城市河道渠化方案探讨-以兰州市黄河段为例
摘要：以兰州市为例研究黄河兰州段河道渠化整治方案与泄洪等的关系。在对河道地形、河相关系、造床流量及河床演变分析的基础上，提出了切实可行的整治宽度240m、泄洪宽度300m及相关建议，并进行了物理模型试验和数值，实验与计算基本吻合。该方案的实施不但可满足泄洪的要求而且并未引起水位、流速及河床断面地形较大幅度的变化。
关键词：河道整治 整治宽度 泄洪宽度 物理试验
1 河道概况
黄河兰州段位于兰州带状盆地，呈东西走向，西起西柳沟，东至桑园峡，全长44.84km。全河段河槽宽窄相间，河宽变化较大，窄处仅120m，宽处可达600～700m（含江心洲）。河床基本上由砂卵石组成，且多卵石边滩及江心洲。主泓在一定范围内摆动，河段洪枯水位变幅不大。洪水期河岸时有冲刷，水面比降0.9～1.3‰。河段枯水流量540m3/s,造床流量3000m3/s,百年一遇流量6500m3/s，1981年实测的最大流量5600m3/s。河床糙率为0.032，河岸糙率为0.030～0.35，滩地糙率为0.045，中水情况下综合糙率为0.035。
黄河铁桥下游210m处为兰州水文站，自1935年建站以来积累了较长的实测资料。1981年黄河兰州段出现了5600m3/s的洪水，当年沿兰州市44.84km的黄河段布设了27个水文大断面，测量了水位，并推算了若干流量级水面线。
本河段历年演变特征是：年内具有涨水期淤积，退汛期冲刷的特征。随着年际和年内流量分配的不同，浅滩河段河床有着相应的变化。年际间具有枯水年淤积，丰水年冲刷的特征。由此可见本河段水流输沙能力强，其河床形态、输沙条件具有山区河流的属性。根据河床中边滩及沙洲取样分析，河床以卵石为主(河床泥沙级配见表1)，可见上游来沙仍以悬移质形式被带往下游。
表1 河床泥沙级配资料
Graded material of bed sediment composition
项目 | d95(mm) | d75(mm) | d50(mm) | d25(mm) | dcp(mm) | Kf | γS(t/m3) |
粒径 | 170 | 65 | 26.5 | 5.4 | 46.3 | 3.47 | 2.74 |
2 整治线及整治方案
2.1 整治线确定的一般原则
进行河道整治需解决的关键问题是河道整治宽度及整治堤线的合理布置。相应于设计的洪、中、枯水流量，就有三种整治线，而中、枯水整治线较重要，尤以中水整治线最为重要。中水整治线的位置，应根据整治的目的和要求，按照因势利导的原则，从河道演变分析中得出的结论来确定。由于洪水漫滩时滩地水浅流缓，河道的轮廓对河道演变和水流形态影响不大，仅在设计堤防时，根据具体河段及建筑物的要求，对堤线与中水河槽岸边的相关位置作一些考虑即可。
2.2 用河相关系法确定整治线宽度
对本河段的演变规律分析得知河段冲淤基本平衡。为此采用阿尔图宁计算稳定河宽的公式计算。根据相对稳定的弯曲型河段统计所得河宽系数ξ的平均值为1.2[1],求得造床流量下河宽为248～260m,；取ξ为1.0～1.1[2]，求得河宽为218～240m。故河宽240 m可作为中水整治方案。
2.3 优良河段类比法
在市区河段上选取了几个控制断面进行论证。黄河铁桥建于1909年，桥址断面河宽230m，七里河桥建于1958年，桥址断面河宽270m，其下游1.2km(k23+600)处河宽仅200 m，此几处河段均经受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s洪水的考验。盐城黄河大桥建于1979年，桥址处河宽305m，1981年的洪水顺利宣泄。由此认为，河宽300m可作为设计洪水最小堤间距的值。
3 物理模型
3.1 动床试验模型设计
根据黄河兰州段冲积河流属性，河床质以卵石成分为主，河床变形主要是卵石推移质所引起的。故根据水流重力相似、水流阻力相似、水流挟沙相似、河床冲淤变形相似、泥沙起动和扬动相似及河型相似等条件，并利用黄河动床河工模型设计的研究成果进行推移质动床模型设计[3,4]。其基本模型比尺如下
水流重力相似条件 | λV=λ1/2H | (1) |
水流阻力相似条件 | λn=1/λVλ2/3R(λH/λL)1/2 | (2) |
泥沙起动和扬动相似 | λV=λVc=λVf | (3) |
泥沙粒径比尺 | λd=λH/λ5/3γs-γ | (4) |
水流输沙率相似比尺 | λGs=λ*Gs | (5) |
河床冲淤变形相似条件 | λt2=λγoλHλ2L/λGs | (6) |
河型相似条件 | ([(γs/γ-1)D50H]1/3/iB2/3)模型=([(γs-γ/γ)D50H]1/3/iB2/3)原形 | (7) |
式中λL、λH为水平及垂直比尺，λR为水力半径比尺，λn为糙率比尺，λGs、λ*Gs分别为水流输沙及输沙能力比尺，λV、λVc、λVf分别为流速、起动流速及扬动流速比尺，λt2为河床冲淤变形时间比尺,λγo为淤积物干容重比尺，λd为泥沙粒径比尺，λγs -γ为泥沙水下容重比尺，B、V分别为造床流量下的河宽及水深，i为河床比降。
