洪水治導線研究與應用

李國棟

（山西省水利發展中心，山西 太原 030002）

1 引 言

治導線就是為穩定河勢而在河道兩岸布設整治工程所規劃的水邊線，也稱整治線。治導線規劃是河流保護治理和岸線功能維護管理的重要依據。國家頒布的《河道整治設計規范》（GB 50707—2011）對治導線有明確的規定和要求［1］。

關于治導線的研究及應用較多，研究區域集中在黃河、長江、珠江等江河。2000 年以前對治導線的研究較少，韓曾萃等［2］對錢塘江尖山河段治導線進行了初步研究，劉上煊［3］對長江口治導線規劃的原則、布置以及產生的效益進行了研究，韓西軍等［4］運用數學模型對海河口的治導線規劃方案進行了研究，黃希敏等［5］對珠海—澳門附近水域的治導線平面布置進行了研究。

2000 年以后對治導線的研究逐漸增多。熊執中［6］對景東川河治導線整治方案進行了研究，張翠萍等［7］對渭河下游河道整治治導線進行了研究，王愷忱等［8］以桃花峪—花園口河段為例對黃河下游治導線規劃進行了討論，吳小明等［9］、范錦春［10］對珠江河口治導線規劃進行了研究，黎開志等［11］對珠江磨刀門橫洲外治導線方案進行了研究，毛桂囡等［12］利用遙感技術對江蘇入海河道河口治導線進行了研究，韓曾萃等［13］對錢塘江河口治導線設計進行了探索，侯瑋［14］分析了御河干流河道洪水治導線，馬良等［15］對多沙河流治導線流路方程進行了研究，王麗麗［16］對區域中小河系防洪治導線規劃進行了初步研究。

這些研究成果為江河、河口治理提供了參考依據，對保障灘岸穩定、區域防洪安全具有重要作用，但這些研究成果及應用多集中在中水治導線或枯水治導線方面，對洪水治導線的研究較少。已有文獻中，侯瑋［14］分析了御河干流河道洪水治導線，給出了洪水治導線規劃思路和分段的洪水治導線成果，但缺少普適性指導。本研究針對洪水治導線布設原則進行探討，提出關鍵控制參數，以清漳河為例進行詳細分析計算和成果應用，以期為江河洪水治導線研究提供參考，為清漳河保護治理提供技術支撐。

2 治導線布設原則與控制參數研究

2.1 布設原則

現行河道整治設計規范［1］中，主要對中水治導線和枯水治導線布設進行了明確要求，如要求中水治導線根據整治的目的，因勢利導，充分利用已有整治工程、河道天然節點和抗沖性較強的河岸，使上、下游平順連接，左右岸應兼顧，協調各有關部門對河道整治的要求。對于洪水治導線，提出要根據設計泄洪流量來制定，有堤防的河段，應將堤線作為洪水治導線；沒有堤防的河段，沒有給出明確說法。侯瑋［14］提出洪水治導線的布置應盡量保留河道的自然形態，盡可能保留或恢復濕地、沙洲、河灣、急流、淺灘、深潭，不任意截彎取直，不任意改變河道岸線，盡量不填堵、縮窄河道，盡量維持河道原有的自然岸線?？梢钥闯?，布設洪水治導線的目的不同于中水和枯水治導線，應更多考慮保留足夠的河流空間，維護河流行洪、生態功能。洪水治導線布設應根據河道水沙條件、河床沖淤演變規律，并結合河床地形地貌地質等特點，科學合理布設。結合有關成果，研究提出如下布設原則。

（1）現狀無堤防河段，洪水治導線原則上以設計洪水位邊界線為控制線進行布設。

（2）已有堤防的河段，洪水治導線原則上以現有堤線為控制線進行布設。

（3）洪水治導線布設應充分利用已建控制性工程及天然節點，同時考慮河流走勢特點，適應不同河型的河勢變化。

（4）洪水治導線應各段平順連接，不應采用折線或急彎。

2.2 控制參數

治導線寬度是治導線規劃設計的控制關鍵［16］，洪水治導線寬度要考慮河道地形、地質條件，水文泥沙特性，河床演變規律，經濟社會長遠發展和防洪保護要求等多方面因素合理確定。目前，對中水治導線寬度和枯水治導線寬度都有較為成熟的分析計算方法［7－8，16］，而洪水治導線寬度尚沒有成熟的分析計算方法。侯瑋［14］提出應根據不同的治導線寬度進行水力學試算，確定合理的洪水治導線方案，要求規劃的洪水治導線在遇相應標準的洪水時，原則上沿線流速不超5 m／s。結合有關成果，研究提出如下控制參數。

