陽泉市污水處理廠二期工程污水管道防洪評價

許臻真

（太原市水務(wù)局水利技術(shù)推廣服務(wù)站）

在相關(guān)涉河工程設(shè)計過程中，為確保工程實施后的流域安全，必須注意防洪影響的分析研究[1]。針對內(nèi)蒙古某河道地質(zhì)巖溶發(fā)育、兩岸土坡垮塌淤積河道影響行洪等問題，鮑海霞[2]采用實測徑流系列水文比擬法和由暴雨資料推求設(shè)計洪水，結(jié)合參證站57 a實測資料，對治理河段河道洪水進行了計算。結(jié)果表明：設(shè)計洪水與歷史洪水記錄值比較，誤差在允許范圍內(nèi)，計算成果較合理。劉志偉[3]對渾河沈陽城市段景觀提升工程方案進行了防洪影響計算分析，結(jié)果表明：當(dāng)遭遇100 a一遇以上洪水時，景觀提升工程部分面臨被淹沒風(fēng)險，若發(fā)生小頻率洪水，由景觀提升工程導(dǎo)致的防洪影響較小。劉宇[4]利用水力計算方法，對渾河新立堡橋進行了防洪評價計算與分析，同時利用物理模型試驗進行了驗證，結(jié)果符合實際情況。左良棟[1]等人結(jié)合重慶市梁灘河綜合整治工程防洪分析，系統(tǒng)提出了防洪分析的有關(guān)方法體系，為后續(xù)的庫區(qū)次級河流整治工程的防洪分析提供了參考。李欣[5]結(jié)合燕塞湖橋工程的具體位置、相關(guān)參數(shù)，采用恒定非均勻流和橋梁壅水計算兩大模型，分別計算河道水面線、橋梁壅水高度，結(jié)果表明：燕塞湖橋工程壅高影響較小，對河道行洪安全不會產(chǎn)生較大影響。梁曉峰[6]等人根據(jù)擬建的山河醋業(yè)項目工程建設(shè)地域的水文氣象條件，采用相關(guān)設(shè)計手冊對河段設(shè)計斷面進行計算，分析涉河工程對河道兩岸的防洪影響，結(jié)果表明，該擬建工程對河道行洪安全不會產(chǎn)生影響。劉梅[7]根據(jù)暴雨資料和水文比擬法對西安5號地鐵線浐河大橋位處進行水文分析計算，按照水位—流量關(guān)系曲線推算橋位處洪水位，計算結(jié)果經(jīng)復(fù)核，表明大橋橋梁最低高程滿足河道防洪要求。雷文韜[8]等人基于MIKE模型，建立了贛江河網(wǎng)一維與保護區(qū)二維耦合的水動力數(shù)學(xué)模型，以對贛江下游廿四聯(lián)圩防洪保護區(qū)洪水進行分析研究，研究所選用的MIKE21 FM模型中，采用了基于Zhao等[9]和Sleigh等[10]提出的干濕判斷法處理動邊界問題，同時研究采用基于Runge-Kutta法的時間積分處理方法和基于Roe格式的Riemann近似解處理方法，以及 TVD（Total Variation Diminishing）坡度限制器，從而獲得時空上的二階計算精度[11]，研究結(jié)果表明，模型較好地描述了保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程中的水深和流速在地形和隔堤等作用下的分布特性。上述涉河工程對防洪影響的分析研究成果，為陽泉市污水處理廠二期工程污水管道防洪分析計算提供了參考借鑒。

1 項目概況

陽泉市污水處理廠二期工程污水管道，起點位于桃河和義井河原陽泉市污水管線與原污水處理廠一期工程污水管線相接處，管道沿桃河和義井河向下鋪設(shè)，在桃河和義井河交匯處合并為一條管道，終點位于南川河與桃河的匯入口亂流村，總長度8270m，其中桃河段7 250 m，義井河段1 020 m，設(shè)計輸水量12萬m3/d。涉及到的河流有桃河、義井河和南川河。陽泉水文站位于陽泉市區(qū)、桃河中游，控制流域面積503 km2。項目位置及河流水系見圖1。

圖1 項目位置及河流水系圖

2 防洪計算方法與成果

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 項目設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)

陽泉市污水處理廠二期工程污水管道沿線穿越了桃河和義井河，防洪標(biāo)準(zhǔn)參照《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》（GB50423-2007）確定。桃河河段寬度為100-200 m，管道穿越工程等級屬于中型，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇；義井河河道寬度為35-45 m，管道穿越工程等級屬于中型，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。

2.1.2 現(xiàn)狀河道防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）及陽泉市城市防洪規(guī)劃，義井河陽泉城區(qū)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，桃河城區(qū)到陽五高速段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，陽五高速到亂流村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。