本次试验主要研究渠化及宽度，故在44.84km的范围内全部作成动床。平面比尺选用λL=250, 垂直比尺λH=100。选用宁夏大武口精煤屑作为模型沙，其容重γs=1.40t/m3 ,干容重γγo =0.8t/m3。按照粒径比尺λd选配模型沙。模型试验的含沙量和时间比尺在理论分析的基础上，依据模型水沙系列预备试验加以确定，使泥沙淤积、分布在横向、纵向及时间上与原型基本一致。
3.2 试验方案及结果分析
3.2.1 天然状态
从河道横断面形态可知，当河宽B≤240时，河道断面单一，断面呈“U”型或不对称的“U”型。当河宽B>240m时，河槽形态已开始从单式向复式断面过渡。河宽超过300m的河段，随着河宽的增加，出现了边滩，或在河道中形成沙脊，断面形态呈“W”型，河道中出现河心滩。这说明河宽为300m时处于河中成滩的临界状态。
造床流量下垂线最大平均流速Vm、垂线最大水深hm与河宽的关系不明显(见图1)，从所考查的断面来看，河宽大于240m时均会出现数值相近的值Vm=3.0～3.7m/s，hm=7.0～8.5m。但其断面平均流速随河宽的加大而减小，断面平均水深随河宽的增大略有减小的趋势，但变化不明显。
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图1 天然状态与300m整治方案水流要素比较(Q=3000m3/s) |
在兰州标准百年一遇流量6500m3/s时，河宽在220m至600m范围内，Vm一般在3.8～4.5m/s内波动。流速V随河宽B的增大呈递减的变化趋势。垂线最大水深hm、断面平均水深h与河宽B的变化关系比较紊乱。可见河宽240m可作为中水整治方案的依据，河宽300m可作为设计洪水最小堤间距的参考值。在此基础上，对300m及350m整治线方案进行了研究。
3.2.2 整治方案及结果分析
350m整治方案：将天然河道宽度控制在350m，切除断面一侧边滩或滞流区，分汊河段则堵塞支汊，小于350m的河段仍保持原状进行试验。300m整治方案：切除河道中边滩或滞流区，对河道做一定压缩，使其河宽为300m，弯道附近减小至280m～300m，小于300m的河段仍保持原状。
从天然状态与整治方案水位变化看：适当压缩河道中的边滩或滞流区，并未引起水位较大幅度的增高。对于300m整治方案，流量为3000m3/s时，水位变幅为-0.13m～0.38m；流量为6500m3/s时，变幅为-0.13m～0.58m。对于350m整治方案，流量为3000m3/s时，水位变幅为-0.21m～0.28m；流量为6500m3/s时，变幅为-0.27m～0.48m。整治方案与天然状态相比水位变幅不大。试验表明（表2）300m及350m整治方案，并未引起水位较大幅度的增加，相反由于河流的自我调节作用使得断面地形趋于平坦，流速分布趋于均匀。
水流要素看（见图1）：整治方案较天然状态水深、流速最大变幅在12%以内，这样的变幅在该河段不会引起较大的河床变化，且因整治线较平顺，流速分布趋于均匀。
从河床地形看：整治后断面变窄，但断面地形起伏变化减小且趋于平坦，河槽趋向单一断面，河床纵向的冲淤变化也不大。
表2 6500m3/s各方案断面水位实测资料对比
Comparison of water level for different improvement channel width(Q=6500m3/s)
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| 350m方案 | 300m方案 | ||
断面里程 | 天然状态 | ||||
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| 水位(m) | 水位变化(m) | 水位(m) | 水位变化(m) |
K4+416 | 1540.21 | 1540.25 | 0.04 | 1540.23 | 0.02 |
K7+779 | 1537.08 | 1537.22 | 0.14 | 1537.38 | 0.30 |
K11+275 | 1533.32 | 1533.68 | 0.36 | 1533.74 | 0.42 |
K17+131 | 1528.40 | 1528.57 | 0.17 | 1528.73 | 0.33 |
K22+444 | 1522.35 | 1522.23 | 0.12 | 1522.53 | 0.30 |
K24+914 | 1520.32 | 1520.23 | -0.04 | 1520.59 | 0.22 |
K29+629 | 1516.06 | 1516.16 | 0.10 | 1516.10 | 0.04 |
