黄河山东段桥梁对水文特性影响的分析

安 鹏，闫 堃

（1.黄河水利委员会水文局，河南 郑州450003；2.黄河水利委员会山东水文水资源局，山东 济南250100）

1 问题提出

黄河山东段全长628 km，据统计，至2019 年底有已建和在建桥梁30 余处，浮桥55 处。这些桥梁密密麻麻地分布在山东黄河河道上，桥墩及浮桥的存在和桥梁建设期间的临时设施破坏了河道水流的自然属性，水流结构发生变化，流速及含沙量的纵、横向分布受到影响，河床冲淤及泥沙粗细发生变化，这些变化的表现形式是水文特性的变化。所以，分析桥梁建设及运行期间水文特性有哪些影响及如何影响，对水文水资源监测有着重要意义。

2 山东黄河水文监测断面概况

黄河山东段设有6 个基本水文站、18 个水位站、218 个河道冲淤监测断面、8 个水质监测断面。其中每个水文站设有1 处基本断面、1 处或多处流量监测断面和2 处比降监测断面，628 km 范围内不足3 km 就有1 个水文监测断面，基本水文站附近监测断面分布更是密集。

3 对水文特性的影响分析

3.1 分析评价的意义

黄河水文工作是黄河水利事业发展的基础性工作，也是国民经济建设和社会发展的基础性工作。多年来，山东黄河水文为黄河防洪、防凌、抗旱、减灾减淤、水资源调度等提供了技术服务，为沿岸经济社会的快速发展和国家重点工程建设提供了重要的技术支撑。黄河桥梁和浮桥的建设及运行对水沙运行规律产生了不同程度的影响，当桥位附近有水文监测断面时，水文监测工作就会受到影响，多年积累的固定监测断面的水文资料原始样本发生变异，断面特性和水文资料的一致性、连续性发生变化，这些变化对水文资料的应用产生了影响。所以，分析评价黄河桥梁建设及运行对水文特性的影响，对保障水文监测工作正常进行，对桥梁建设的选址非常重要。

3.2 技术路线及工作内容

3.2.1 技术路线

桥梁对水文特性的影响主要技术路线如下：①勘查桥位与水文断面之间的关系及间距；②收集历史水文资料，主要包括水位、流量、含沙量、断面、流速、泥沙级配及水位流量关系、单断沙关系等水文特征资料；③收集桥梁建设相关设计资料和施工方案等；④进行水文分析计算，主要计算设计洪水水位、壅水高度、壅水范围；⑤收集桥梁建设和运行期间一段时间的水文要素对比观测资料，计算分析桥梁对水文特性的影响；⑥依据分析评价结果提出措施方案。

3.2.2 工作内容

工作内容主要包括野外实地踏勘、水文实测资料分析、水文分析计算，依据历史水文资料、大桥设计资料及施工方案、水文监测需求等分析计算桥梁建设及运行期间对水文特性变化、河道冲淤、河床演变、水质可能产生的影响等，为保障桥梁建设期间及运行后的水文监测资料的可靠性、一致性、连续性和代表性提供科学依据。

4 对水文特性的影响分析

无论跨河桥梁在水文监测断面上游或下游，只要距监测断面小于10 km[1]，对水文水资源监测设施、水文特性、河势演变、水质保护均会产生不同程度的影响，所以，分析桥梁建设造成的影响对水文水资源监测、水文设施保护和桥梁位置选择是不可缺少的重要工作。

4.1 对水位、比降的影响

桥梁对水位及比降的影响主要来源于建设期间工作桥梁、临时设施及建成后桥墩的壅水及河段溯源冲淤等影响。若桥位在监测断面下游，主要分析壅水影响，正常的稳定流情况下，桥位断面壅水范围内所有水位观测断面的水位都因桥位壅水普遍出现一个不同的增加值，形成一个附加比降，而这个附加比降又因壅水高度和壅水范围的不同而变化，属于一个动态变化值，从而影响到观测断面的水位及观测河段的水面比降。所以，桥梁施工过程中和建成后的运行期间，影响河段不同时期同流量级下的水位将相应增高，洪水期尤为明显。若桥位在监测断面上游，主要分析临时工程、桥墩阻水及溯源淤积等造成的综合影响。

4.2 对河势的影响

建桥期间的施工便桥等临时设施及建成后的桥墩将造成局部河段冲淤特性和主溜位置的变化。冲刷主要包括一般冲刷和局部冲刷两个部分，冲刷深度和强度与流量大小及水流挟沙能力有关，较大的冲刷将在桥墩上、下游形成冲刷坑，造成局部河势调整大且速度快的现象，同时桥梁断面以上河段产生溯源冲刷，以下河段产生的溯源淤积[2]，水势上提下挫，主溜左移右摆，中泓位置不稳、变化频繁，将对河段的河势产生一定影响。

4.3 对测验设施的影响

影响河段河势的变化及主溜摆动将使现用的部分水文测验设施失去或降低使用功能。比如水位观测设施的脱溜、靠船码头不能停靠船只等，这些影响将不同程度地造成测验能力的减小、测验困难的增大，或造成测验设施的重新建设。