（1）單寬流量qb。治導線寬度確定應保證有足夠的泄洪空間，盡量保留原有岸線，可以河道單寬流量為控制參數分析治導線最小控制寬度。單寬流量可結合已建工程設計運行資料，根據當地河流實測洪水流量Q、水面寬度b等資料進行綜合分析確定。

（2）水流流速。適宜的治導線寬度應考慮工程安全，避免河道流速過大導致河床或河岸過度沖刷，應保留足夠寬度，設計防洪標準洪水的斷面流速不宜過大。水流流速要充分考慮當地防洪工程形式、材質及其防沖要求，結合當地河流實測洪水流量與流速關系等，綜合分析確定。

（3）水位升高值。水位升高值是指規劃治導線布設堤防后的斷面水位與自然狀態下的斷面水位相比的升高值。洪水治導線是未來堤防建設的重要依據，洪水治導線窄一些就是未來堤距窄一些，水位升高值增大，新堤建設高度要高一些，工程量就大一些；反之，治導線寬一些，水位升高值減小，新堤建設高度就可以低一些，工程量就小一些。因此，要考慮堤防建設狀況合理確定治導線寬度。

3 案例應用分析

3.1 研究區域概況

清漳河屬海河流域南運河水系，上游由兩大支流匯入，一條是清漳東源，發源于山西省昔陽縣西寨鄉沾嶺山，另一條是清漳西源，發源于和順縣西部八賦嶺，東西兩源在左權縣上交漳村匯合后稱清漳河。清漳河干流經下交漳村入峽谷地段，河道窄而曲折，至九腰會村出峽谷，于黎城縣東崖底鎮下清泉村西南出境流入河北省涉縣，在河北省涉縣合漳村與濁漳河匯合后稱漳河。清漳河河長210 km，流域面積5 335 km2，其中山西境內的流域面積為4 159 km2。

（1）徑流。1956—2019 年清漳河多年平均徑流量為2.62 億m3，徑流的年內分配表現為典型的夏雨型，即徑流量的豐枯特征和降水量對應，徑流集中程度主要取決于雨季持續時間和降水量的集中程度，最大月徑流量多出現在8 月，連續最大4 個月徑流量出現在7—10 月（占全年徑流量的77%）。

（2）泥沙。清漳河泥沙主要由暴雨侵蝕形成。清漳西源和清漳河干流的產沙地類以石山灌叢為主，清漳東源的產沙地類以石山森林為主。清漳河干流劉家莊水文站是重要控制站，1956—2019 年劉家莊站多年平均輸沙量為 593 萬 t，多年平均含沙量為22.7 kg／m3。輸沙量主要來自汛期7—10 月，占全年輸沙量的95%以上。

（3）暴雨洪水。清漳河洪水由暴雨形成，多發生在7—8 月。根據劉家莊水文站實測洪水資料統計，年最大洪峰發生在7—8 月的概率為88.6%，發生在6 月的概率為5.7%，發生在9 月的概率為5.7%。由于暴雨集中，因此洪水往往漲落迅猛，洪水過程線形狀隨暴雨歷時長短、降雨面積大小而異。1963 年8 月1 日海河流域發生了一次全流域性的特大暴雨，連續降雨過程達10 d，清漳河流域形成了有實測資料以來的最大洪水，劉家莊水文站實測最大洪峰流量為5 660 m3／s，遠大于20 a一遇洪峰流量3 330 m3／s，據分析洪水重現期為100～200 a。

3.2 洪水治導線布設原則

清漳河流域涉及晉冀兩省，由岸線管理、水資源利用等問題導致的水事糾紛時有發生。隨著近年來流域防洪治理和生態保護工作的加強，亟須科學合理確定河道治導線、劃清岸線邊界。結合清漳河流域實際情況，以河道行洪安全、防洪安全和生態環境保護為前提，分析清漳河流域洪水治導線布設原則如下。

（1）現狀無堤防河段原則上以設計洪水位邊界線為洪水治導線。清漳河無堤防河段主要包括順直型河段和彎曲型河段。對于順直型河段，治導線應平順布置，與洪水流向基本一致，以利于洪水宣泄，并留出足夠的灘地和泄洪斷面，以安全通過設計洪水為標準；對于彎曲型河段，治導線布置應有利于維護、穩定現有河勢，防止凹岸崩退，順應河道洪水流勢，使河道凹岸防護工程易于布置，避免急彎、小彎，便于必要時釆用防護工程控制凹岸發展，改善不利的彎道流勢形態。