K32+377 | 1513.78 | 1513.88 | 0.09 | 1513.75 | -0.03 |
K35+291 | 1512.55 | 1512.68 | 0.13 | 1513.02 | 0.52 |
K39+997 | 1511.96 | 1511.63 | -0.18 | 1511.03 | -0.18 |
4 数学模型
试验的目的主要是研究整治前后水位及流速等的变化，故采用一维水流、泥沙运动基本方程描述沿程变化，即
水流连续方程 |
| (8) |
水流运动方程 |
| (9) |
河床变形方程 |
| (10) |
式中 v为断面平均流速，H、z分别为水深与河床高程，A、B分别为断面面积与河宽，R为水力半径，qs为推移质输沙率，c为谢才系数，n为糙率系数。
推移质输沙率采用梅叶 彼得公式。
式(8)～(10)的定解条件是按恒定流计算出各水力要素的初始值、初始时刻床面高程沿程变化；上游边界条件给定流量、输沙率，下游边界给出水位过程线；床面高程采用线性延伸法给出。
5 试验及计算结果
表3 5600m3/s断面水位计算与实测资料
Water level calculated and measured on physical model and prototype for 5600m3/s
水文大断面号 | 原形值 | 模型值 | 计算值 |
4 | 1540.18 | 1540.26 | 1540.21 |
7 | 1536.84 | 1536.95 | 1542.02 |
10 | 1529.54 | 1529.38 | 1529.52 |
15 | 1521.03 | 1521.08 | 1520.97 |
20 | 1515.36 | 1515.39 | 1515.28 |
25 | 1509.71 | 1509.82 | 1509.93 |
利用原形河段有关水位、流速分布、水沙过程及河床冲淤变形等实测资料对物理模型及数学泥沙模行了断面水位流量关系、河道水面线、断面流速分布及断面冲淤验证。结果表3表明，模型不仅满足了水流相似条件，而且满足了河型相似条件。模型很好地复演了原形水流运动及河势变化，计算值与模型值及原形值吻合良好。
6 结论及建议
1. 通过对黄河兰州段河道地形、河相关系、造床流量、设防流量及河中成滩条件的分析，得出了中水整治河宽为240m，整治河宽为300m。
2. 实施河宽300m方案,适当压缩河道中边滩或滞留区,并未引起水位及流速大幅度的增长。相反河流通过自动调节，断面地形趋于平坦，且向单一断面演变。改善了水流条件，流速分布趋于均匀。
3. 整治方案的实施，使河道渠化目标得以实现，岸线平顺、固定。断面平均流速的提高，减少了污染物沉积数量，同时可确保行洪畅通。靠岸流速增大，为三条南河道取水提供了合理的渠首位置及水流条件，为工农业及人畜用水和南北两山绿化提供了方便和充足的水源，加快了再造秀美山河的步伐。并对滨河路的规划、通航及开发城建用地提供了设计参数。具有良好的、社会及环境效益。
4. 考虑到上游水库的兴建，在来水方面表现为洪峰减小，枯水流量增大；在来沙方面主要是下泄沙量减小，泥沙的组成变细。故河道渠化可采用30m+240m+30m或60m+240m形式的复式断面，流量较小时在单式断面中流动，流量较大时在复式断面内流动。这样可在两边种植草坪，修建带状绿化公园，以美化市容，改善人们的生活环境。
5. 亦可采用分段整治方案。兰练以上河段目前可不做整治，因为此河段河宽基本在300m左右。只是在水厂附近河宽约500m，此处为50年代修建的兰州市水厂取水口，至今运行良好。兰练至七里河桥段，河道长约15km，宽度在300m～600m之间，应进行全面整治。七里河桥至鸟岛前（k22+440～k24+300）河道宽度为220m～330m，在鸟岛处为330m，在为保护候鸟，建议此段河道以天然河宽为准，不做压缩整治。从中山桥至雁滩取水口段，河道河宽在300m～380m之间，此段泄洪宽度不做大的整治，但为了南河道取水，可对取水口附近河段做局部治理。雁滩到包兰铁桥段，河道长约16km，宽度在200m～600m之间。此段应进行治理，尤其对几个较大的滩，如雁滩、宋家滩等，并同雁滩开发区的整体规划相协调。进行城市规划，应从现有工程、取水、通航、渠化、土地利用、生态平衡、沿岸的取水、滨河路的走向及兰州市未来的经济、人口等多方面综合考虑，力求上下游呼应、左右岸兼顾、洪枯水统一考虑，整治线上下游应与具有控制作用的河段相衔接。
参 考 文 献
[1] 张书农,华国祥。河流动力学。水利水电出版社，1988.
[2] 刘有录等。黄河兰州段河道整治模型誓言研究。全国泥沙基本理论研究学术讨论会集，1992.
[3] 李保如。我国河流泥沙物理模型的设计方法。水动力学研究与进展，1991,6。
[4] 李保如,屈孟浩。黄河河道演变的物理模型试验。黄河水利委员会水利研究所科学研究集（第一集）。河南科学技术出版社，1989.