渭河甘肃武山城区段中水治导线确定方法研究

杨元波，刘东莉，牛 盟

(1.陕西瀚泰水利水电勘测设计有限公司，陕西 西安 710000；2.志丹县能源管理办公室，陕西 志丹 717500)

渭河是黄河第一大支流，发源于甘肃省渭源县海拔3 495 m的鸟鼠山,干流由西向东流经定西地区渭源、陇西两县后,自武山桦林乡进入天水市辖区,途经武山、甘谷和秦城北道两区,于北道区东岔乡牛背村进入陕西省。境内渭河主要支流北有散渡河、葫芦河、牛头河、通关河等;南有榜沙河、大南河、藉河等。渭河干流全长818 km,天水市境内河长269 km, 武山县境内长48 km，渭河总集水面积134 767 km2，天水市集水面积为11 548 km2。渭河年径流量102.5 亿 m3，天水市境内年径流量12. 71亿 m3。

1 河段基本概况

渭河河源至宝鸡峡出口为上游段，长430 km；宝鸡峡至咸阳铁桥为中游段，长177 km，咸阳至潼关河口为下游段，长211 km。上游段河道狭窄，川峡相间，水流急湍，平均比降1/260；中游段河床宽浅，沙洲较多，水流分散，为游荡性河床，比降由1/500变缓到1/1 500；下游段河道蜿蜒曲折，单股无汊，受河床淤积及三门峡水库回水影响，河床比降由1/5 000渐变为1/6 000。渭河上游段水流湍急，且泥沙含量大，在丰水期冲刷较大，枯水期上游段来水量小，河道易形成淤积。

渭河上游在洪冲枯积的情况下，易形成洪涝灾害，因此找出中水河槽，确定中水治导线的作用尤为重要。中水即包括了枯水，又由洪水囊括在内；在洪水期间，洪峰以中水河槽为中心流向下游；枯水期，中水河槽又约束了上游来水的水流方向。确定中水治导线能更好的稳定河势，控制水流，为治理岸坡，形成平顺、天然的生态岸线提供极大的指导意义。对武山县开发建设渭河河谷城镇带，走城镇发展道路具有重要意义。为武山县建成“河畅、堤固、水清、岸绿、景美”的目标提供了巨大的助力。

2 中水治导线划定原则

(1)治导线布置需要与近远期发展规划相结合，协调一致；尤其是需要与甘肃省渭河岸线保护与利用规划的相关规定和划界一致。

由于甘肃省渭河岸线保护与利用规划统筹考虑了规划范围内岸线资源条件、开发利用现状、岸线资源保护需求、流域社会经济发展需求等，坚持统筹兼顾、科学布局、保护优先、合理利用、持续发展等原则，将岸线划分为岸线保护区、保留区、控制利用开发区，并提出了各类岸线的管控措施，以规范岸线的合理使用。岸线功能区的划分充分考虑了规划范围内的生态敏感因素，确保在满足生态环境保护等要求的前提下，妥善处理岸线保护和利用的关系，发挥岸线的多功能属性，达到岸线资源的可持续利用，服务两岸社会经济发展目标，规划内容与相关行业规划及国家战略规划总体是协调的，因此，在确定治导线原则上应于划界一致。

根据甘肃省渭河岸线规划，在外缘控制线和临水控制线之间的带状区域即为岸线，岸线既具有行洪、调节水流和维护河流健康自然生态功能属性，同时在一定情况下，也具有开发利用价值的资源功能属性，任何进入外缘控制线以内岸线区域的开发利用行为都必须符合岸线功能区划定的规定及管理要求，且不得逾越临水控制线。

(2)在遵循甘肃省渭河岸线规划的基础上，结合现状情况确定治导线。甘肃省渭河岸线规划相关规定，结合拟定的整治原则和现状河道存在的问题、地形条件及稳定河宽等因素，在不影响河势和支沟行洪的情况下，治导线应尽量靠岸边布置，堤身及护坡考虑修建在地质比较稳定的滩岸上，在河道明显变窄的河段，采取适当拓宽河道治理宽度或考虑清除障碍，使上下游河道整治线平顺连接。

(3)治导线与河势流向相适应，直线河段堤线尽量与洪水的主流线相平行，弯曲河段采用大弯就势、小弯取直的原则，保持河段两岸堤防间距大致相等，堤距应大于稳定河宽要求，设置弯道的半径英语稳定河宽弯道半径，使其水流尽可能平顺。堤线力求平顺，各堤段平缓连接稳定河势，确保顺利的用过设计洪水。

3 中水治导线确定

3.1 造床流量的计算确定

造床流量是中水治导线的重要划定要素依据，是河道造床过程与多年流量过程的结合产物，是一种长期的平均效应，对河床形态起着控制作用。根据造床流量的相关研究，计算造床流量的方法主要为马卡维也夫法、平摊流量法、洪峰频率法、宽深比法4种。根据以上四种方法计算并分析确定造床流量。

3.1.1 马卡维也夫法

马卡维也夫提出的确定造床流量的近似方法, 是基于利用固体流量与两个水力参数关系的方程式. 其形式可写为：

G=A·QPm·J

式中：G为固体径流，QP为某一频率相应流量，J为水面比降，A为系数；m为QP的指数。

马卡维也夫法计算造床流量采用流量值为日流量系列，考虑到水文现象具有明显的年周期性, 一般将代表期取为一个水文年是合理的。本次将马卡维也夫法中日流量系列更换为具有代表性的平均流量系列，代表期选为1991年。根据有关研究渭河m值可采用m=2.45(d/i)2经验公式近似表达。根据上式计算得出渭河武山城区段造床流量Q=267.15 m3/s。

