城市內河行洪方案探討

范鐘軼，朱殿芳，李 果，郭志學

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.成都市政工程設計研究院，四川 成都 610065)

1 概述

城市內河對城市用水、排污、防洪、綠化等都有著重要的影響[1]，隨著城市建設步伐加快，城市人口迅速增加，城區用地越來越緊張，大量的居民樓、生產作坊建立在河道兩岸，嚴重侵占河道有效行洪面積，河道越來越窄，削弱了城市內河的防洪功能，洪澇災害時有發生。在一些城區，這類現象尤為明顯，城區河道的改造，是許多城區的重點建設項目。不少學者以實際工程為例，針對城市內河提出了一些解決思路。

李新芝等提出通過對護岸、護坡的整治和優化，以此來增大主槽的過流能力[2- 5]。繆大宏等指出城區河道現狀存在的主要問題是防洪范圍小、標準低、局部地區洪澇問題突出，建議從河道總體布局上著手，對堤線進行合理地布置，提高河道的防洪標準，加強河道的監督管理工作[6- 8]。以上學者從不同角度入手提出了城市河道改造的方法，主旨都是以拓寬河道來實現防洪能力的提高，但是兩岸建筑物占用河道過流面積的情況已經很嚴重，如果拓寬河道，會產生兩岸大量的拆遷工作，工程量大且對河道兩岸居民造成較大的困擾。本文針對這種情況，提出了通過改變河床比降、調整河道縱坡來提高河道防洪標準的辦法。

2 行洪方案調整思路

河道改造設計一般都以拓寬河道為主，以滿足河道防洪標準。但很多城市河道因兩岸居民房屋、生產作坊、綠化景觀等現實問題，往往導致河道無法按照規劃寬度形成。針對城區河道改造面臨的這些問題，在上、下游河道已經改造完成，上游來流量、控制水位和下游河床高程已經確定，且河道寬度受限的情況下，提出行洪方案的調整思路。

限定一定范圍內的不同河道寬度，通過調整河床比降J可以得到不同的水面線。調整方案中束窄的河寬B與河床比降J的變化將會引起工程范圍內某一斷面的水深變化Δh，同時河床比降的調整會導致河床高程的變化ΔH。首先要保證調整方案中工程對上游已改造河段不造成壅水影響，需滿足入口控制斷面水位變化值Δh小于等于比降調整后河床高程變化值ΔH，水面線與上游段出口斷面水位平順，即滿足：Δhi-ΔHi∝0。其次要保證河道河堤堤頂超高不低于防洪規劃要求，即擬改造河段考慮河道束窄、比降調緩影響后的水位高度不超過河堤安全超高要求。

縮窄河寬、增加槽深有利于增加河道的排洪能力。城市內河整治中，除了應滿足防洪要求，還需要考慮工程量與工程投資等限制因素，城區河道整改投資主要涉及河道開挖、堤防重建、建筑拆遷、綠化恢復、清淤維護等方面。河道清淤是城市內河治理內容與其它河流的重要區別之一。城市內河的設計管理中需要考慮設計方案對后期清淤工程的影響。河床比降調整同時會引起河床沖淤變化，泥沙在河道淤積會導致河床比降進一步變緩，增加水位壅高，既不利于行洪安全，也給河道清淤增加了投資。在滿足行洪要求的同時，通過縮窄河寬，提高河道輸沙能力，使河道在定期清淤的情況下，河床比降能長期保持穩定。計算河道淤積的方法主要有斷面法和輸沙率法兩種方法，通過對比河道平均淤積變化，可以選擇安全經濟的調整方案[9- 10]。

3 錦江城區河道整治方案

3.1 概況

河段位于四川省成都市世紀城下游天府新區核心地段，北起錦江排洪總出口三期工程(天府大道)，南至牧華路，總長約9.6km。起點樁號K00+00至樁號K60+00，規劃河道堤頂頂寬為116m；樁號K60+00至樁號K83+00，規劃堤頂頂寬120m；樁號K83+00至工程末端K96+00規劃頂寬170m。河段上、下游河道已經按規劃實施了改造，預留河段比降0.8‰。

