黃河蘭州段根據(jù)河流形態(tài)大體上可分

1、山區(qū)河流典型河段整治模型試驗(yàn)研究何文社 方 鐸 李昌志 楊勝發(fā)（四川大學(xué)高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610065）摘 要 通過(guò)對(duì)黃河蘭州市區(qū)河段水文特征、河道地形、河相關(guān)系及河床演變規(guī)律的分析，認(rèn)為該河段具有山區(qū)沖積河流的特性；并提出了防洪最小整治河寬為300m。同時(shí)進(jìn)行了泥沙模型試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)與原型基本吻合。該方案的實(shí)施不但可滿足泄洪的要求，且并未引起水位、流速及河床斷面地形較大幅度的變化；相反,斷面地形趨于平坦，平均流速及岸邊流速有所增大，減小了污染物的沉積，有利于岸邊取水。且整治方案為城市濱河路的規(guī)劃，美化及城市建設(shè)合理用地提供了設(shè)計(jì)依據(jù) 。關(guān)鍵詞 山區(qū)河道 河道整治 整治寬度 物理試驗(yàn)

2、 黃河1 典型河道概況 1.1 地形特征黃河蘭州段位于蘭州帶狀盆地，呈東西走向，西起西柳溝東至桑園峽，河段全長(zhǎng)44.84km。根據(jù)河流形態(tài)大體上可分為四段；第一段，從西柳溝(1#水文大斷面)到西沙橋（5#水文大斷面），河道長(zhǎng)約5km，河寬300-400m，無(wú)河心灘，河床穩(wěn)定，水面比降約0.9。 第二段, 從西沙橋到七里河橋(14#水文大斷面)，河道長(zhǎng)約17.5km，河寬230-600m，河心多灘，河道主流不定，時(shí)而向南，時(shí)而向北，在行洪期間河岸易被沖刷，水面比降為1-1.3。 第三段，從七里河橋到黃河鐵橋（19#水文大斷面），河道長(zhǎng)約5.4km，河寬300-380m，除金城關(guān)（K27+100）

3、有夾心灘外，河床比較穩(wěn)定，兩岸河堤基本形成，水面比降0.8-0.9。 第四段，從黃河鐵橋到桑園峽（26#水文大斷面），河道長(zhǎng)約14km，河岸寬350m左右，由于桑園峽口寬度僅120m,當(dāng)流量較大時(shí)該河段出現(xiàn)壅水?？傊?，全河段河槽寬窄相間，河寬變化較大且多邊灘或江心洲，窄處僅120m，寬處可達(dá)600-700m（含江心洲）。河床基本上由砂卵石組成，且多卵石邊灘及江心洲。主泓在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，河段洪枯水位變幅不大；洪水期河岸時(shí)有沖刷，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年實(shí)測(cè)的最大流量5600m3/s。從平均情況看，枯水

4、流量下，平均水深2.5m,平均河寬200m,平均流速1.0m/s；行洪時(shí),平均水深5.7m,平均河寬450-500m,平均流速2.9m/s，河床糙率為0.032，河岸糙率為0.030-0.35，灘地糙率為0.045，中水情況下綜合為糙率0.035。1.2 水文泥沙特征 黃河鐵橋下游210m處為黃河蘭州水文站，自1935年建站以來(lái)積累了較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)資料（見表1）。1981年黃河蘭州段出現(xiàn)了5600 m3/s的洪水，當(dāng)年市建委沿蘭州市44.84km的黃河段布設(shè)了27個(gè)水文大斷面，測(cè)量了水位，并推算了若干流量級(jí)沿河水面線。整理分析黃河蘭州水文站的實(shí)測(cè)流速、泥沙及斷面等資料。本河段歷年演變特征是：河段的

5、挾沙水流處于次飽和狀態(tài)。年內(nèi)具有漲水期淤積，退汛期沖刷的特征。隨著年際和年內(nèi)流量分配的不同，淺灘河段河床有著相應(yīng)的變化。年際間具有枯水年淤積，豐水年沖刷的特征。由表1 黃河蘭州水文資料項(xiàng) 目枯水期平水期豐水期流量(m3/s)620.61188.61801.8流速(m/s)0.8921.6342.197水深(m)2.1043.1404.341過(guò)水面積(m2)695.7727.4820.1水面寬(m)204.4219.9225.7輸沙率(kg/s)15.3981048.35857.5含沙量(kg/m3)0.02990.90993.048水溫C2.0512.3515.68此可見本河段水流輸沙能力強(qiáng)，