3.1.2 平摊流量法

平滩流量通常指某一断面的水位与平滩齐平时通过该断面的流量，平滩流量值取决于来水来沙条件和断面的形态。本文根据实测水文站断面数据确定平滩水位，再根据当年水位流量关系曲线确定平滩水位对应的流量，作为平滩流量。

根据实测断面确定多年平滩水位高程为1 462.15～1 462.98。根据水位流量关系曲线求得多年平均流量198.16～552.38 m3/s，取平均值为375.27 m3/s。水位流量关系曲线见图1。

图1 水位～流量关系曲线

3.1.3 洪峰频率法

在一些研究及工程设计中通常使用2a年一遇洪峰流量来代替造床流量。根据武山站1954-2015年共62 a实测年最大洪水资料，加入1904年、1926年历史洪水，将实测系列中的最大值1973年洪水提出，作为特大值处理，排位为1973年、1926年、1904年。以最大选样法，按不连序系列进行频率计算，采用矩法估计参数，采用P-Ⅲ型曲线进行适线。P-III型洪峰流量频率曲线见图2。

图2 渭河武山站年最大洪峰流量频率曲线

根据P-III型洪峰流量频率曲线查得2 a一遇洪峰流量为600 m3/s。

3.1.4 宽深比法

宽深比法是根据河道断面的水面宽度、水深之间的比值，再根据相应的水深高程绘制处B/H～水位散点图，在 B/H～水位散点图图中找出宽深比不断减小转而迅速回升的转折点，从而获取平滩水位，平滩水位相应的流量即为造床流量。

本次依据武山水文站2018年实测流量资料，根据资料中流量、水面宽、平均水深绘制出B/H～水位散点图，B/H～水位散点图见图3。

图3 B/H～水位散点图

根据B/H～水位散点图，在图中找出宽深比不断减小转而迅速回升的转折点，从图中看出转折点水位高程1462左右，1462对应水位为150.18 m3/s。

3.1.5 方法比较及成果选定

以上四种方法其中马卡维也夫法：考虑比较全面，计算步骤科学合理，结果符合实际；平摊流量法：方法简单，原理浅显易懂；洪峰频率法：原理浅显易懂，宽深比法：方法简单，原理浅显易懂；但马卡维也夫法对水文资料要求严格，以至于难以保持计算的精度；宽深比法不具有一定的普适性，但宽深比法与平滩流量法两者互相验证，洪峰频率法在一些研究及工程设计中得到广泛使用。

综合分析上述计算结果，马卡维也夫法计算造床流量为267.15 m3/s，平滩流量法计算造床流量为375.27 m3/s，洪峰频率法计算造床流量为600 m3/s，宽深比法计算造床流量为150.18 m3/s。由于缺少武山水文站长系列实测日径流量，马卡维也夫法计算结果存在偏差；平滩流量法与宽深比法两者互相印证，但两者差值较大，考虑到汛期河道中存在一定的冲积物会影响B/H的数值，故本文不采用平滩流量法及宽深比法。洪峰频率法取2 a一遇洪峰流量做为造床流量，已经在一些工程及研究中得到验证，本文将采用洪峰频率法计算结果作为本次的造床流量。

3.2 水面线计算

依据渭河武山城区段实测地形图，在渭河武山城区段共布设75个水文断面，断面平均间距为100 m。基本可控制该河段的河道形态，也可满足本次水面线推求的要求。再根据洪峰频率法计算出频率为2 a一遇的洪峰流量，依据2 a一遇的洪峰流量Q=600 m3/s对渭河城区段天然水面线进行计算。

3.2.1 河道糙率拟定

河道糙率根据河床组成主要为砾石、垃圾和两岸的茂密植被，以及堤防护岸的废弃材料等情况，并结合武山县境内渭河其他段工程的资料确定主河槽糙率为0.026。河道综合槽糙率为0.032。

3.2.2 起始断面水位

起始断面水位采用该段末端水文断面作为本次起始断面数据。起始断面处起始水位为1 429.60 m。

3.2.3 水面线推求

依据拟定的堤距、确定的河段糙率、控制断面的水位和实测的横断面资料，天然状态以断面1为起始断面从下游向上游逐断面推求洪水位。

表1 2a一遇洪水水面线计算成果表

水面线计算采用天然河道恒定非均匀流能量方程，依据河道纵横断面数据进行计算，计算公式为：

式中：Z2为下游断面水位高程；Z1为上游断面水位高程；α为动能修正系数；v为断面平均流速；J为断面平均水力坡度；K为断面流量模数；R为水力半径；X为湿周；ξ为局部水头损失系数；n为糙率；A为断面面积；Q为流量；△S为上下游相邻两断面间距。按上式由下游向上游逐断面推算，可得出各断面的设计洪水位。水面线计算结果见表1。

3.3 中水治导线确定及布置

根据渭河武山城区段水文断面推算出2 a一遇天然水面线，根据2 a一遇天然水面线成果表，2 a一遇洪水水面宽度为79.35～198.16 m，平均水面宽度为136 m。故本次确定中水治导线宽度为136 m。

4 结语

根据对渭河武山段中水治导线的分析计算，得出确定中水治导线首先需确定合理的造床流量，据此确定中水治导线宽度及高程。结合中水治导线布置原则确定其平顺段与圆弧段，并在地形图中得以体现。中水治导线的划定对于河道治理具有重要的意义，是控制河势发展、稳定滩槽的主要措施、并为防洪规划中的河道整治项目实施提供了重要依据。为武山县建成“河畅、堤固、水清、岸绿、景美”的目标提供助力。