蘭州新區水阜河上游流域河道淺析

王 磊，毛 力

（蘭州新區水務設計研究院有限公司，甘肅 蘭州新區 730300）

蘭州新區是全國第五個、西北地區第一個國家級新區，位于隴西黃土高原的西北部，是青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交匯地，也是祁連山脈東延之余脈插入隴西盆地的交錯地帶，南北長約73 km，東西寬約32 km，規劃總面積1744 km2，地理坐標為北緯36°17′15″～36°43′29″，東經103°29′22″～103°49′46″［1]。

隨著蘭州新區城市化和工業化進程不斷推進發展，人為擾動的不斷加強，造成水泥固化面積不斷增加，原始行洪河道不斷破壞，下墊面滯蓄洪水能力不斷發生變化，促使新區洪水排泄無“出路”；同時，近年來蘭州新區氣候異常，降雨較大，雨水匯流后形成的季節性洪水時常發生且洪峰流量較大。因此，蘭州新區防洪面臨著嚴峻考驗。

1 流域概況

水阜河是蔡家河的一級支流，黃河的二級支流，全流域集水面積405.63 km2，河道總長約48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔鎮山字墩，依次流經趙家鋪、窩窩井，至水阜鎮的石澇池、而后流經砂崗村、水阜村、燕兒坪、長川村、老鸛村、最后于石洞鎮文山村匯入蔡家河。

水阜河徑流主要由降水補給，枯季主要由地下水補給，年徑流模數從上游向下游遞增。徑流年際變化比較穩定，但年內分配極不均勻，6月～9月的徑流量占全年徑流量的70%以上。

水阜河在地貌單元上屬強烈侵蝕堆積的黃土丘陵區，屬隴西黃土高原的西北部分，黃土覆蓋在起伏較小的白堊系紅層之上，微地貌主要有黃土構造侵蝕中低山區及水阜河谷區兩個地貌區。水阜河谷走向多呈東西向，屬季節性河道，谷底呈“U”字型。流域內植被覆蓋率極低，80%以上的地面呈裸露狀態，水土流失非常嚴重。同時，流域內干旱、霜凍、暴雨等自然災害頻繁。

水阜河支溝較發育，大小支溝約55 條，其中流域面積大于1 km2的支溝共16 條，左岸7 條，右岸9 條。為了保障蘭州新區東南片區工業廠區和組團產業財產安全，保證中水管道蓄納的雨洪匯流至水阜河能順利排泄，研究選取水阜河上游流域趙家鋪至窩窩井6.4 km 行洪河道為研究對象。

2 河道現狀及問題

2.1 河道現狀

2016年在趙家鋪村以南游修建蘭州新區南繞城快速路，橫穿截斷水阜河，路面高出溝底20 余米。水阜河經南繞城快速路截斷后全流域集水面積減為379.53 km2，河道長39.08 km，河床平均比降8.4‰。上游流域山地被推平，雨水匯入市政管網。

2.2 河道存在的問題

（1）現狀河道被耕地、林地、村莊等占用，沒有明顯河槽，一遇洪水沖毀房屋、農田和路基的現象時有發生。

（2）現狀河道比降陡，主河槽寬窄變化大，河道河灣有發展下移趨勢。

（3）河道管理不到位，缺乏專項資金，只修不管，同時河道內存在“亂采、亂挖、亂推、亂倒、亂建”等現象，嚴重影響著河道的防洪能力。

3 河道演變及河相分析

3.1 河道演變

（1）河道形態

水阜河大體由西北流向東南，河道全長約49 km，天然落差400 m，平均比降8‰，河谷寬約50 m～300 m，河床呈寬淺的“U”字型，河道總體彎曲，多處出現“S 型”河彎，部分段較為順直，屬于蜿蜒型河道。

（2）影響因素

水阜河道的演變主要受新構造運動、河道邊界、來水條件等因素的影響。區內新構造運動以間歇性升降為主，全新世以來，地殼下降運動逐漸緩和，河道除繼續下切侵蝕外，水平方向的側蝕有所加強。水阜河岸多為I 級洪積臺地前緣，屬土質岸坡，抗沖刷能力較差，在縱向輸沙基本平衡的條件下，河道泥沙交換以橫向為主，易造成河道水流偏移，也是河道變遷的重要原因。

從來水條件看，水阜河徑流量小，其影響微弱；水阜河多暴雨洪水，雖然作用時間短，但能量大，是影響河勢變化的主要原因之一［2]。若洪水量級較大，則其挾沙能力強，河道以沖刷為主；反之，河道則淤積。河道沖刷一般發生在大洪水過程較短的時間內，而淤積過程則需要較長的時間。同時，水阜河谷較為開闊，給主槽的的蜿蜒彎曲提供了條件。

（3）歷史及近期演變

水阜河谷在水阜村以上較為狹窄，河谷寬度在50 m 以內，自水阜村以下開始變得開闊，河谷寬度在50 m～300 m 之間。河谷地層主要為白堊系紅色砂巖和第四系沖洪積堆積物，地質構造條件較好，經考證及查閱歷史洪水文獻資料，水阜河受山體的限制，河道未發生過改道和變遷情況。同時，依據50年代和80年代1∶5 萬地形圖作平面對照分析，可以看出，水阜河主槽河勢也基本處于穩定狀態，只是局部有河道變窄、大灣變小灣等變化，這主要是受到人為填河造地的影響所致。