2.2 設(shè)計洪水計算

2.2.1 設(shè)計洪水計算斷面

根據(jù)工程涉及河流水系情況、洪水特征以及管道穿河位置選定3個主要設(shè)計斷面，各斷面情況見表1。

表1 設(shè)計洪水計算斷面

2.2.2 設(shè)計洪水計算方法及結(jié)果

項目區(qū)域內(nèi)陽泉水文站和地都水文站均為國家基本水文站，資料經(jīng)過整編，可作為設(shè)計依據(jù)。陽泉水文站控制流域面積503 km2，地都水文站位于綿河干流上，控制流域面積2 521 km2。根據(jù)陽泉水文站實測資料進行頻率分析，先由矩法初估均值及Cv，再通過適線法調(diào)整參數(shù)，得到水文站控制斷面各頻率設(shè)計洪峰流量。將陽泉水文站1955-2008年共54 a洪峰流量系列加入歷史洪水，同時將地都水文測站1963-1998年共36 a洪峰流量系列加入歷史洪水后，進行頻率分析。特大洪水的經(jīng)驗頻率，根據(jù)下式計算：

式中：N——歷史洪水調(diào)查考證期，a；

M——特大洪水次數(shù)；

PM——第M項特大洪水經(jīng)驗頻率。

各不同頻率設(shè)計洪峰流量計算成果見表2。

表2 不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果

桃河斷面設(shè)計洪水，在對陽泉水文站和地都水文站實測洪水進行頻率分析的基礎(chǔ)上，采用面積關(guān)系，建立Qm—F關(guān)系線，由桃河陽泉水文站與綿河地都水文站洪峰流量—面積關(guān)系，推求桃河設(shè)計斷面的設(shè)計洪峰流量，結(jié)果見表3。

表3 治理斷面設(shè)計洪水計算成果表

2.3 《水文手冊》法計算設(shè)計洪水

由于義井河設(shè)計斷面控制流域面積為35.5 km2，與陽泉水文站控制流域面積505 km2相差太大，采用陽泉水文站洪峰流量計算義井河斷面設(shè)計洪峰流量不太合理，因此采用《山西省水文計算手冊》計算設(shè)計洪水。設(shè)計分別采用納什瞬時單位線法和推理公式法，對義井河設(shè)計斷面洪水進行計算。通過分析可知，兩種計算方法計算得到的設(shè)計洪峰流量較為接近，從工程安全角度考慮，選擇推理公式法的計算結(jié)果作為設(shè)計洪峰流量。推理匯流計算包括：求解洪峰流量Qm、流域匯流時間τ以及推理洪水過程線。

2.3.1 洪峰流量Qm及匯流歷時τ計算

根據(jù)式（2）-（4）聯(lián)立方程組求解。

式中：A——流域面積，km2；

L——河長，km；

J——河流縱比降，‰；

m——匯流參數(shù)（從表7.3.3.1中查用）；

hR，p——設(shè)計洪水凈雨深，mm；

其余符號的意義同前。

2.3.2 匯流參數(shù)mA計算

匯流參數(shù)按各種地類的面積權(quán)重ci加權(quán)計算，公式為：

2.3.3 洪水過程線計算

借鑒現(xiàn)代流域匯流理論思路，把時段凈雨在流域出口形成的單元洪水過程線，概化為多節(jié)點折線形，其底長T、節(jié)點數(shù)M及單元洪水過程線各節(jié)點的流量分別由式（6）-（8）計算：

式中：cint——按四舍五入規(guī)則取整算符；

Δh——時段凈雨（來自推理產(chǎn)流計算結(jié)果），mm；

c——“時段匯流曲線”形狀參數(shù)（單地類匯流參數(shù)m從手冊表7.3.3.1中查得）。

2.4 設(shè)計洪水計算成果

本次設(shè)計洪水，采用實測洪水系列方法計算桃河一號設(shè)計斷面和桃河二號設(shè)計斷面的洪峰流量，采用《水文手冊》方法計算義井河設(shè)計斷面的洪峰流量。計算結(jié)果見表4。

3 防洪綜合評價

3.1 與現(xiàn)有水利規(guī)劃的關(guān)系與影響分析

管道穿越桃河、義井河河段工程，采用大開挖施工方式敷設(shè)污水管道，設(shè)計管頂埋深距河底最低點以下，工程施工結(jié)束后河道恢復(fù)原狀，管道工程的實施基本不會對河道水利工程規(guī)劃及防洪工程的實施產(chǎn)生影響。

3.2 與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

根據(jù)陽泉市城市防洪規(guī)劃，義井河陽泉城區(qū)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，桃河城區(qū)到陽五高速段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，陽五高速到亂流村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。陽泉市污水處理廠二期管道工程穿越桃河、義井河，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）及《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》（GB50423-2007）中的規(guī)定，與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。

