渭河甘肅武山城區(qū)段中水治導(dǎo)線確定方法研究

楊元波，劉東莉，牛 盟

(1.陜西瀚泰水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710000；2.志丹縣能源管理辦公室，陜西 志丹 717500)

渭河是黃河第一大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣海拔3 495 m的鳥鼠山,干流由西向東流經(jīng)定西地區(qū)渭源、隴西兩縣后,自武山樺林鄉(xiāng)進(jìn)入天水市轄區(qū),途經(jīng)武山、甘谷和秦城北道兩區(qū),于北道區(qū)東岔鄉(xiāng)牛背村進(jìn)入陜西省。境內(nèi)渭河主要支流北有散渡河、葫蘆河、牛頭河、通關(guān)河等;南有榜沙河、大南河、藉河等。渭河干流全長818 km,天水市境內(nèi)河長269 km, 武山縣境內(nèi)長48 km，渭河總集水面積134 767 km2，天水市集水面積為11 548 km2。渭河年徑流量102.5 億 m3，天水市境內(nèi)年徑流量12. 71億 m3。

1 河段基本概況

渭河河源至寶雞峽出口為上游段，長430 km；寶雞峽至咸陽鐵橋?yàn)橹杏味?，長177 km，咸陽至潼關(guān)河口為下游段，長211 km。上游段河道狹窄，川峽相間，水流急湍，平均比降1/260；中游段河床寬淺，沙洲較多，水流分散，為游蕩性河床，比降由1/500變緩到1/1 500；下游段河道蜿蜒曲折，單股無汊，受河床淤積及三門峽水庫回水影響，河床比降由1/5 000漸變?yōu)?/6 000。渭河上游段水流湍急，且泥沙含量大，在豐水期沖刷較大，枯水期上游段來水量小，河道易形成淤積。

渭河上游在洪沖枯積的情況下，易形成洪澇災(zāi)害，因此找出中水河槽，確定中水治導(dǎo)線的作用尤為重要。中水即包括了枯水，又由洪水囊括在內(nèi)；在洪水期間，洪峰以中水河槽為中心流向下游；枯水期，中水河槽又約束了上游來水的水流方向。確定中水治導(dǎo)線能更好的穩(wěn)定河勢，控制水流，為治理岸坡，形成平順、天然的生態(tài)岸線提供極大的指導(dǎo)意義。對(duì)武山縣開發(fā)建設(shè)渭河河谷城鎮(zhèn)帶，走城鎮(zhèn)發(fā)展道路具有重要意義。為武山縣建成“河暢、堤固、水清、岸綠、景美”的目標(biāo)提供了巨大的助力。

2 中水治導(dǎo)線劃定原則

(1)治導(dǎo)線布置需要與近遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，協(xié)調(diào)一致；尤其是需要與甘肅省渭河岸線保護(hù)與利用規(guī)劃的相關(guān)規(guī)定和劃界一致。

由于甘肅省渭河岸線保護(hù)與利用規(guī)劃統(tǒng)籌考慮了規(guī)劃范圍內(nèi)岸線資源條件、開發(fā)利用現(xiàn)狀、岸線資源保護(hù)需求、流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等，堅(jiān)持統(tǒng)籌兼顧、科學(xué)布局、保護(hù)優(yōu)先、合理利用、持續(xù)發(fā)展等原則，將岸線劃分為岸線保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、控制利用開發(fā)區(qū)，并提出了各類岸線的管控措施，以規(guī)范岸線的合理使用。岸線功能區(qū)的劃分充分考慮了規(guī)劃范圍內(nèi)的生態(tài)敏感因素，確保在滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)等要求的前提下，妥善處理岸線保護(hù)和利用的關(guān)系，發(fā)揮岸線的多功能屬性，達(dá)到岸線資源的可持續(xù)利用，服務(wù)兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，規(guī)劃內(nèi)容與相關(guān)行業(yè)規(guī)劃及國家戰(zhàn)略規(guī)劃總體是協(xié)調(diào)的，因此，在確定治導(dǎo)線原則上應(yīng)于劃界一致。

根據(jù)甘肅省渭河岸線規(guī)劃，在外緣控制線和臨水控制線之間的帶狀區(qū)域即為岸線，岸線既具有行洪、調(diào)節(jié)水流和維護(hù)河流健康自然生態(tài)功能屬性，同時(shí)在一定情況下，也具有開發(fā)利用價(jià)值的資源功能屬性，任何進(jìn)入外緣控制線以內(nèi)岸線區(qū)域的開發(fā)利用行為都必須符合岸線功能區(qū)劃定的規(guī)定及管理要求，且不得逾越臨水控制線。

