黄河流域龙门段某水利工程防洪评价研究

谢志高

(深圳市东部水源管理中心，广东 深圳 518116)

引言

习近平总书记在“黄河流域生态保护和高质量发展座谈会”明确提出，黄河流域是打赢脱贫攻坚战的重要区域[1，2]。由于历史、自然条件等原因，黄河流域经济社会发展相对滞后，特别是上中游地区和下游滩区，是我国贫困人口相对集中的区域。积极支持流域省区打赢脱贫攻坚战，解决好流域人民群众特别是少数民族群众关心的防洪安全、饮水安全、生态安全等问题，对维护社会稳定、促进民族团结具有重要意义[3，4]。

河津市黄河沿岸码头现状基本表现为缺乏必要的基础设施，部分设备已老化，运力较差，无法满足安全停靠要求，仅建有部分简易梯步或下河道路，且宽度及纵坡等参数均不满足规范要求，没有护坡结构；人员上行船和船舶停靠场所为自然岸坡，坡陡路滑，存在极大的安全隐患。但便民交通码头长期以来为农村交通发挥了重要作用，渡运及短途客运需求旺盛，作为农村交通的组成部分在相当长的时期内还会存在。面对码头落后的现状，尤其是在全面建成小康社会总体目标要求下，尽快完成龙门便民交通绿色码头建设工程，是发挥水运优势、改善群众水上出行条件及保障群众出行安全的重要保证，同时也是实施山西省交通强国建设计划的具体体现。因此，对龙门便民交通码头进行规范化建设，推动黄河水上运输和水运与旅游融合发展，是十分必要的。本文通过相关水利计算，对黄河流域龙门段某水利工程的防洪设计进行评价分析，以期为防洪评价工作提供实例验证[5-8]。

1 项目区概况

项目区位于山西省河津市龙门景区西侧，距上游侯西铁路桥约272m，距下游禹门口黄河公路大桥(G108)约230m。位置坐标为E110°36′11″，N35°39′31″。黄河船窝至龙门航道现属于Ⅵ级航道，规划为Ⅳ级航道，该河段河床质可分为沙质滩、石质滩。随着壶口至禹门口段航道整治工程的启动，将有效改善航行条件。该段水域能够满足船舶的靠泊及回旋作业要求。拟建龙门码头岸线顺直，岸坡稳定，无不良工程地质现象，自然条件良好。拟建设的龙门便民客运码头后方紧邻沿黄公路，交通方便，地理位置较优越。港区建设用水、用电和通信可从相邻村镇接入，施工条件便利。由于当地建筑材料丰富，港区建设使用土石材料可以就地取材，山西省内拥有多支航运工程建设队伍，能满足该码头建设需要。龙门码头本次拟采用“架空梯道+架空栈桥”的布置方案，均采取桩基础。其中单个泊位架空梯道总长12.7m，宽6m。架空梯道后侧设置架空栈桥与岸侧衔接，栈桥总长17.3m，宽6m。本着以近为主、远近结合的原则，本次拟建设2个客运泊位，预留1个工作船泊位，采用浮式加斜坡的结构型式，设计通过能力96万人次·a-1，占用岸线长度为106m。

2 河道基本情况

工程项目所在河道隶属河津市境内，所涉及黄河流域包括下化、樊村、清涧3个乡(镇)以及黄河滩一部分，流域面积307.7km2，洪水量平水年730.4万m3，枯水年322.2万m3。全市洪水总量平水年1376.9万m3，枯水年585.3万m3。龙门码头位于禹门口与黄淤68断面之间黄河干流上，该河段属黄河小北干流(禹门口至潼关)上段。清涧湾调弯工程位于河津市清涧街道办事处龙门村以西，黄淤67～68断面间，上接禹门口工程6号坝，下邻大小石咀高崖，工程类别为控导工程，全长2472m，现有丁坝20道，垛坝14道。0+000～2+765段坝顶高程为386.08～382.81m，工程设计防御标准为龙门站12700m3·s-1洪水。

