阳泉市污水处理厂二期工程污水管道防洪评价

许臻真

（太原市水务局水利技术推广服务站）

在相关涉河工程设计过程中，为确保工程实施后的流域安全，必须注意防洪影响的分析研究[1]。针对内蒙古某河道地质岩溶发育、两岸土坡垮塌淤积河道影响行洪等问题，鲍海霞[2]采用实测径流系列水文比拟法和由暴雨资料推求设计洪水，结合参证站57 a实测资料，对治理河段河道洪水进行了计算。结果表明：设计洪水与历史洪水记录值比较，误差在允许范围内，计算成果较合理。刘志伟[3]对浑河沈阳城市段景观提升工程方案进行了防洪影响计算分析，结果表明：当遭遇100 a一遇以上洪水时，景观提升工程部分面临被淹没风险，若发生小频率洪水，由景观提升工程导致的防洪影响较小。刘宇[4]利用水力计算方法，对浑河新立堡桥进行了防洪评价计算与分析，同时利用物理模型试验进行了验证，结果符合实际情况。左良栋[1]等人结合重庆市梁滩河综合整治工程防洪分析，系统提出了防洪分析的有关方法体系，为后续的库区次级河流整治工程的防洪分析提供了参考。李欣[5]结合燕塞湖桥工程的具体位置、相关参数，采用恒定非均匀流和桥梁壅水计算两大模型，分别计算河道水面线、桥梁壅水高度，结果表明：燕塞湖桥工程壅高影响较小，对河道行洪安全不会产生较大影响。梁晓峰[6]等人根据拟建的山河醋业项目工程建设地域的水文气象条件，采用相关设计手册对河段设计断面进行计算，分析涉河工程对河道两岸的防洪影响，结果表明，该拟建工程对河道行洪安全不会产生影响。刘梅[7]根据暴雨资料和水文比拟法对西安5号地铁线浐河大桥位处进行水文分析计算，按照水位—流量关系曲线推算桥位处洪水位，计算结果经复核，表明大桥桥梁最低高程满足河道防洪要求。雷文韬[8]等人基于MIKE模型，建立了赣江河网一维与保护区二维耦合的水动力数学模型，以对赣江下游廿四联圩防洪保护区洪水进行分析研究，研究所选用的MIKE21 FM模型中，采用了基于Zhao等[9]和Sleigh等[10]提出的干湿判断法处理动边界问题，同时研究采用基于Runge-Kutta法的时间积分处理方法和基于Roe格式的Riemann近似解处理方法，以及 TVD（Total Variation Diminishing）坡度限制器，从而获得时空上的二阶计算精度[11]，研究结果表明，模型较好地描述了保护区内洪水演进过程中的水深和流速在地形和隔堤等作用下的分布特性。上述涉河工程对防洪影响的分析研究成果，为阳泉市污水处理厂二期工程污水管道防洪分析计算提供了参考借鉴。

1 项目概况

阳泉市污水处理厂二期工程污水管道，起点位于桃河和义井河原阳泉市污水管线与原污水处理厂一期工程污水管线相接处，管道沿桃河和义井河向下铺设，在桃河和义井河交汇处合并为一条管道，终点位于南川河与桃河的汇入口乱流村，总长度8270m，其中桃河段7 250 m，义井河段1 020 m，设计输水量12万m3/d。涉及到的河流有桃河、义井河和南川河。阳泉水文站位于阳泉市区、桃河中游，控制流域面积503 km2。项目位置及河流水系见图1。

图1 项目位置及河流水系图

2 防洪计算方法与成果

2.1 防洪标准

2.1.1 项目设计防洪标准

阳泉市污水处理厂二期工程污水管道沿线穿越了桃河和义井河，防洪标准参照《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2007）确定。桃河河段宽度为100-200 m，管道穿越工程等级属于中型，防洪标准为50 a一遇；义井河河道宽度为35-45 m，管道穿越工程等级属于中型，防洪标准为50 a一遇。

2.1.2 现状河道防洪标准

根据《防洪标准》（GB50201-94）及阳泉市城市防洪规划，义井河阳泉城区段防洪标准为50 a一遇，桃河城区到阳五高速段防洪标准为50 a一遇，阳五高速到乱流村段防洪标准为20 a一遇。