(2)在遵循甘肅省渭河岸線規(guī)劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)狀情況確定治導(dǎo)線。甘肅省渭河岸線規(guī)劃相關(guān)規(guī)定，結(jié)合擬定的整治原則和現(xiàn)狀河道存在的問題、地形條件及穩(wěn)定河寬等因素，在不影響河勢和支溝行洪的情況下，治導(dǎo)線應(yīng)盡量靠岸邊布置，堤身及護(hù)坡考慮修建在地質(zhì)比較穩(wěn)定的灘岸上，在河道明顯變窄的河段，采取適當(dāng)拓寬河道治理寬度或考慮清除障礙，使上下游河道整治線平順連接。

(3)治導(dǎo)線與河勢流向相適應(yīng)，直線河段堤線盡量與洪水的主流線相平行，彎曲河段采用大彎就勢、小彎取直的原則，保持河段兩岸堤防間距大致相等，堤距應(yīng)大于穩(wěn)定河寬要求，設(shè)置彎道的半徑英語穩(wěn)定河寬彎道半徑，使其水流盡可能平順。堤線力求平順，各堤段平緩連接穩(wěn)定河勢，確保順利的用過設(shè)計(jì)洪水。

3 中水治導(dǎo)線確定

3.1 造床流量的計(jì)算確定

造床流量是中水治導(dǎo)線的重要?jiǎng)澏ㄒ匾罁?jù)，是河道造床過程與多年流量過程的結(jié)合產(chǎn)物，是一種長期的平均效應(yīng)，對(duì)河床形態(tài)起著控制作用。根據(jù)造床流量的相關(guān)研究，計(jì)算造床流量的方法主要為馬卡維也夫法、平攤流量法、洪峰頻率法、寬深比法4種。根據(jù)以上四種方法計(jì)算并分析確定造床流量。

3.1.1 馬卡維也夫法

馬卡維也夫提出的確定造床流量的近似方法, 是基于利用固體流量與兩個(gè)水力參數(shù)關(guān)系的方程式. 其形式可寫為：

G=A·QPm·J

式中：G為固體徑流，QP為某一頻率相應(yīng)流量，J為水面比降，A為系數(shù)；m為QP的指數(shù)。

馬卡維也夫法計(jì)算造床流量采用流量值為日流量系列，考慮到水文現(xiàn)象具有明顯的年周期性, 一般將代表期取為一個(gè)水文年是合理的。本次將馬卡維也夫法中日流量系列更換為具有代表性的平均流量系列，代表期選為1991年。根據(jù)有關(guān)研究渭河m值可采用m=2.45(d/i)2經(jīng)驗(yàn)公式近似表達(dá)。根據(jù)上式計(jì)算得出渭河武山城區(qū)段造床流量Q=267.15 m3/s。

3.1.2 平攤流量法

平灘流量通常指某一斷面的水位與平灘齊平時(shí)通過該斷面的流量，平灘流量值取決于來水來沙條件和斷面的形態(tài)。本文根據(jù)實(shí)測水文站斷面數(shù)據(jù)確定平灘水位，再根據(jù)當(dāng)年水位流量關(guān)系曲線確定平灘水位對(duì)應(yīng)的流量，作為平灘流量。

根據(jù)實(shí)測斷面確定多年平灘水位高程為1 462.15～1 462.98。根據(jù)水位流量關(guān)系曲線求得多年平均流量198.16～552.38 m3/s，取平均值為375.27 m3/s。水位流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 水位～流量關(guān)系曲線

3.1.3 洪峰頻率法

在一些研究及工程設(shè)計(jì)中通常使用2a年一遇洪峰流量來代替造床流量。根據(jù)武山站1954-2015年共62 a實(shí)測年最大洪水資料，加入1904年、1926年歷史洪水，將實(shí)測系列中的最大值1973年洪水提出，作為特大值處理，排位為1973年、1926年、1904年。以最大選樣法，按不連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算，采用矩法估計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線。P-III型洪峰流量頻率曲線見圖2。

圖2 渭河武山站年最大洪峰流量頻率曲線

根據(jù)P-III型洪峰流量頻率曲線查得2 a一遇洪峰流量為600 m3/s。

3.1.4 寬深比法

寬深比法是根據(jù)河道斷面的水面寬度、水深之間的比值，再根據(jù)相應(yīng)的水深高程繪制處B/H～水位散點(diǎn)圖，在 B/H～水位散點(diǎn)圖圖中找出寬深比不斷減小轉(zhuǎn)而迅速回升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從而獲取平灘水位，平灘水位相應(yīng)的流量即為造床流量。

本次依據(jù)武山水文站2018年實(shí)測流量資料，根據(jù)資料中流量、水面寬、平均水深繪制出B/H～水位散點(diǎn)圖，B/H～水位散點(diǎn)圖見圖3。

圖3 B/H～水位散點(diǎn)圖

根據(jù)B/H～水位散點(diǎn)圖，在圖中找出寬深比不斷減小轉(zhuǎn)而迅速回升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從圖中看出轉(zhuǎn)折點(diǎn)水位高程1462左右，1462對(duì)應(yīng)水位為150.18 m3/s。