在規劃的河道寬度下，工程能夠達到200年一遇防洪要求，河勢也比較穩定。但從起點樁號K00+00至樁號K60+00，現狀條件下堤頂兩側遍布居民樓、工廠和生產作坊，按規劃岸頂寬116m實施，拆遷量巨大，實施難度較大。從實地調查情況來看，這一河段現狀堤頂寬度僅90m，若河道按規劃縱坡實施，河段兩側堤防高度普遍超過規劃條件下的河堤高度，平均都在8.5～9.0m高(規劃河堤高度僅6.6m左右)。本文根據這一情況對規劃方案進行了調整，使河道寬度在小于規劃寬度的條件下能達到200年一遇洪水防洪要求，且不對上游產生壅水影響。

3.2 計算原理

本文采用一維恒定流數學模型進行計算。計算范圍為樁號K00+00～K93+00，根據河段斷面形式及河床比降變化，按河道中線100m間隔布設斷面，河段平面劃分示意如圖1所示。

圖1 河段斷面劃分示意圖

恒定流能量方程為：

(1)

式中，Z1、Z2—河道底高程；Y1、Y2為斷面水深；V1、V2—斷面平均流速；α1、α2—動能修正系數；g—重力加速度；he—水頭損失；L—斷面平均距離；Sf—兩斷面間沿程水頭損失坡度；C—收縮或擴散損失系數。

恒定流動量方程為：

(2)

式中，A1、A2—斷面1和斷面2的過水面積；y1、y2—斷面1和斷面2水面至形心的距離；Lx—斷面1至斷面2距離沿X軸方向的分量；S0—河底比降；β1、β2—動量修正系數。

3.3 邊界條件

河段位于華陽水位站與正興水文站之間，根據水文分析成果，工程區段內沿程流量差異較小，為了安全，統一以出口控制斷面洪水流量進行水面線推求計算。其中樁號K83+00斷面江安河入匯，由此確定的流量條件為：工程起點K00+00～K83+00河段200年一遇洪水流量為1900m3/s，K83+00～K96+00河段200年一遇洪水流量為2600m3/s。根據上游錦江總出口三期工程方案，要求其出口(本工程河段起點)斷面河床高程為473.11m，出口斷面接已完成整治的錦江一代工程，河床高程預留為465.45m。

3.4 方案分析

本文擬采用不同河道寬度與不同河床比降組合的方式，綜合分析河道寬度和河床比降調整對水位和流速的影響，找到城區狹窄河道改造優化方案。根據初始條件，控制末端河床高程不變(465.45m)，對上游進行河寬和比降調整，對比規劃方案。由于本文方案的比降普遍較小，因此在進口樁號K00+00處設一處集中跌水，與上游河床進行順接。

各方案在200年一遇洪水流量下，進口控制斷面處水位變化情況見表1。對比原規劃方案，本文各方案中河床比降不變或減小，進口斷面水位與原規劃方案水位相比，表中水位差為正值即表示方案水位比進口水位高，即對錦江總出口三期造成壅水影響，表中水位差數據為負值表示方案水位比進口水位低。

表1 調整方案對比表

注：表中水位的變化情況均是基于上游河道按規劃條件形成后的水位。進口水位變化=本方案水位-進口水位

河寬一定時，河床比降越小，則進口水位越低，對上游壅水影響越小；河床比降一定時，河寬越寬進水口水位越低。方案一、二、三對河段上游壅水影響更小，對上游無壅水不利影響，可作為整治方案的比較方案進行后續計算對比。河床比降減小時，可能導致明顯的水跌，為保證上下游水位的平順連接，本文從中選取了方案一、二、三進行分析比較，各方案斷面設計詳見表1。

3.5 水位對比

工程區間兩岸地面坡降遠小于規劃河床比降，為采取調緩比降增加河堤高度置換河道寬度不足的負面影響創造了條件。根據行洪方案調整思路，調整方案中河段各斷面處堤頂超高滿足規范要求，進口控制斷面水位等于或略低于規劃水位，工程區間水位即均可滿足行洪安全要求。