2.2 设计洪水计算

2.2.1 设计洪水计算断面

根据工程涉及河流水系情况、洪水特征以及管道穿河位置选定3个主要设计断面，各断面情况见表1。

表1 设计洪水计算断面

2.2.2 设计洪水计算方法及结果

项目区域内阳泉水文站和地都水文站均为国家基本水文站，资料经过整编，可作为设计依据。阳泉水文站控制流域面积503 km2，地都水文站位于绵河干流上，控制流域面积2 521 km2。根据阳泉水文站实测资料进行频率分析，先由矩法初估均值及Cv，再通过适线法调整参数，得到水文站控制断面各频率设计洪峰流量。将阳泉水文站1955-2008年共54 a洪峰流量系列加入历史洪水，同时将地都水文测站1963-1998年共36 a洪峰流量系列加入历史洪水后，进行频率分析。特大洪水的经验频率，根据下式计算：

式中：N——历史洪水调查考证期，a；

M——特大洪水次数；

PM——第M项特大洪水经验频率。

各不同频率设计洪峰流量计算成果见表2。

表2 不同频率设计洪峰流量计算结果

桃河断面设计洪水，在对阳泉水文站和地都水文站实测洪水进行频率分析的基础上，采用面积关系，建立Qm—F关系线，由桃河阳泉水文站与绵河地都水文站洪峰流量—面积关系，推求桃河设计断面的设计洪峰流量，结果见表3。

表3 治理断面设计洪水计算成果表

2.3 《水文手册》法计算设计洪水

由于义井河设计断面控制流域面积为35.5 km2，与阳泉水文站控制流域面积505 km2相差太大，采用阳泉水文站洪峰流量计算义井河断面设计洪峰流量不太合理，因此采用《山西省水文计算手册》计算设计洪水。设计分别采用纳什瞬时单位线法和推理公式法，对义井河设计断面洪水进行计算。通过分析可知，两种计算方法计算得到的设计洪峰流量较为接近，从工程安全角度考虑，选择推理公式法的计算结果作为设计洪峰流量。推理汇流计算包括：求解洪峰流量Qm、流域汇流时间τ以及推理洪水过程线。

2.3.1 洪峰流量Qm及汇流历时τ计算

根据式（2）-（4）联立方程组求解。

式中：A——流域面积，km2；

L——河长，km；

J——河流纵比降，‰；

m——汇流参数（从表7.3.3.1中查用）；

hR，p——设计洪水净雨深，mm；

其余符号的意义同前。

2.3.2 汇流参数mA计算

汇流参数按各种地类的面积权重ci加权计算，公式为：

2.3.3 洪水过程线计算

借鉴现代流域汇流理论思路，把时段净雨在流域出口形成的单元洪水过程线，概化为多节点折线形，其底长T、节点数M及单元洪水过程线各节点的流量分别由式（6）-（8）计算：

式中：cint——按四舍五入规则取整算符；

Δh——时段净雨（来自推理产流计算结果），mm；

c——“时段汇流曲线”形状参数（单地类汇流参数m从手册表7.3.3.1中查得）。

2.4 设计洪水计算成果

本次设计洪水，采用实测洪水系列方法计算桃河一号设计断面和桃河二号设计断面的洪峰流量，采用《水文手册》方法计算义井河设计断面的洪峰流量。计算结果见表4。

3 防洪综合评价

3.1 与现有水利规划的关系与影响分析

管道穿越桃河、义井河河段工程，采用大开挖施工方式敷设污水管道，设计管顶埋深距河底最低点以下，工程施工结束后河道恢复原状，管道工程的实施基本不会对河道水利工程规划及防洪工程的实施产生影响。

3.2 与现有防洪标准适应性分析

根据阳泉市城市防洪规划，义井河阳泉城区段防洪标准为50 a一遇，桃河城区到阳五高速段防洪标准为50 a一遇，阳五高速到乱流村段防洪标准为20 a一遇。阳泉市污水处理厂二期管道工程穿越桃河、义井河，设计洪水标准为50 a一遇，符合《防洪标准》（GB50201-2014）及《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2007）中的规定，与现有防洪标准相适应。