3.1.5 方法比較及成果選定

以上四種方法其中馬卡維也夫法：考慮比較全面，計(jì)算步驟科學(xué)合理，結(jié)果符合實(shí)際；平攤流量法：方法簡單，原理淺顯易懂；洪峰頻率法：原理淺顯易懂，寬深比法：方法簡單，原理淺顯易懂；但馬卡維也夫法對(duì)水文資料要求嚴(yán)格，以至于難以保持計(jì)算的精度；寬深比法不具有一定的普適性，但寬深比法與平灘流量法兩者互相驗(yàn)證，洪峰頻率法在一些研究及工程設(shè)計(jì)中得到廣泛使用。

綜合分析上述計(jì)算結(jié)果，馬卡維也夫法計(jì)算造床流量為267.15 m3/s，平灘流量法計(jì)算造床流量為375.27 m3/s，洪峰頻率法計(jì)算造床流量為600 m3/s，寬深比法計(jì)算造床流量為150.18 m3/s。由于缺少武山水文站長系列實(shí)測日徑流量，馬卡維也夫法計(jì)算結(jié)果存在偏差；平灘流量法與寬深比法兩者互相印證，但兩者差值較大，考慮到汛期河道中存在一定的沖積物會(huì)影響B(tài)/H的數(shù)值，故本文不采用平灘流量法及寬深比法。洪峰頻率法取2 a一遇洪峰流量做為造床流量，已經(jīng)在一些工程及研究中得到驗(yàn)證，本文將采用洪峰頻率法計(jì)算結(jié)果作為本次的造床流量。

3.2 水面線計(jì)算

依據(jù)渭河武山城區(qū)段實(shí)測地形圖，在渭河武山城區(qū)段共布設(shè)75個(gè)水文斷面，斷面平均間距為100 m?；究煽刂圃摵佣蔚暮拥佬螒B(tài)，也可滿足本次水面線推求的要求。再根據(jù)洪峰頻率法計(jì)算出頻率為2 a一遇的洪峰流量，依據(jù)2 a一遇的洪峰流量Q=600 m3/s對(duì)渭河城區(qū)段天然水面線進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 河道糙率擬定

河道糙率根據(jù)河床組成主要為礫石、垃圾和兩岸的茂密植被，以及堤防護(hù)岸的廢棄材料等情況，并結(jié)合武山縣境內(nèi)渭河其他段工程的資料確定主河槽糙率為0.026。河道綜合槽糙率為0.032。

3.2.2 起始斷面水位

起始斷面水位采用該段末端水文斷面作為本次起始斷面數(shù)據(jù)。起始斷面處起始水位為1 429.60 m。

3.2.3 水面線推求

依據(jù)擬定的堤距、確定的河段糙率、控制斷面的水位和實(shí)測的橫斷面資料，天然狀態(tài)以斷面1為起始斷面從下游向上游逐斷面推求洪水位。

表1 2a一遇洪水水面線計(jì)算成果表

水面線計(jì)算采用天然河道恒定非均勻流能量方程，依據(jù)河道縱橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Z2為下游斷面水位高程；Z1為上游斷面水位高程；α為動(dòng)能修正系數(shù)；v為斷面平均流速；J為斷面平均水力坡度；K為斷面流量模數(shù)；R為水力半徑；X為濕周；ξ為局部水頭損失系數(shù)；n為糙率；A為斷面面積；Q為流量；△S為上下游相鄰兩斷面間距。按上式由下游向上游逐斷面推算，可得出各斷面的設(shè)計(jì)洪水位。水面線計(jì)算結(jié)果見表1。

3.3 中水治導(dǎo)線確定及布置

根據(jù)渭河武山城區(qū)段水文斷面推算出2 a一遇天然水面線，根據(jù)2 a一遇天然水面線成果表，2 a一遇洪水水面寬度為79.35～198.16 m，平均水面寬度為136 m。故本次確定中水治導(dǎo)線寬度為136 m。

4 結(jié)語

根據(jù)對(duì)渭河武山段中水治導(dǎo)線的分析計(jì)算，得出確定中水治導(dǎo)線首先需確定合理的造床流量，據(jù)此確定中水治導(dǎo)線寬度及高程。結(jié)合中水治導(dǎo)線布置原則確定其平順段與圓弧段，并在地形圖中得以體現(xiàn)。中水治導(dǎo)線的劃定對(duì)于河道治理具有重要的意義，是控制河勢發(fā)展、穩(wěn)定灘槽的主要措施、并為防洪規(guī)劃中的河道整治項(xiàng)目實(shí)施提供了重要依據(jù)。為武山縣建成“河暢、堤固、水清、岸綠、景美”的目標(biāo)提供助力。