禹门口至潼关河段长132.5km，河道宽浅，水流散乱，属于强烈堆积的游荡性河道，河道形态从纵向上看，河道比降上陡下缓，比降在0.3‰～0.6‰，平均为0.4‰。滩槽高差一般为0.5～1.5m。从平面上看，河道宽窄相间，总体呈哑铃状，中间较窄、两头较宽，河道弯曲系数为1.12。

黄河是境内最大的河流，市境内流经长度35km，根据龙门水文站多年观测资料统计(1988—1995年)，黄河多年平均流量731.81m3·s-1，汛期多发生在7—9月，据前人资料汛期最大洪峰流量为21000m3·s-1，一般年份洪流量为4710～16400m3·s-1，枯水期平均流量为53.2m3·s-1。河流含砂量根据1970—1992年的观测资料统计，1年之中有5～12d大于100kg·m-3，多出现在6—8月3个月份，多年平均值为25.9kg·m-3。

据钻孔揭露资料，该场地地下水埋藏深度在自然地坪下5.13～5.99m，稳定水位以高程表示为375.82～377.0m，根据含水介质的岩性，地下水类型为松散岩类孔隙水，根据地下水的埋藏条件划分为潜水，场地地下水主要由大气降水入渗及黄河水侧向径流补给，地下水排泄方式以侧向径流及大气蒸发为主，地下水流向西向东，水位年变化幅度为3～5m。

3 防洪工程

防洪工程主要存在于龙门水文站下游，其中黄河干流禹门口至汾河入黄口段左岸(山西)防洪工程：禹门口工程、清涧湾调弯工程、清涧湾工程、大石咀工程、小石咀工程、汾河口工程、西范工程、西范控导下延工程、庙前工程和城南工程，见表1。工程可分为控导工程和护岸护滩工程。防御标准：控导工程一般按当地流量4000～5000m3·s-1设计，部分具有重点防护作用的控导工程按5年一遇(相当于龙门站流量12700m3·s-1)设计；护岸工程按20年一遇(相当于龙门站流量20000m3·s-1)，护滩工程与滩面平。

表1 河禹门口至汾河入黄口段(左岸)防洪工程防御标准

黄河干流禹门口至汾河入黄口段右岸(陕西)防洪工程有桥南上延工程、桥南工程、下峪口工程、下峪口下延工程、史代工程、南谢工程和芝川工程，见表2，工程的防御标准大小不等，为龙门站11000～21000m3·s-1或当地5000m3·s-1。部分工程已达到设计标准，部分尚未达到。

表2 黄河禹门口至汾河入黄口段(右岸)防洪工程防御标准

4 防洪评价分析与计算

4.1 历史洪水资料

4.1.1 调查洪水

根据1983年刊印出版的《中华人民共和国黄河流域洪水调查资料》(黄河干流及主要支流控制河段)，龙门水文站调查历史特大洪水成果共有2次：发生于1843年洪峰流量为31000m3·s-1的特大洪水；发生于1942年8月3日洪峰流量为24000m3·s-1的特大洪水。

4.1.2 实测洪水

龙门水文站自1934年6月设站以来，除因战争、站别更改等诸多原因几次中断，造成资料系列不连续外，1950年后各项测验逐渐稳定下来。共有1934—1937年、1944—1945年、1950—2018年共75年的不连续实测洪水系列。

龙门水文站历年实测最大洪峰流量为1967年8月11日的21000m3·s-1。从1934—2018年的85年间，龙门站实测流量大于20000m3·s-1的洪水出现过1次；历年实测10000m3·s-1以上大洪水23次，1996年以后至今未出现洪峰流量大于该量级的洪水，具体洪峰日期、洪峰流量、来水区域见表3。