4.4 对泥沙的影响

影响河段的河势变化、主溜摆动，水流扰动、岸滩侵蚀[3]坍塌等现象造成监测河段泥沙含量增多、粒径加粗、监测断面含沙量的横向、纵向及泥沙颗粒级配分布的变化，造成单断沙（颗）关系曲线变化。这种变化使常用的含沙量、输沙率测验方法与改变后的水沙环境不适应，需在新的水沙环境下通过足够多的试验资料确定适合的测验方法。

4.5 对流速分布的影响

影响河段的河势变化、主溜偏移，水流扰动、壅水等现象，使影响河段水流分布规律发生变化，监测断面流速的纵向、横向分布将发生变化，水位流量关系发生变化。这种变化将影响监测断面的水流特性，原本常用的流量、输沙率测验方法与改变后的水流环境不相适应，需在新的水流环境下通过足够多的试验资料确定适合的测验方法。

4.6 对河道冲淤监测的影响

4.6.1 监测方法

目前，山东黄河河道淤积测验断面监测方法是以水文监测船作为水上移动监测平台，船上搭载GPS 定位系统、测深仪和其他测算设备工具，某监测断面各条垂线位置通过GPS 确定[4]，水深通过测深仪实测，依据测时水位和水深计算河底高程和断面冲淤。

4.6.2 主要影响

黄河山东段河道不足3 km 布设1 处监测断面，个别河段2 km 左右布设1 处，桥梁位置一般避不开河道监测断面，有3 种现象：①桥位距离断面太近；②桥轴线与断面重合或相交，这两种情况对河道淤积监测产生的主要影响是桥墩及临时设施对水文特性、冲淤规律的影响，而且当桥位与断面重合或相交时直接影响监测工作的开展；③大桥建设期间施工便桥等临时设施对监测船只通航的影响。

4.7 对水质的影响

大桥建设期间的施工垃圾和人为因素增多，建成运行后交通量增加、人类活动频繁，桥梁下游河段水质污染源增多，突发性水污染事件的概率增大，河段水污染事件的应急监测任务增加，水质监测难度加大。

4.8 对冰期的影响

山东黄河由西南流向东北，冬季平均气温下段比上段低2～3 ℃，下段封河早、开河晚、冰层厚，上段封河晚、开河早、冰层薄。封河期间易形成冰塞阻塞河道，壅高水位，漫滩成灾；开河期间往往上段解冻开河，冰水齐下，而下段冰层固封，在弯曲河段或在宽河道向窄河道的过渡段容易发生冰凌插塞堆积，甚至形成冰塞、冰坝等严重凌情。

桥梁建设期间的临时设施及建成后桥墩明显减小了河道输冰宽度，降低了输水输冰能力，容易发生卡冰壅水甚至产生冰塞冰坝。

4.9 浮桥对水文特性的影响

目前，黄河山东段建有浮桥50 余处，浮桥由浮舟、牵引浮筒及配套设施构成，平水期运行，洪水及冰期拆除部分或全部浮舟。浮桥对水文特性的影响主要表现在浮舟及其配套设施对水流结构的扰动和对河势变化的影响。浮桥运行期间浮舟和配套设施破坏了水流的自然属性，浮舟将敞露水流分割成若干股水流从时沉时浮的浮舟下及浮舟间流过，水沙的纵、横向分布受到影响；拆除主流浮舟后，两岸剩余浮舟和配套设施对洪水和凌汛期水文特性仍有不同程度的影响。

4.10 对水文资料的影响

综上分析，桥梁建设必将对影响河段的水文监测断面现行的水沙运行规律产生影响，使监测断面水文要素相关规律发生变化。迄今山东黄河水文站现有的水位流量关系、单断沙（颗）关系以及相应的水文数据分析成果等是在近70 年系列观测资料的基础上建立的，水位站及河道淤积监测断面资料系列也在几十年以上。

桥梁建设对所在河段的水流产生的干扰，使得现有水文要素之间的稳定关系受到影响。所以，若桥位在水文站、水位站或河道淤积监测断面附近，这种干扰就影响到相应断面多年形成的水、流、沙及冲淤断面监测资料的代表性、一致性、连续性和可靠性。

5 结论与建议

无论是公路桥还是铁路桥或是浮桥，建设过程和建成后运行期间，对影响河段天然水流的自然属性都将产生不同程度的影响，其影响程度与桥墩（浮舟）的数量、流线形式、阻水面积、分布及施工方案的设计密切相关。当桥梁轴线位于水文监测河段之内，这种影响就会引起监测河段的河势、水文特性的变化，影响测验设施正常使用和水质监测的困难等，了解和掌握桥梁及其施工对水文特性的影响，并依据实际资料分析评价影响程度，对保障水文监测要素的代表性、可靠性和水文资料一致性、连续性是非常重要和十分必要的，对桥梁建设、设计单位科学确定桥梁位置、方向和施工方案也是非常重要和十分必要的。