3.3 對行洪安全的影響分析

本管道工程均敷設(shè)于河床地面以下，設(shè)計在施工完成后按原形態(tài)恢復(fù)河道狀況，故工程在運行期內(nèi)基本不影響河道泄洪。但工程建設(shè)階段所用的機械設(shè)備及水泥、石料、鋼材等施工物料，工程棄渣、生活垃圾等將要堆放在河道內(nèi)，并開挖河床，當(dāng)發(fā)生洪水時，將會影響河道泄洪。

3.4 對河勢穩(wěn)定性影響分析

沿河敷設(shè)的管道，全部采用大開挖方式施工，工程實施后嚴(yán)格按河道原形狀密實回填恢復(fù)，涉及河道段的形態(tài)基本不變。因此，未來河道沖淤改變很微弱，工程建設(shè)對河勢穩(wěn)定性影響不大。

3.5 對已建防洪工程與設(shè)施的影響分析

工程建設(shè)主要是因管道的敷設(shè)全部采用大開挖方式施工，在施工過程中可能對現(xiàn)有堤防工程有所擾動。本管線工程建設(shè)對防洪工程的影響主要體現(xiàn)在對堤防、護岸的影響。大開挖穿河方式，可能影響堤防基礎(chǔ)穩(wěn)定。

3.6 對防汛搶險的影響分析

管道工程敷設(shè)于地面以下，運行期間不會影響汛期的防汛搶險。施工期間可能會截斷防汛搶險通道，從而影響防汛搶險。

3.7 對第三方合法水事權(quán)益的影響分析

桃河河道內(nèi)已經(jīng)埋設(shè)了給水管道、石油管道和煤氣管線，污水管道在義井河匯入桃河口穿越了給水管道、石油管道和煤氣管道，在施工前應(yīng)與相關(guān)部門聯(lián)系和協(xié)商，以免侵害他人權(quán)益。管道的建設(shè)，要永久或臨時占用河道管理范圍內(nèi)的土地，建設(shè)單位應(yīng)與有關(guān)管理部門及時聯(lián)系和協(xié)商，解決施工時對已經(jīng)確權(quán)劃界土地的征、占、用等問題，不因污水管線的建設(shè)影響以后的河道整治和管理。

表4 設(shè)計洪水計算成果 單位：（m3/s）

3.8 對周邊環(huán)境及水質(zhì)的影響

工程施工期間，河道的開挖，部分建筑材料的堆放，還有部分工程棄渣和生活垃圾的產(chǎn)生，鉆機廢棄的油污、泥漿、棄渣等，將會對河段范圍內(nèi)的環(huán)境、水土保持產(chǎn)生一定的影響，生活廢水和污水排放也會對河道水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

4 防治污水管線工程建設(shè)影響的補救措施

4.1 對河道泄洪與管理影響的補救措施

污水管線工程施工時，施工設(shè)施、便道、料場及生活區(qū)域等將會對河道行洪產(chǎn)生影響。為確保汛期的防洪安全，施工期內(nèi)工程建設(shè)部門應(yīng)與流域管理部門密切配合，嚴(yán)格按照指定的度汛方案進行施工，將工程建設(shè)所用水泥、石料、鋼材等建筑材料及工程棄渣、生活垃圾等存放在河道外；施工期間留出防汛搶險通道，臨時施工道路與防汛搶險道路順暢連接；施工后期應(yīng)逐步拆除及清理施工場地，推平施工道路，清理棄渣等殘余物，恢復(fù)河道原貌，以利于河道行洪暢通。施工期間要與河道主管部門、水情部門保持密切聯(lián)系，根據(jù)洪水預(yù)報，合理安排工期，以確保順利施工和安全度汛。

4.2 對現(xiàn)有防洪工程影響的防治措施

污水管線建設(shè)單位要與河道管理部門保持密切聯(lián)系，及時商討需拆除堤防的長度和拆除時間，在工程完成后按原標(biāo)準(zhǔn)將已拆除的堤防工程快速恢復(fù)，并請水利部門有關(guān)單位作為成員參加穿河管線工程的竣工驗收。

4.3 對減少環(huán)境與水質(zhì)影響的防治措施

污水管線建設(shè)初期應(yīng)及時做好水土保持工作，對可能造成對水土保持方面的影響做好預(yù)測和評估，并擬定實施減少影響所應(yīng)該采取的措施。對河道、岸邊開挖等毀壞的河道堤防、生物護岸和地表植被等，要進行快速恢復(fù)。對施工區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水、污水，鉆機廢棄的油污、泥漿、棄渣等，應(yīng)通過適當(dāng)處理，實現(xiàn)達標(biāo)排放，不得任意棄置或直接排向河道，避免對河道水質(zhì)及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。

4.4 對第三方合法水事權(quán)益影響的補救措施

污水管線建設(shè)永久或臨時占用河道管理范圍內(nèi)的土地，建設(shè)單位要與有關(guān)單位協(xié)商編制設(shè)計預(yù)算，給以相應(yīng)補償。