6、其河床形態(tài)、輸沙條件具有山區(qū)沖積河流的屬性。蘭州上游劉家峽水電站截流后(見表2)，懸沙含量有著明顯的降低，年平均由6.4kg/ m3降為1.52 kg/ m3，根據(jù)河床中邊灘及沙洲取樣分析（見表3），可見上游來(lái)沙仍以懸移質(zhì)形式被帶往下游。在來(lái)沙方面主變化是下泄沙量減小，泥沙的組成變細(xì)。1985年后，同流量下水文站水位已基本穩(wěn)定，河床趨于平衡。表2 劉家峽截流前后蘭州水文特征 特 水位(m) 流量(m3/s) 含沙量(kg/m3) 征最高最低平均最大最小平均年平均截流前1516.571510.721512.65590016910676.4截流后1516.851511.231512.6856002

7、1310431.52表3 河床泥沙級(jí)配資料項(xiàng)目d95(mm)d75(mm)D50(mm)d25(mm)dcp(mm)KfS (t/m 3)粒徑1706 526.55.446.33.472.74 2 最小整治河寬方案探討 2.1 河相關(guān)系法 通過(guò)對(duì)本河段的自然演變規(guī)律分析得知河段沖淤基本平衡。為此采用阿爾圖寧計(jì)算穩(wěn)定河寬的公式， 取為1.01.11，求得河寬為218240m。故河寬240 m可作為中水整治方案的依據(jù)。2.2 優(yōu)良河段類比法 在市區(qū)河段上選取了幾個(gè)控制斷面進(jìn)行論證。黃河鐵橋建于1909年，橋址斷面河寬230m，七里河橋建于1958年，橋址斷面河寬270m，其下游1.2km(k23+

8、600)處河寬僅200 m，此幾處河段均經(jīng)受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s 的洪水考驗(yàn)。鹽城黃河大橋建于1979年，橋址處河寬305m，1981年的洪水順利宣泄 。由此可以認(rèn)為，河寬300m可作為設(shè)計(jì)洪水最小堤間距的參考值。3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析 3.1 動(dòng)床模型設(shè)計(jì)根據(jù)黃河蘭州段河床質(zhì)的特點(diǎn)，河道整治所涉及到河床變形主要是由卵石推移質(zhì)所引起。故根據(jù)水流重力、水流阻力、水流挾沙、河床沖淤變形、泥沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)及河型等相似條件，并利用黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院多年來(lái)對(duì)黃河動(dòng)床河工模型設(shè)計(jì)取得的研究成果進(jìn)行了推移質(zhì)動(dòng)床模型設(shè)計(jì)2,5。其模型比尺見表4。 表4模型相似比尺比

9、尺名稱取值水平比尺250垂直比尺100流速比尺10流量比尺250000糙率比尺1.36泥沙粒徑比尺9.2泥沙水下容重比尺4.35淤積物干容重比尺2.5泥沙起動(dòng)流速比尺7.5-12.9單寬輸沙率比尺119沖淤時(shí)間比尺525選用寧夏大武口精煤屑做為模型沙，其容重S =1.40t/m 3 ,干容重o =0.8t/m 3 。按照粒徑比尺d 選配模型沙，由此求得模型級(jí)配資料并進(jìn)行模型實(shí)。模型小河依據(jù)1989年3月測(cè)繪的1：2000河道地形圖進(jìn)行塑造，除依據(jù)實(shí)測(cè)地形資料外，還加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，認(rèn)真作了資料的核對(duì)，使模型能較好的反映原形的狀況。 3.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析 從天然狀態(tài)河道橫斷面形態(tài)可知，當(dāng)河寬

10、B240時(shí)，河道斷面單一，斷面呈“U”型或不對(duì)稱的“U”型。當(dāng)河寬B240m時(shí)，河槽形態(tài)已開始從單式向復(fù)式斷面過(guò)渡。河寬超過(guò)300m的河段，隨著河寬的增加，出現(xiàn)了邊灘，或在河道中形成沙脊，斷面形態(tài)呈“W”型，河道中出現(xiàn)河心灘。這說(shuō)明河寬為300m時(shí)處于河中成灘的臨界狀態(tài)。 造床流量下垂線最大流速Vm、垂線最大水深hm與河寬的關(guān)系不明顯(見圖1)，從所考查的斷面來(lái)看，河寬大于200m時(shí)均會(huì)出現(xiàn)數(shù)值相近的最大值值。但其斷面平均流速隨河寬的加大而減小，斷面平均水深隨河寬的增大有減小的趨勢(shì)，且變化明顯。圖1 天然狀態(tài)水流要素與河寬關(guān)系(Q=3000m3/s)圖2 天然狀態(tài)與300m方案水流要素與河寬關(guān)