（4）演變趨勢

水阜河河床穩定性較差，泥沙平水期也有移動，引起河道變遷的主要原因是河床底蝕和側蝕。水阜河河床質為松散的砂礫石層，河岸為土質岸坡，抗沖刷能力較差，是造成河床側蝕的主要原因。工程區凹岸以側蝕沖刷為主，凸岸以淤積為主，現代河床受人工影響呈蛇曲狀，河床淤積嚴重，影響行洪安全。

3.2 河相分析

（1）造床流量

造床流量按平灘水位法，或直接用年平均流量、日平均最大流量、10%～20%（較大河流）或66.67%（較小河流）頻率的洪峰流量進行對比，最后確定合適的造床流量［3]。根據本次治理河段年平均流量小，枯水期長，洪枯水量相差懸殊，無穩定中水期的特點，選用2 a 一遇洪峰流量作為計算值，為6.07 m3/s。

（2）河道穩定性指標①縱向穩定系數［4]:

式中：Φh為縱向穩定系數；d為床沙平均粒徑，m；J為縱向比降；h為河流平灘水深，m。

穩定系數Φh的大和小，只表示泥沙運動的強和弱，泥沙運動愈強，河床的變化也愈劇烈。穩定系數在實際中可以作為判斷河流泥沙運動強度和沙丘運動引起河床變形強度的依據［5]。Φh值愈大，則泥沙運動愈弱，河床愈不易變形；相反Φh值愈小，則泥沙運動愈強，河床愈易變形［6]。因此，這一系數只能表達河床底部的穩定性，并不能表達河岸的穩定性。

經計算水阜河本次治理段河床縱向穩定系數為0.015，見表1，說明河床泥沙運動相對較強，河床縱向易變形，溝道河床縱向穩定性較差。

表1 水阜河治理段河床縱向穩定計算表

②橫向穩定系數［7]：

式中：Φb為橫向穩定系數；Q為造床流量，m3/s；J為縱向比降；B為相當造床流量的平灘河寬，m。

決定河岸穩定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗沖能力，其次是灘槽高差。研究表明，Φb值越大，河身相對較窄，比降較少，水流平緩歸順，河岸越穩定；反之，Φb值越小，則河岸越不穩定［8]。水阜河本次治理段河道的造床流量為6.07 m3/s、比降為8‰、平灘河寬為11 m，經計算工程區河段河岸的橫向穩定系數為0.59，見表2，說明項目區水阜河岸橫向穩定性較差。

表2 水阜河治理段河道橫向穩定計算表

（3）河相關系

根據河床演變理論，沖積河流通過自動調整作用，作為較長時期的平均情況來說，有可能處于相對平衡狀態，在斷面形態和縱剖面與流量因素之間應該存在某種定量關系，這種定量關系一般稱為河相關系［9]。

用寬深比關系表達［10]：

式中：ξ為河相系數；B為平灘水位時河寬，m；H為平灘水位時水深，m。

研究表明，斷面河相系數越小，河床越穩定，反之則越不穩定，斷面愈寬淺，水流對兩岸側蝕愈強烈［11]。按照項目區河道所選典型斷面造床流量所對應的水面寬及水深計算，得到水阜河治理段典型斷面的河相系數，計算結果見表3。

表3 水阜河治理段造床流量及河相系數表

按照水阜河治理段造床流量所對應的水面寬及平均水深計算，得到水阜河治理段河相系數為7.9，參考甘肅省黃河流域的一些河流，穩定河段的河相系數一般在4.0～10.0 之間，計算所得的河相系數介于穩定河段的河相系數，說明該河段形態較穩定。

4 河道治理

4.1 治理原則

根據研究區現狀及保護范圍，在充分認識河段水性特點、水量變化規律的前提下，依照相關標準，采取護岸與河道治理相結合，護岸與道路相結合，防洪與排洪相結合的方式，完善防洪體系，提高防洪能力，確保工程防護區在設計洪水標準下不受洪水侵害，并在滿足防洪要求的基礎上打造生態水系景觀，促進新區多元功能的集聚。

4.2 治理目標

（1）提高防洪能力通過治理，進一步完善水阜河的防洪工程，形成有效的防洪減災體系，提高河道的過洪能力和對災害的預警能力，更好地保障沿岸群眾的財產和生命安全，解決鎮域發展與防洪減災的突出矛盾。

（2）有效改善生態環境目前，水阜河生態環境狀況較差，垃圾、雜草、淤積等臟亂差的問題嚴重影響著沿線居民的生產生活。通過生態治理，可以大大改善河道周邊的人居環境和區容區貌，改善流域域內的生態環境，促進生態文明的建設。

（3）有效減少水土流失通過永久性工程與臨時工程相結合，全面治理和重點治理相結合，工程措施和植物措施相結合的辦法，建立一個水土保持功能完善、結構合理、效益顯著的水土保持綜合防治體系，從而達到控制減少水土流失，綠化美化環境，促進人與自然的和諧，水土資源的可持續利用和社會經濟可持續發展。

5 結語

水阜河上游河段形態較為穩定，但針對水阜河治理滯后，防洪安全隱患大，縱向、橫向穩定性以及河道形象較差等諸多亟待解決的問題，蘭州新區河道生態治理已不僅是防洪的迫切需要，也是改善生態環境、建設生態文明城市的迫切需要，更是提升景觀和文化品位、改善人居環境和安全的迫切需要。因此在堅持河道治理原則、目標的基礎上，建議蘭州新區水阜河河道生態治理建設盡快落實并實施。