，综上研究认为矿山项目实施后并没有对潦河下游河道的防洪产生明显影响。

5 主要结论

本文在验证了构建的河道洪水模型科学、准确之后，分别计算5年、10年和50年一遇洪水发生时潦河的洪峰流量，并模拟三种不同洪水情况下，实施矿山项目前和实施后下游河道的沿程水面线及水位流量的变化情况。计算结果：三种不同工况下，洪水历时过程中或洪峰流量下，矿山项目实施后在项目所处区域上游的局部地段内水位、流量发生部分变化，其他控制断面的水位和流量在实施前后几乎没有变化，水位最大变化幅度0.12m，流量的变化幅度小于0.1%。可认为矿山项目的实施几乎没有对潦河下游河道的防洪能力产生干扰。

[1] 王伶俐，苗孝芳. 具有预见期的洪水演算方法研究[J]. 水科学进展，2000, 11(3): 291-295.

[2] 吴持恭. 水力学(下册)[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