3.3 对行洪安全的影响分析

本管道工程均敷设于河床地面以下，设计在施工完成后按原形态恢复河道状况，故工程在运行期内基本不影响河道泄洪。但工程建设阶段所用的机械设备及水泥、石料、钢材等施工物料，工程弃渣、生活垃圾等将要堆放在河道内，并开挖河床，当发生洪水时，将会影响河道泄洪。

3.4 对河势稳定性影响分析

沿河敷设的管道，全部采用大开挖方式施工，工程实施后严格按河道原形状密实回填恢复，涉及河道段的形态基本不变。因此，未来河道冲淤改变很微弱，工程建设对河势稳定性影响不大。

3.5 对已建防洪工程与设施的影响分析

工程建设主要是因管道的敷设全部采用大开挖方式施工，在施工过程中可能对现有堤防工程有所扰动。本管线工程建设对防洪工程的影响主要体现在对堤防、护岸的影响。大开挖穿河方式，可能影响堤防基础稳定。

3.6 对防汛抢险的影响分析

管道工程敷设于地面以下，运行期间不会影响汛期的防汛抢险。施工期间可能会截断防汛抢险通道，从而影响防汛抢险。

3.7 对第三方合法水事权益的影响分析

桃河河道内已经埋设了给水管道、石油管道和煤气管线，污水管道在义井河汇入桃河口穿越了给水管道、石油管道和煤气管道，在施工前应与相关部门联系和协商，以免侵害他人权益。管道的建设，要永久或临时占用河道管理范围内的土地，建设单位应与有关管理部门及时联系和协商，解决施工时对已经确权划界土地的征、占、用等问题，不因污水管线的建设影响以后的河道整治和管理。

表4 设计洪水计算成果 单位：（m3/s）

3.8 对周边环境及水质的影响

工程施工期间，河道的开挖，部分建筑材料的堆放，还有部分工程弃渣和生活垃圾的产生，钻机废弃的油污、泥浆、弃渣等，将会对河段范围内的环境、水土保持产生一定的影响，生活废水和污水排放也会对河道水质产生一定影响。

4 防治污水管线工程建设影响的补救措施

4.1 对河道泄洪与管理影响的补救措施

污水管线工程施工时，施工设施、便道、料场及生活区域等将会对河道行洪产生影响。为确保汛期的防洪安全，施工期内工程建设部门应与流域管理部门密切配合，严格按照指定的度汛方案进行施工，将工程建设所用水泥、石料、钢材等建筑材料及工程弃渣、生活垃圾等存放在河道外；施工期间留出防汛抢险通道，临时施工道路与防汛抢险道路顺畅连接；施工后期应逐步拆除及清理施工场地，推平施工道路，清理弃渣等残余物，恢复河道原貌，以利于河道行洪畅通。施工期间要与河道主管部门、水情部门保持密切联系，根据洪水预报，合理安排工期，以确保顺利施工和安全度汛。

4.2 对现有防洪工程影响的防治措施

污水管线建设单位要与河道管理部门保持密切联系，及时商讨需拆除堤防的长度和拆除时间，在工程完成后按原标准将已拆除的堤防工程快速恢复，并请水利部门有关单位作为成员参加穿河管线工程的竣工验收。

4.3 对减少环境与水质影响的防治措施

污水管线建设初期应及时做好水土保持工作，对可能造成对水土保持方面的影响做好预测和评估，并拟定实施减少影响所应该采取的措施。对河道、岸边开挖等毁坏的河道堤防、生物护岸和地表植被等，要进行快速恢复。对施工区域内生产、生活产生的废水、污水，钻机废弃的油污、泥浆、弃渣等，应通过适当处理，实现达标排放，不得任意弃置或直接排向河道，避免对河道水质及周边环境产生污染。

4.4 对第三方合法水事权益影响的补救措施

污水管线建设永久或临时占用河道管理范围内的土地，建设单位要与有关单位协商编制设计预算，给以相应补偿。