河道治理工程对水文监测影响因素分析

高晓冬

（河南省洛阳水文水资源勘测局，河南 洛阳 471000）

0 引言

汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥至关帝桥）治理范围为起点北汝河云梦大桥，终点为关帝桥，治理长度为6 620.48 m。汝阳县已经对北汝河上段进行了治理，堤顶修建了滨河公园，并在云梦桥上游修建了三级水面工程及湿地景观工程，极大改善了河道环境，提升了城市品味。目前北汝河汝阳段下游河段尚未治理，防洪标准较低，堤防不封闭，堤身单薄、高度低，大部分支沟口无堤防，河道内河床高低不平，荒滩裸露，环境较差，左岸的工业园区和右岸的村庄、农田受洪水的威胁，河道不规整，河道漫滩在不断拓宽，侵蚀两岸农田，云梦桥至刘窑段右岸无路，为做好北汝河上下游系统治理，结合洛阳市前坪水库建设打造汝河两岸水利风景生态廊道，拉大城市框架，提升城市品味，对该段北汝河综合治理是十分必要的。

紫罗山水文站位于北汝河下段综合治理工程起点云梦桥下游约4 km处，终点关帝桥上游约3 km处。紫罗山水文站是国家基本水文站，省级重点水文站，始建于1951 年，位于河南省洛阳市汝阳县小店镇紫罗山坡下，东经112°31′，北纬34°10′，断面以上集水面积1 800 km2，主要监测项目有：降水、蒸发、水位、流量、单沙、输沙率、水文调查、水质、水温、冰情、墒情、初终霜、比降等。

1 概况

1.1 工程概况

汝阳县北汝河综合治理工程任务：①防洪任务，通过综合治理使该段河道防洪标准达到50年一遇；②景观任务，通过综合治理打造沿河两岸绿色长廊，形成碧波荡漾的水面和美丽的湿地景观；③交通任务，通过综合治理打通沿河两岸交通道路，形成生态交通沿河环线。

汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥～关帝桥）治理范围为起点北汝河云梦大桥，终点为关帝桥，治理长度为6 620.48 m。

汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥至关帝桥）主要建设内容有：河床整治4 019.59 m；筑堤总长7 332.29 m，其中左堤长3 729.86 m，右堤长3 602.43 m。新建道路10 285.92 m，其中左岸为新建堤顶道路，长3 729.86 m，右岸道路总长6 556.06 m，其中云梦桥下游至紫罗口下游刘窑为新建山区道路，长2 953.63 m，紫罗口下游刘窑至关帝桥3 602.43 m，为新建堤防堤顶路；支沟口桥梁工程3 座，均位于河道右岸，分别为马后沟桥、马蹄沟桥、关帝庙沟桥。路涵工程10 座（均在右岸），排涝涵闸4 座（左右岸各2 座），拦水堰5 级。

云梦桥至刘窑（河道右岸）沿云梦山山坡302 m 等高线修筑一条道路（二级公路标准），路基宽20 m，路面宽18.50 m，长2 953.63 m，设计时速80 km/h，紫罗山下游大同渠渠首至关帝桥两岸堤路结合修建沿河道路，堤顶宽25 m，路面宽18.50 m，设计时速80 km/h，左岸长3 729.86 m，右岸长3 602.43 m。

治理段紫罗山水文站下游大同渠渠首至关帝桥左右岸新建堤防总长7 332.29 m，其中左岸长3 729.86 m，右岸长3 602.43 m。防洪标准为50 年一遇洪水标准设堤防，堤防工程级别为2 级。

根据河道纵坡、河道自身特点及湿地的要求，在治理段河道内规划五级拦水堰工程。每级拦水堰蓄水4.50 万m3，共蓄水22.50 万m3，每级拦水堰水面面积9 hm2，共计45 hm2。拦水堰工程单级蓄水4.50万m3，工程等级为Ⅴ级。

北汝河主河槽开挖平整长度4 019.59 m，按设计河底进行整平。

1.2 河道概况

北汝河是淮河流域沙颍河水系的主要支流，西南与沙河毗邻；西北与伊洛河流域以伏牛山为界；东北与颍河相接。北汝河发源于伏牛山嵩县外方山跑马岭，流经河南省嵩县、汝阳县、汝州市、郏县、宝丰县、襄城县、叶县等七个县市，在襄城县丁营乡崔庄村岔河口汇入沙河，全长250 km，流域总面积6 080 km2。

北汝河在汝阳县紫罗山站以上属山区河道，地面高程为500～1 500 m，河道宽200～1 000 m，河床质为卵石和砂组成，河道比降10.00‰～3.30‰；紫罗山至襄城段为浅山丘陵区，河槽骤然变宽，河道最大行洪宽度可达2 000 m，地面高程为300～500 m，河床质为卵石和砂组成，河底比降3.00‰～1.70‰；襄城以下为平原区，河道变窄，最窄处仅有100～200 m，地面高程为70～280 m，坡度1.40‰，河床质为砂，河道比降平缓，河身弯曲。整个流域地形地貌明显划为山、丘、平、洼四大类。流域内荒山秃岭较多，植被覆盖率20%～40%，水土流失较重。

1.3 地质概况

汝阳县地处外方山北麓，地势南高北低，地形复杂多样，南部崇山峻岭，北部丘陵平川。其中山区面积占70.20%，丘陵面积占19.60%，平川面积仅占10.20%。县内最高海拔1 602.40 m，最低海拔220 m。

云梦桥下游至刘窑村工程区地貌单元属中低山区地貌单元，区域地形起伏不平，地势起伏较大，山上植被发育，森林覆盖率高，部分属坡耕地。紫罗口下游刘窑到关帝庙桥工程区地貌单元属山区河谷地貌单元。河道宽度在400～650 m，两岸发育Ⅰ级阶地，高出河道2～6 m，属宽浅U 型河道，平均河道坡降1/200～1/300。

