黑河干流防洪治理工程堤防水面線推求

陳 鵬

（甘肅省水利廳水利工程建設造價與規費管理中心，甘肅 蘭州 730030）

水面線推求是防洪治理工程堤防設計的重要基礎工作，是確定堤頂高程的直接依據。若推求值偏高，則會造成工程量增大，工程造價越高，投資財力浪費；若推求值偏低，則會造成設計標準內洪水漫頂，給兩岸保護對象帶來不可避免的災害損失。因此，需在收集大量水文資料的基礎上，分析區域洪水特性，結合現場洪痕調查結果，依據現行行業規范，對治理河段進行水面線推求，為防洪工程設計提供科學依據。黑河干流高臺段防洪治理工程，采用明渠恒定非均勻流能量方程進行治理河段水面線推求。

1 工程概況

黑河是我國西北地區第二大內陸河，發源于青海省祁連山北麓，干流全長928 km，流域面積約11.6萬km2。其中鶯落峽以上為上游，流域面積1.0萬km2，河道長313 km，是黑河流域的產流區；鶯落峽至正義峽為中游，流域面積2.56萬km2，河道長204 km，是黑河徑流的主要利用區；正義峽以下為下游，流域面積8.04萬km2，河道長411 km，是黑河流域的徑流消失區。此次選取黑河干流高臺縣西腰墩水庫至劉家深湖水庫段防洪治理工程為推求河段，樁號黑高21+350～黑高41+500，全長20.15 km，與上游高崖水文站的相距77.4 km，與下游正義峽水文站相距50.6 km。工程區現狀河寬約347.0 m～902.0 m，河床寬淺、多灘，下切深度0.3 m～1.6 m，兩岸為一級階地，高出河岸，階面平坦開闊，部分已墾為耕地。目前，兩岸大多利用岸邊自然土坎擋水，岸坡沖刷淘蝕嚴重，部分已經坍塌。治理段范圍內河道引取水口較多，分流部分河道水量，并伴隨農業灌溉、地表水和地下水之間往復循環，以及河道自身洪量損失，導致中游以下隨流域面積增加，洪峰流量反而減小。

2 設計洪水計算

根據黑河鶯落峽、高崖、正義峽三站（1909年）1940年、1942年、1944年～2009年共68年系列洪水加歷史最大洪水組成的不連序系列，通過頻率分析計算，10年一遇的洪峰流量分別是1050 m3/s、959 m3/s和849 m3/s。本次治理段范圍內引水口門較多，分流部分河道流量，因此，設計洪峰流量需分段考慮；且由于治理段位于高崖與正義峽站之間，故設計洪峰流量可采用高崖和正義峽站設計洪峰流量按河長插補計算，建立設計洪峰流量與河長關系線，見圖1。設計洪峰流量采用相應引水口門處推求計算成果，得10年一遇設計洪峰流量為875 m3/s～869 m3/s，見表 1。

圖1 不同頻率洪峰流量～河長關系曲線

表1 治理段設計洪水成果表 單位:m3/s

黑河鶯落峽至正義峽區間為徑流利用區，區間產流小，僅有梨園河一小部分洪水匯入，但受河道滲漏、灌溉引水等因素影響，洪量總體逐漸衰減。一般情況下，洪峰流量由上游向下游遞增，CV值隨面積增加而減小，但依據鶯落峽、高崖、正義峽三站站洪水成果及觀測資料分析，黑河自出山口鶯落峽站以下，進入徑流消耗區，洪峰流量由上游向下游反而遞減，是符合實際的、合理的。計算成果與按Qmp～F關系線插補的洪水成果核驗，基本一致。

3 糙率濾定

根據高崖水文站的監測資料，黑河于1980年和1987年先后發生兩次較大規模的洪水，洪峰流量分別為801 m3/s和394 m3/s，洪痕高程分別為1428.73 m和1427.96 m，利用謝才公式和曼寧公式聯立反算河道糙率。

連續方程:

式中:Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；C為謝才系數；R為水力半徑，m；J為水力坡度；n為糙率。

三式聯立，可得:

經計算，得兩次洪痕反推糙率分別為0.036和0.027，見表2。

表2 高崖水文站實測洪水資料

根據上述兩場洪水資料分析，高崖斷面處全斷面平均綜合糙率為0.0315。本次治理河段位于高崖水文站下游約77.4 km左右處，河床質顆粒由粗變細，多為粗砂和中砂，河床寬淺、順直，底坡較均勻，平均比降0.844‰，兩岸均為一級階地，階面上略有雜草、紅柳，且有耕地分布。參照《水力計算手冊》表8-1-4天然河道糙率表，本次治理河段主槽糙率采用0.027，兩側灘地糙率采用0.033。

4 起始斷面選取

起始斷面選取時，需先進行流態判別，對于緩流河道可從上游往下游或從下游往上游推算均可，但對于激流河道必須要從上游往下游推算。將治理后河道斷面理想化為梯形斷面，邊坡系數取1.5，選取黑高22+398斷面為分析斷面，當過水斷面流量為875 m3/s，斷面平均水深為1.8 m，流速為1.53 m/s，根據佛汝德公式:

式中:Fr為佛汝德數；v 為流速，m/s；g 為重力加速度，m2/s；為斷面平均水深，m。

經計算，Fr為0.36，小于1，因此判斷治理段水流流態為緩流，河道水面線既可以從上游至下游推算，也可以從下游至上游推算。

基準斷面的選取應盡量利用橋梁等人工節點，對于無人工節點河道選取天然岸坎卡口為宜，但治理段內僅有的雙豐口門、樂善口門均為近幾年新修口門，除此外沒有其他過水建筑物，因此無法調查到歷史洪水痕跡。設計采用治理段下游羅城跨河渡槽歷史洪水痕跡，按堰流公式計算建立水位流量關系曲線，采用1996年（Q=850 m3/s）及2002年(Q=502 m3/s)實測大洪水和調查洪水痕跡對流量系數進行率定，羅城跨河渡槽平均流量系數（m）為0.335。因此，起始斷面以治理段下游羅城跨河渡槽斷面為準，采用堰流公式計算得到起始水位，按天然河道水面曲線計算，分別取不同流量向上游逐段推算，再根據治理段內實測的25個橫斷面和左右岸各一個縱斷面，可繪制各斷面水位～流量關系曲線。

5 水面線推求

按照實測各河道縱橫斷面成果，分別計算各個斷面不同水位的面積、濕周、水力半徑、平均水深等參數，根據實測河道比降和濾定后的糙率，采用明渠恒定非均勻流能量方程，分段試算，精確推求:

式中:z1、z2為分別為斷面1和斷面 2的水位，m；v1、v2為分別為斷面1和斷面2的平均流速，m/s；Q為設計洪峰流量，m3/s；Δl為斷面1和斷面2的間距，m；k為斷面1和斷面2的平均流量模數（其中K1代表主河槽、K2、K3分別代表左右灘地）；α為流速系數；ξ為河道局部阻力系數。

根據確定的治導線、堤距、實測橫斷面以及河床糙率，當遭遇十年一遇洪水流量Q=875 m3/s～869 m3/s時，可計算得各橫斷面處的水面線高程，見圖2和表3。

表3 治理段十年一遇設計水位成果表

圖2 治理河段距離與水位高程關系曲線

6 結語

（1）黑河干流高臺防洪治理段范圍內河道引取水口較多，分流部分河道水量，并伴隨農業灌溉、地表水和地下水之間往復循環，以及河道自身洪量損失，導致中下游隨流域面積增加，洪峰流量反而減小，符合實際規律。

（2）堤防工程設計水面線的計算重點是要依據調查洪痕，結合水文監測資料，運用謝才公式和曼寧公式聯立對河道糙率進行濾定，以求水位高程計算結果更加精確。

（3）水面線推求起始斷面選取時，需先進行流態判別，對于緩流河道可從上游往下游或從下游往上游推算均可，但對于急流河道必須要從上游往下游推算，應盡量利用橋梁等人工節點，對于無人工節點河道選取天然岸坎卡口為宜。

（4）通過對黑河干流選定河段水面線計算過程的分析研究，可對后續類似防洪治理工程設計提供借鑒和參考。