11、系(Q=3000m3/s)在防洪標(biāo)準(zhǔn)百年一遇流量6500m3/s時(shí)，河寬在200m至600m范圍內(nèi)，Vm都回出現(xiàn)數(shù)值相近的較大值Vm=3.84.5m/s。平均流速V隨河寬B的增大呈遞減的變化趨勢(shì)。隨著年際及年內(nèi)流量過(guò)程的變化，流速也相應(yīng)的發(fā)生變化；垂線最大水深hm、斷面平均水深h與河寬B的變化關(guān)系比較紊亂?？梢姾訉?40m可作為中水整治方案的依據(jù)，河寬300m可作為設(shè)計(jì)洪水最小堤間距的參考值。 整治方案：將天然河道寬度控制在300m（350m）的范圍內(nèi)，切除了斷面一側(cè)的邊灘或滯流區(qū)，對(duì)分汊河段，則堵塞支汊，彎道附近適當(dāng)減小,對(duì)于小于300m（350m）的河段仍保持原狀進(jìn)行試驗(yàn)。 從天然狀態(tài)與整

12、治方案水位變化可知，適當(dāng)壓縮河道中的邊灘或滯流區(qū)，并未引起水位大幅度的增高。對(duì)于300m整治方案，流量為3000m3/s時(shí)，水位變幅為-0.13 m0.38 m；流量為6500m3/s時(shí)，變幅為-0.13 m0.58m。對(duì)于350m整治方案，流量為3000m3/s時(shí)，水位變幅為-0.21 m0.28 m；流量為6500m3/s時(shí)，變幅為-0.27 m0.48m。整治方案與天然狀態(tài)相比水位變幅不大。試驗(yàn)結(jié)果表明（表5）300m及350m整治方案的實(shí)施，并未引起水位較大幅度的增加，相反由于河流的自我調(diào)節(jié)作使得斷面地形趨于平坦，流速分布趨于均勻。 從水流要素可知(見圖2),整治方案較天然狀態(tài)水深、流

13、速變幅在12%以內(nèi)，這樣的變幅在該河段不會(huì)引起較大的河床變化，且因整治線較平順，流速分布趨于均勻，表面流向平順，水流狀況有了明顯的改善。河流的橫比降由原來(lái)的1.4降為1.0，表明橫向輸沙作用將明顯減弱。300m方案，雖然河寬束窄，但其流速并未大幅度增加，究其原因，最大流速常發(fā)生在壩頭附近。整治之后，消除了壩頭因挑流作用形成的阻水現(xiàn)象，減弱了單寬流量集中，破壞了在壩頭附近形成最大流速的條件，故水流分布均勻，但斷面平均流速和平均水深有所增加。表5 6500 m3/s各方案斷面水位實(shí)測(cè)資料對(duì)比斷面里程天然狀態(tài)350m方案300m方案水位(m)水位變化(m)水位(m)水位變化(m)K4+4161540

14、.211540.250.041540.230.02K11+2751533.321533.680.361533.740.42K17+1311528.401528.570.171528.730.33K22+4441522.351522.230.121522.530.30K24+9141520.321520.23-0.041520.590.22K29+6291516.061516.160.101516.100.04K32+3771513.781513.880.091513.75-0.03K35+2911512.551512.680.131513.020.52K39+9971511.961511.63

15、-0.181511.03-0.184 結(jié)論 A 通過(guò)對(duì)蘭州河段地形及水文等特征的分析可知，該河段屬山區(qū)沖積河流。B 對(duì)河相關(guān)系、造床流量、設(shè)防流量及河中成灘條件的分析，得出了防洪整治最小河寬為300m。C 實(shí)施整治方案,適當(dāng)壓縮河道中邊灘或滯留區(qū),并未引起水位及流速大幅度的增長(zhǎng)。 D. 整治河寬方案下，河流通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)，斷面地形趨于平坦，促使河道向單一斷面演變，改善了水流條件。流速分布趨于均勻，斷面平均流速的提高，減小了污染物沉積數(shù)量。這對(duì)消除河床淤積、保持河道穩(wěn)定、改善通航條件更為有利。 5. 整治方案的實(shí)施，使蘭州市河道渠化目標(biāo)的得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可確保行洪暢通。靠岸流速增大，為南河道取水提供了合理的渠首位置及水流條件，為工農(nóng)業(yè)及人畜用水和綠化灌溉提供了方便和充足的水源，加快了再造秀美山河的步伐。并對(duì)濱河路的規(guī)劃、通航及開發(fā)城建用地提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。 參 考 文 獻(xiàn) 1 劉有錄等.黃河蘭州段河道整治模型試驗(yàn)