各方案200年一遇洪水情況下的水面線如圖2所示。按照成都市防洪要求，錦江堤頂超高應不低于1m，規劃方案與本文提出的3種方案總體上均滿足200年一遇洪水防洪要求，僅局部點位因現狀河堤破損、垮塌導致安全超高略有不足，如樁號K31+00處左岸，后期河道實施時河堤重建后，可滿足安全超高要求。

由于河寬束窄，是以各調整方案工程河段洪水位均高于規劃方案洪水位，樁號K60+00處由于河道斷面展寬，水位降低；下游河段各調整方案基本能按照規劃寬度進行實施，水面線與規劃水面線基本齊平，能與下游已建河段水面線平順連接。

3.6 流速對比

圖2對本文方案與規劃方案的沿程流速進行了對比分析。由于本文各方案樁號K00+00～K60+00河段的河道寬度和河床比降比規劃方案減小，總體上呈現因河道束窄導致沿程流速增大，在樁號K60+00斷面流速達到最大；樁號K60+00處河道展寬后流速迅速減小，之后流速趨于平緩。

方案一中樁號K00+00～K60+00河段河寬B1=80m，小于同河段其余方案的河寬，所以雖然方案一比降更平緩，但是水位和流速卻是3種方案中增加最明顯的。方案二流速在河段入口處明顯大于其他方案，但流速沿程變化在調整方案中最為平緩，對河床和堤角的沖刷影響更小。方案三與規劃方案相比，樁號K60+00～K96+00河段水位和流速變化最小，對下游河段河勢影響最小。各調整方案最大壅水位置出現在K60+00處，綜合整個河段流速變化，方案二、方案三對流速和河勢影響更小。

3.7 淤積對比

河道河床比降減小，原則上會導致水流挾沙能力減小，泥沙可能會在河道中淤積下來。但是由于河道寬度受到居民住房和綠化等限制，本文方案在調整比降同時束窄河寬，樁號K00+00～K60+00河段流速增大，K60+00～K96+00河段流速略有減小，局部河段流速增加，挾沙能力增強。本文擬采用輸沙率法估算河道淤積，圖3中顯示了張紅武挾沙力公式[11]計算的沿程挾沙力變化和沙莫夫公式計算的沿程起動粒徑變化。

圖2 各方案水面線與流速

圖3 沿程淤積計算

可以看出各方案挾沙能力變化趨勢與流速變化趨勢一致，上游河段挾沙能力逐漸增加，下游展寬河段挾沙能力減小，由此導致上游河段河床淤積減弱和下游河段河床淤積增加。方案二挾沙力與起動粒徑沿程變化較小，與其他方案相比顯現出差異。由于方案二樁號K00+00～K60+00段的設計河寬較寬，同時河段河床比降較大，受河寬與河床比降綜合影響，造床流量(小流量)下沿程流速波動較小，河道沿程輸沙能力波動也較小。輸沙能力的增大可以減小河段淤積對河床比降的調整影響，更有利于河道穩定和行洪安全，是城市內河治理追求的方向。

表2根據輸沙率法計算河道淤積，多年平均流量選用造床流量。與規劃方案相比，本文方案河道淤積情況與流速變化一致，樁號K00+00～K60+00河段泥沙淤積有所減少，K60+00～K96+00河段泥沙淤積略有增加。河段改造河床形態簡單，計算結果的誤差相對較小。本文方案均不會額外增加河道清淤的投資。

表2 河道淤積計算表

4 結論

本文從城市內河道治理現狀出發，分析了城區河道治理的影響因素，提出了在有限的空間范圍內，優化河道設計方案。

(1)通過調整河道寬度和河床比降，達到水面線與上下游水面平順銜接的效果。本文提出的提高河道行洪能力的方法，可為類似問題提供參考。

(2)傳統意義上認為減小河道比降，通常會導致床面淤積嚴重，本文提出了河道寬度變化與比降減小進行組合的方案，可提高河道行洪能力且不會加劇床面泥沙淤積。