（2）已有堤防且達到規劃防洪標準的河段，原則上以現有堤線為洪水治導線。清漳河干流以往進行了縣城河段和重要鄉鎮河段的河道治理，鄉鎮河段治理的防洪標準一般采用10 a 一遇洪水，左權縣城河段采用50 a一遇洪水，和順縣城河段采用20 a 一遇洪水。因此，考慮現實情況，尊重既有歷史，對已完成治理的河段，堤防達到規劃防洪標準的以既有堤防內邊坡線為洪水治導線；堤防達不到規劃防洪標準的，原則上按無堤防情況規劃洪水治導線，規劃統一采用20 a 一遇洪水設防。

（3）充分利用已建控制性工程及天然節點。對于清漳河河道兩岸有控制性建筑物的河段，如已建成的較高等級道路，包括縣道、省道、高速公路等，路面較寬且有一定高度，具備一定的洪水防御能力，在對河道行洪能力進行復核的情況下，根據道路臨河內沿線規劃洪水治導線。

（4）洪水治導線各段應平順連接。對規劃同一河段的洪水治導線寬度不應突然放大和縮小，不應突然轉折和急彎，應與上下游平順銜接。對局部束水嚴重、泄洪能力明顯小于上下游的窄河段，應通過清除阻水障礙達到規劃要求。

3.3 洪水治導線控制參數

清漳河為山區性河道，以砂卵石河床或砂質河床為主，抗沖能力較強；從河床沖淤變化和歷史演變情況看，自然狀態下河道主槽沖淤和橫向平面變化幅度不大。研究提出洪水治導線寬度控制參數如下。

3.3.1 單寬流量

根據清漳河以往治導線規劃有關工作經驗和已建堤防運行情況，如左權縣鄉村河段，以往規劃提出清漳東源路家莊到入匯口28 km、西源水泥廠到入匯口31 km以及干流38 km 的河道按照防御10 a 一遇洪水的標準，明確了治導線寬度及單寬流量要求：東源、西源寬度原則上不小80 m，干流寬度不小于120 m，控制治導線寬度內的最大單寬流量分別為8.4、6.0、8.7 m2／s。

根據劉家莊水文站實測資料分析自然狀態下河道過流量與單寬流量的關系，見圖1。由圖1 可知，洪水流量為1 000 m3／s 時，單寬流量約為6.2 m2／s；洪水流量為3 000 m3／s時，單寬流量約為17 m2／s?？梢姡瑒⒓仪f斷面過水流量越大，單寬流量越大。清漳東源入匯口、西源入匯口和干流省界處20 a 一遇洪峰流量分別為1 316、1 215、1 404 m3／s，按照流量與單寬流量的關系，自然狀態下的單寬流量分別為8.2、7.6、9.2 m2／s。

圖1 劉家莊洪水流量與斷面單寬流量的關系

綜上分析，考慮河道維持一定的行洪空間，認為清漳河無堤防河段洪水治導線原則上在發生20 a 一遇洪水時單寬流量不大于5 m2／s、在發生50 a 一遇洪水時單寬流量不大于7.5 m2／s，最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊段落可以適當突破，如自然峽谷段、縣城段等），以此為原則計算各河段洪水治導線最小控制寬度。

3.3.2 流 速

根據劉家莊1963 年、1981 年、2016 年等大洪水年份實測流量資料，分析斷面單寬流量與最大流速的關系，見圖2。由圖2 可知，隨著單寬流量的增大，斷面最大流速增大。當單寬流量達到10 m2／s 時，最大流速約為6.3 m／s。根據最大流速與平均流速的關系（見圖3），得到相應的平均流速約為4 m／s。

圖2 水文站斷面單寬流量與最大流速的關系

圖3 水文站斷面平均流速與最大流速的關系

清漳河鄉村河段已建護岸工程多為塊石襯砌。根據鐵道部第三勘測設計院［17］、高冬光等［18］對人工護面渠道容許不沖流速的研究，渠道流量大于10 m3／s時，單層塊石鋪砌護面的容許不沖流速為4 m／s，雙層塊石鋪砌的容許不沖流速為5 m／s，混凝土護面（水流中不含砂和卵石）的容許不沖流速為10 m／s。因此，結合單寬流量要求，從避免工程沖毀角度，提出治導線寬度內平均流速宜控制不超過4 m／s。

