渭河甘肅武山城區段中水治導線確定方法研究

楊元波，劉東莉，牛 盟

(1.陜西瀚泰水利水電勘測設計有限公司，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,干流由西向東流經定西地區渭源、隴西兩縣后,自武山樺林鄉進入天水市轄區,途經武山、甘谷和秦城北道兩區,于北道區東岔鄉牛背村進入陜西省。境內渭河主要支流北有散渡河、葫蘆河、牛頭河、通關河等;南有榜沙河、大南河、藉河等。渭河干流全長818 km,天水市境內河長269 km, 武山縣境內長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；寶雞峽至咸陽鐵橋為中游段，長177 km，咸陽至潼關河口為下游段，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漸變為1/6 000。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，易形成洪澇災害，因此找出中水河槽，確定中水治導線的作用尤為重要。中水即包括了枯水，又由洪水囊括在內；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。確定中水治導線能更好的穩定河勢，控制水流，為治理岸坡，形成平順、天然的生態岸線提供極大的指導意義。對武山縣開發建設渭河河谷城鎮帶，走城鎮發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”的目標提供了巨大的助力。

2 中水治導線劃定原則

(1)治導線布置需要與近遠期發展規劃相結合，協調一致；尤其是需要與甘肅省渭河岸線保護與利用規劃的相關規定和劃界一致。

由于甘肅省渭河岸線保護與利用規劃統籌考慮了規劃范圍內岸線資源條件、開發利用現狀、岸線資源保護需求、流域社會經濟發展需求等，堅持統籌兼顧、科學布局、保護優先、合理利用、持續發展等原則，將岸線劃分為岸線保護區、保留區、控制利用開發區，并提出了各類岸線的管控措施，以規范岸線的合理使用。岸線功能區的劃分充分考慮了規劃范圍內的生態敏感因素，確保在滿足生態環境保護等要求的前提下，妥善處理岸線保護和利用的關系，發揮岸線的多功能屬性，達到岸線資源的可持續利用，服務兩岸社會經濟發展目標，規劃內容與相關行業規劃及國家戰略規劃總體是協調的，因此，在確定治導線原則上應于劃界一致。

根據甘肅省渭河岸線規劃，在外緣控制線和臨水控制線之間的帶狀區域即為岸線，岸線既具有行洪、調節水流和維護河流健康自然生態功能屬性，同時在一定情況下，也具有開發利用價值的資源功能屬性，任何進入外緣控制線以內岸線區域的開發利用行為都必須符合岸線功能區劃定的規定及管理要求，且不得逾越臨水控制線。

(2)在遵循甘肅省渭河岸線規劃的基礎上，結合現狀情況確定治導線。甘肅省渭河岸線規劃相關規定，結合擬定的整治原則和現狀河道存在的問題、地形條件及穩定河寬等因素，在不影響河勢和支溝行洪的情況下，治導線應盡量靠岸邊布置，堤身及護坡考慮修建在地質比較穩定的灘岸上，在河道明顯變窄的河段，采取適當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)治導線與河勢流向相適應，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，堤距應大于穩定河寬要求，設置彎道的半徑英語穩定河寬彎道半徑，使其水流盡可能平順。堤線力求平順，各堤段平緩連接穩定河勢，確保順利的用過設計洪水。

3 中水治導線確定

3.1 造床流量的計算確定

造床流量是中水治導線的重要劃定要素依據，是河道造床過程與多年流量過程的結合產物，是一種長期的平均效應，對河床形態起著控制作用。根據造床流量的相關研究，計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。根據以上四種方法計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水力參數關系的方程式. 其形式可寫為：

G=A·QPm·J

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

馬卡維也夫法計算造床流量采用流量值為日流量系列，考慮到水文現象具有明顯的年周期性, 一般將代表期取為一個水文年是合理的。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。根據有關研究渭河m值可采用m=2.45(d/i)2經驗公式近似表達。根據上式計算得出渭河武山城區段造床流量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。本文根據實測水文站斷面數據確定平灘水位，再根據當年水位流量關系曲線確定平灘水位對應的流量，作為平灘流量。

根據實測斷面確定多年平灘水位高程為1 462.15～1 462.98。根據水位流量關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。水位流量關系曲線見圖1。

圖1 水位～流量關系曲線

3.1.3 洪峰頻率法

在一些研究及工程設計中通常使用2a年一遇洪峰流量來代替造床流量。根據武山站1954-2015年共62 a實測年最大洪水資料，加入1904年、1926年歷史洪水，將實測系列中的最大值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，按不連序系列進行頻率計算，采用矩法估計參數，采用P-Ⅲ型曲線進行適線。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

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

本次依據武山水文站2018年實測流量資料，根據資料中流量、水面寬、平均水深繪制出B/H～水位散點圖，B/H～水位散點圖見圖3。

圖3 B/H～水位散點圖

根據B/H～水位散點圖，在圖中找出寬深比不斷減小轉而迅速回升的轉折點，從圖中看出轉折點水位高程1462左右，1462對應水位為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，計算步驟科學合理，結果符合實際；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；但馬卡維也夫法對水文資料要求嚴格，以至于難以保持計算的精度；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證，洪峰頻率法在一些研究及工程設計中得到廣泛使用。

綜合分析上述計算結果，馬卡維也夫法計算造床流量為267.15 m3/s，平灘流量法計算造床流量為375.27 m3/s，洪峰頻率法計算造床流量為600 m3/s，寬深比法計算造床流量為150.18 m3/s。由于缺少武山水文站長系列實測日徑流量，馬卡維也夫法計算結果存在偏差；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影響B/H的數值，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，已經在一些工程及研究中得到驗證，本文將采用洪峰頻率法計算結果作為本次的造床流量。

3.2 水面線計算

依據渭河武山城區段實測地形圖，在渭河武山城區段共布設75個水文斷面，斷面平均間距為100 m。基本可控制該河段的河道形態，也可滿足本次水面線推求的要求。再根據洪峰頻率法計算出頻率為2 a一遇的洪峰流量，依據2 a一遇的洪峰流量Q=600 m3/s對渭河城區段天然水面線進行計算。

3.2.1 河道糙率擬定

河道糙率根據河床組成主要為礫石、垃圾和兩岸的茂密植被，以及堤防護岸的廢棄材料等情況，并結合武山縣境內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據。起始斷面處起始水位為1 429.60 m。

3.2.3 水面線推求

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

表1 2a一遇洪水水面線計算成果表

水面線計算采用天然河道恒定非均勻流能量方程，依據河道縱橫斷面數據進行計算，計算公式為：

式中：Z2為下游斷面水位高程；Z1為上游斷面水位高程；α為動能修正系數；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；R為水力半徑；X為濕周；ξ為局部水頭損失系數；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，可得出各斷面的設計洪水位。水面線計算結果見表1。

3.3 中水治導線確定及布置

根據渭河武山城區段水文斷面推算出2 a一遇天然水面線，根據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線寬度為136 m。

4 結語

根據對渭河武山段中水治導線的分析計算，得出確定中水治導線首先需確定合理的造床流量，據此確定中水治導線寬度及高程。結合中水治導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。中水治導線的劃定對于河道治理具有重要的意義，是控制河勢發展、穩定灘槽的主要措施、并為防洪規劃中的河道整治項目實施提供了重要依據。為武山縣建成“河暢、堤固、水清、岸綠、景美”的目標提供助力。