表3 龙门站实测10000m3·s-1以上大洪水统计表

4.2 设计洪水频率计算

水文频率计算依据龙门水文站1934—1946年、1949—2018年共83年实测插补最大流量资料，并考虑历史调查大洪水资料进行频率计算。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-2006)推荐的方法，以年最大值法选样，并加入历史调查洪水，按连序系列和不连序系列的数学期望公式进行计算。频率曲线的线型采用P-Ⅲ型，统计参数采用矩法初步估计，并采用目估适线法确定设计洪水成果。计算系列中历史特大洪水调查考证期176年；连序系列洪水年数为83年。

4.2.1 经验频率计算

a个特大洪水的经验频率计算公式：

(1)

式中，PM为第M项特大洪水经验频率；M为特大洪水的排列序号；a为特大洪水个数；N为历史特大洪水调查考证期。

n-l个连序系列洪水的经验频率计算公式：

…，n

(2)

式中，Pm为第m项连序系列洪水的经验频率；m为连序系列洪水的序位；n为连序系列的项数；a为特大洪水个数；l为从n项连序系列中抽出的特大洪水个数。

4.2.2 理论频率曲线参数的确定

(3)

(4)

(5)

对于CV，由于计算值只是一个参考，还要在适线中调整确定，为简便计算按连序系列进行计算。CV与CS的倍比参照地区综合规律，结合适线具体情况确定。

4.2.3 频率曲线适线情况

采用《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-2006)中规定的P-Ⅲ型曲线进行适线，在适线中一条总的准则是尽量使理论频率曲线通过全部点据的中心位置。

适线时，先采用上述矩法估计出频率曲线参数的初始值，固定系列均值，凭经验调整变差系数CV和偏态系数CS，并进行目估适线确定频率曲线。计算结果见表4。

表4 龙门水文站洪水频率计算成果表

4.3 设计洪水成果选用

《黄河流域防洪规划》与本次计算的龙门水文站设计洪水成果见表5。本次计算结果与《黄河流域防洪规划》成果较为接近，相差4.2%～8.5%，主要是由于所采用的资料系列长短不同。鉴于《黄河流域防洪规划》成果考虑多方面因素并通过审查，偏安全考虑，本次龙门站设计洪水成果主要采用《黄河流域防洪规划》的成果，100年一遇(P=1%)设计洪峰流量值为28300m3·s-1，50年一遇(P=2%)设计洪峰流量值为24800m3·s-1，20年一遇(P=5%)设计洪峰流量值为20000m3·s-1。25年一遇(P=4%)设计洪峰量按21500m3·s-1。

表5 《黄河流域防洪规划》与本次计算龙门水文站设计洪水成果比较

本建设项目位于龙门水文站下游约1.7km范围河道内。河道断面宽度一般为731m。而龙门水文站测验断面河宽约为300m，是典型的峡谷河段。考虑到项目距离龙门水文站较近，建设项目所在区间的洪峰流量应与龙门站的洪峰流量相同。因此，本建设项目所在断面设计洪峰流量统一采用龙门站不同频率设计洪峰流量，从防洪安全角度而言是满足要求的。

4.4 方案计算与分析

4.4.1 河道断面水深与流速

由于龙门码头处于小北干流起始处，此处河道较上游突然变宽，黄河出龙门，进入开阔地带。龙门码头处最大水深为10.56m，根据二维数学模型水深变化等值线图、流速变化等值线图可以看出，洪水出山口后受弯道水流离心惯性力作用，主流更偏向于右岸。河道流速为0.5～4.8m·s-1，主槽内流速分布较均匀，但局部有建筑物时，易引起局部流速增加，周围需做好防护。

4.4.2 计算水位

拟建工程位置及其对应的洪水水位见表6，拟建龙门码头5年一遇洪水位为382.50m，10年一遇洪水位为383.56m，20年一遇洪水位为384.21m，码头栈桥在10年一遇淹没范围外，码头陆域平台在10年一遇洪水位淹没范围外，由于码头占地面积小，对河道行洪产生影响较小。