3.3.3 水位升高值

結合清漳河以往實際工程經驗，根據規劃治導線布設堤防后的斷面水位與自然狀態下的斷面水位相比的升高值，提出原則上規劃治導線布設后的水位升高值控制不超過0.3 m。

綜上分析，考慮不同頻率洪水流量大小，提出清漳河洪水治導線布設時原則上以20 a 一遇洪水單寬流量不大于5 m2／s、50 a 一遇洪水單寬流量不大于7.5 m2／s、最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊段落可以適當突破，如天然峽谷段、縣城段等）為洪水治導線寬度的主要控制參數，輔以流速、水位升高值對治導線進行約束，平均流速原則上不大于4 m／s，平均水位升高值原則上不超過0.3 m。

3.4 洪水治導線布設成果

根據洪水治導線布設原則和控制參數要求，結合清漳河流域水利工程、地形地貌、人口分布等影響因素，布設了清漳河洪水治導線。布設的治導線可概括為以下幾種類型。

（1）縣城河段。山西省境內清漳河流域主要涉及左權縣、和順縣兩座縣城，考慮城市建設現狀和未來發展情況，將縣城河段的洪水治導線防洪標準確定為50 a一遇（和順縣城已建堤防河段采用20 a 一遇）。已建堤防河段規劃治導線采用兩岸堤防（防洪墻）內沿線作為規劃治導線，未建堤防河段或僅一岸建設堤防河段，根據50 a 一遇洪水水面線，在滿足最小治導線寬度的要求下，考慮對現有人口和重要設施進行保護，盡量利用已建一岸堤防或道路等劃定洪水治導線。

（2）人口密集的鄉村鄉鎮河段。清漳河干流沿河有較多鄉鎮，部分鄉村鄉鎮人口集中分布在河道兩岸，距離河道較近，多數沒有建設堤防，或者已建堤防標準低。將鄉村河段治導線防洪標準規劃為20 a 一遇，多數沿河鄉村鄉鎮的人口密集區不同程度地受到20 a一遇洪水淹沒影響，規劃治導線在滿足最小控制寬度的要求下，盡量考慮對密集人口區進行保護。

（3）其他的一般河段。除了上述兩種類型的河段，其他河段原則上按照設計洪水水面線劃定治導線，在滿足基本河道行洪要求的前提下，盡量利用有一定防御能力的等級道路（清漳河沿河的縣道，路面寬度一般為8 m）或者陡坎劃定治導線。

對規劃治導線布設后的參數變化進行統計，結果見表1?？梢钥闯?，以規劃治導線為約束的水流條件下，在天然峽谷窄河段、縣城局部河段和人口密集鄉村河段受區域現有條件限制或基于防洪保護要求，突破了治導線控制參數要求，其他大多數河段基本滿足控制參數要求，平均單寬流量控制范圍為3.7～5.8 m2／s，平均水位升高值不超過0.3 m，平均流速為2～3 m／s?？傮w說明，規劃治導線控制參數和布設治導線是基本合適的。

表1 治導線布設后參數變化

4 結 語

（1）洪水治導線對于維護河流行洪及生態功能具有重要作用，是河流岸線管控的重要依據。本研究提出了洪水治導線布設原則：現狀無堤防河段原則上以設計洪水位邊界線為控制線，充分利用已建控制性工程及天然節點進行治導線規劃，各段平順連接；已有堤防且達到規劃防洪標準的河段原則上以現有堤線為控制線。同時提出洪水治導線應更多考慮保持足夠的河流空間，以單寬流量、流速、水位升高值為控制參數確定合理的洪水治導線寬度。

（2）以清漳河為例進一步研究了洪水治導線布設控制參數，通過對清漳河水文規律和洪水治導線布設要求的分析，提出了清漳河治導線寬度的主要控制參數，治導線布設時原則上以20 a 一遇洪水單寬流量不大于5 m2／s、50 a 一遇洪水單寬流量不大于7.5 m2／s，最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊河段可以適當突破，如天然峽谷段、縣城段等）為治導線主要控制參數，輔以流速、水位升高值對治導線進行約束，平均流速原則上不大于4 m／s，平均水位升高值原則上不超過0.3 m。

（3）根據研究提出的清漳河洪水治導線布設原則和控制參數要求，結合清漳河流域水利工程、地形地貌、人口分布等影響因素，規劃制定了清漳河洪水治導線，對比了規劃治導線布設前后的參數變化，論證了布設洪水治導線的合理性。研究成果可為清漳河保護治理提供技術支撐。