2 影响因素分析

2.1 洪水位计算

当紫罗山水文站发生50年一遇洪水时，洪峰流量为6 050 m3/s，根据紫罗山水文站水位流量关系，相应洪水位为294.25 m。

河道治理后，根据评价河段的具体情况，结合紫罗山水文站的实测流量，分析确定北汝河河道50 年一遇设计洪水的水面比降为1.50×10-3，糙率n=3.50×10-2，根据曼宁公式推求评价河段的平均流速。

式中：V—流速，m/s；n—河床糙率；R—水力半径，m；i—河道水面比降。

河道治理后，经分析计算，紫罗山水文站测验断面的平均流速3.55 m/s，评价河段的防洪标准为50 年一遇洪水，最大洪峰流量为6 050 m3/s，河道的过水面积为1 710 m2，相应洪水位为294.60 m，与河道治理前比较，测验断面变窄，断面宽减少了25 m，洪水位增加了0.35 m。

2.2 右岸道路对洪水影响分析

根据汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥～关帝桥）初步设计报告，云梦桥至刘窑（河道右岸）沿云梦山山坡302 m等高线修筑一条道路（二级公路标准），路基宽20 m，路面宽18.50 m，路长2 953.63 m，设计时速80 km/h，紫罗山下游大同渠渠首至关帝桥两岸堤路结合修建沿河道路，堤顶宽25 m，路面宽18.50 m，设计时速80 km/h，左岸长3 729.86 m，右岸长3 602.43 m。

紫罗山水文站原测流断面宽339.50 m，北汝河右岸堤顶公路建成后，导致紫罗山水文站测流断面缩窄25 m，过水面积相应减少，详见表1。

表1 北汝河右岸公路建成后过水面积计算表

2.3 冲刷分析计算

依据评价的需要，由于建设项目的修建，对河道的冲刷变化将产生影响，拦水堰建成后，由于拦水堰的阻水作用，改变了水流流态，减少了河道的有效过水面积，增大了河道的流速，拦水堰坝址处河床底部将发生下切冲刷。根据《汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥～关帝桥）初步设计报告》，该拦水堰坝址处河床冲刷层为含砾粉质粘土。河床的冲刷计算按粉质粘土河床处理。

2.3.1 自然冲刷

河床演变是一个非常复杂的自然过程，目前尚无可靠的定量分析计算方法，根据《公路工程水文勘测设计规范》中7.2条的要求，河床的自然冲刷是河床逐年自然下切的深度。经调查拦水堰坝址处河段整体无明显自然下切现象，此次计算不考虑自然冲刷的情况。

2.3.2 一般冲刷计算

拦水堰建成后，由于受拦水堰的阻水影响，坝址处断面过水断面减小，从而引起断面流速增大，水流挟沙能力也随之增大，会造成拦水堰坝址处断面河床冲刷。

根据《汝阳县北汝河下段综合治理工程（云梦桥～关帝桥）初步设计报告》，拦水堰坝址处河床为砂卵石层，河床泥沙平均粒径为40 mm。按《公路工程水文勘测设计规范》的技术要求，河道一般冲刷计算按主河槽及滩地分别进行计算。

粉质粘性土河床的一般冲刷计算：

经计算：拦水堰坝址处50 年一遇洪水时一般冲刷深度为4.55 m。水位为292.36 m，主河槽最大水深6.84 m，一般冲刷后最大水深11.39 m，一般冲刷冲坑深4.55 m。

2.3.3 河势影响分析

拦水堰工程建成后，枯水季节将在北汝河河道上形成长1 310 m的水面，该河段主河槽将受到人为影响，主河槽的形态也会随之改变。由于受到拦河堰拦蓄水量的影响，对应于底板高程的蓄水区域在大多数时间内将会形成泥沙淤积，从而使其相应的河槽有所抬高。

3 结论

3.1 测验设施

工程建设导致测验断面的流速、挟沙力以及冲淤变化规律发生改变，长期冲淤变化规律的改变可能对紫罗山水文站水尺等基本水文设施的稳定性造成影响。

右岸道路建设挤占河道断面25 m，使得紫罗山测流缆道主索地锚被掩埋。同时路面高程加高为302 m，距离缆道主索高度不足3 m，严重威胁缆道运行及车辆通过安全。由此紫罗山缆道主索、地锚、循环索都需要拆除并重新建设。

3.2 水位观测

施工期间施工栈桥、临时便道挤占河道，影响河道过流能力，河道整治造成低水位无法进行水位观测，需要重新设立水尺。

3.3 流量测验

施工期间施工栈桥、临时便道挤占河道，阻碍了上游来水，流速、流向都将发生变化，紫罗山水文站测流断面原已掌握的流速、流向分布规律将发生改变。这种分布规律的改变将导致原有的测验方法不再适用，原掌握的流速分布规律也将发生改变。

3.4 水文资料整编

施工期间施工方案对水流形态产生干扰，破坏了已经掌握的各水文要素变化规律，影响了各水文要素间的稳定关系，需要重新收集大量的水文资料和分析内容，建立拟合新的关系线，增加水文资料整编的工作量和工作难度。

3.5 水文资料一致性

工程施工方案改变了水流形态，破坏了已有水文规律，影响了水文要素间的稳定关系，影响了水位～流量关系线，需要在加密观测的基础上重新率定关系线，破坏了水文资料的连续性与一致性。

3.6 测验安全

工程施工期间施工便道防洪能力较低，一旦发生洪水，在过流面积大大降低的情况下，极有可能发生垮塌，由于施工位置距测验断面较近，没有足够的避险时间，影响测验安全。