表6 模型计算水位

4.4.3 壅水计算分析

某一洪水位下工程占据的有效过水面积与工程前相应水位全断面的有效过水面积之比，称为工程对过水面积的阻水比。阻水比是体现跨河及临河工程影响河道行洪能力的主要参数，在工程区段水流条件相同的情况下，阻水比越大，对河道行洪的影响就越大。龙门码头工程采用趸船布置，平台前沿采用架空梯道，架空梯道后侧设置架空栈桥与岸侧衔接，基础采用桩基础，梯道和栈桥下部基本拟利用现状已形成平台进行建设，基本不增加阻水面积。码头阻水面积主要来自于桩基础和栈桥桥面等建筑物，10年一遇洪水条件下阻水比为0.2%，100年一遇洪水条件下阻水比为0.1%。本报告采用二维水流数学模型对壅水高度进行计算，根据二维数学模型计算结果，10年一遇洪水条件下龙门码头工程产生的壅水高度为0.016m，壅水长度256.3m；100年一遇洪水条件下龙门码头工程产生的壅水高度为0.018m，壅水长度269.6m。

4.4.4 冲刷能力分析计算

码头桩基按河段遭遇100年一遇洪水时冲刷深度计算，断面总冲刷深度包括河床自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷3部分组成。根据干流与支流来水方向不同，经分析，九龙桥冲刷选取干流或支流最不利冲刷算结果，本次评价选取干流方向来水作为最终冲刷结果。根据龙门地质图可知，冲刷未到岩基。总冲刷深度详情见表7。

表7 P=1%码头总冲刷水深

5 防洪影响评价

梯规划建设的古贤水利枢纽距离龙门工程上游距离约93.4km。由于距离较远，本项目建设与古贤水利枢纽的规划及实施不矛盾，不会对古贤水利枢纽规划与实施产生不利影响。规划建设中的甘泽坡水利枢纽工程位于黄河大北干流下段，下距龙门水文站2.5km，后上移至舌头岭码头附近，距龙门工程约26.8km。禹门口水利枢纽工程的施工备料场地在距龙门工程上游21.8km左右，均不在项目建设内，因而工程与禹门口水利枢纽工程的规划及实施不矛盾，不会对禹门口水利枢纽规划与实施产生不利影响。龙门码头工程位于黄河小北干流起始处左岸岸滩修建，主要是服务黄河航运，有利于航运规划的实施。项目建设产生壅水较小，基本不会改变河道特性，因此项目不会对黄河小北干流放淤规划实施产生影响。

6 结论

河津市黄河船窝至龙门段便民交通码头属于便民基础设施项目，拟建龙门码头从以人为本的要意出发，可以有效改善河津市黄河沿岸群众的出行条件，方便晋陕两省群众之间的来往交流，对于加快黄河两岸文化旅游及社会经济发展具有重要的意义。

龙门便民交通码头工程拟新建2个客运泊位，预留1个工作船泊位，泊位顺岸布置，设计通过能力96万人次·a-1，龙门码头设计高水位(381.40m)不满足5年一遇洪水设计水位；码头栈桥设计高程(382.50m)，满足5年一遇洪水设计水位，不满足10年一遇洪水设计水位；码头陆域平台设计高程为387.50m，高于10年一遇洪水设计水位。

10年一遇洪水条件下，工程阻水比为0.2%，产生的壅水高度为0.016m，壅水长度256.3m。经计算，100年一遇洪水船龙门码头最大冲刷水深为24.34m，最低冲刷线高程为361.48m，冲刷线高程在基岩面(或片状砂岩)以上。龙门码头陆域前沿线走向与附近流速方向基本一致，没有引起工程附近出现挑流等不良流态，且码头工程占据河道过水面积有限，因此，龙门码头对工程附近流速大小及方向影响较小。