不同裁彎取直方案對河道行洪影響分析

郭志學(xué)等

摘要：采用二維數(shù)學(xué)模型，對成都市府河上游段河道裁彎取直工程進行了對比分析，探討了彎頸落差全河段分攤和設(shè)置集中跌落兩種不同裁彎取直方案對河道行洪的影響。結(jié)果表明，不同裁彎取直方案均會造成畸彎河道上游主槽水位降低和流速的增加，并引起老河灣水流動力的減弱；落差分攤方案對老河灣分流量及水流動力參數(shù)的消弱作用更大，上游河道水位降低更為明顯；從流速沿程分布規(guī)律來看，設(shè)置集中跌落的裁彎取直方案將引起局部河段流速過高，對河道沖刷安全不利，且存在明顯的噪聲污染。但是，落差分攤方案將彎頸落差通過工程措施直接分攤到整治河段范圍，更接近自然裁彎取直的河道演變過程，因此該工程方案更為合理。

關(guān)鍵詞：裁彎取直；畸彎；行洪能力；分流比；府河

中圖分類號：TV85 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2014）05007704

Impact analysis of different cutoff plans on river floods

GUO zhixue1，ZHONG yousheng2，LV Wei3

（1.State Key Labatory of Hydraulics and Mountain River Eng.，Sichuan University，Chengdu 610065，China；

2.Leshan Water Conservancy，Electric Power and Architecture Survey and Design Institute，Leshan 614000，China

3.Leshan Mojiangyan Management Office，Leshan 614000，China）

Abstract：Twodimensional numerical models were used to analyze the impacts of two cutoff plans on river floods in the upstream of Fu River in Chengdu City.The first cutoff plan assigned the elevation difference of the curve reach to the whole river，and the second cutoff plan assigned the elevation difference to one stepfall.The results showed that （1） both cutoff plans can decrease the water level and increase the velocity in the upstream of orthodontic curved river channel and weaken the flow dynamics in the old river channel；（2） the first cutoff plan has higher weakening impacts on the flow discharge and hydrodynamic parameters in the old river channel than the second cutoff plan；（3） the second cutoff plan can cause high velocity in the local area，which is disadvantageous to the river channel erosion and has apparent noise pollution；and （4） the first plan is similar to the natural cutoff river progress by assigning the elevation difference to the whole river channel therefore it is more reasonable.

Key words：cutoff；abnormal bend；flood capacity；flow split ratio；Fu River

裁彎取直[1]有利于降低河道防洪水位，但可能增加河道的沖刷，危及堤防安全。長江科學(xué)院河流研究所[2]通過分析下荊江多出裁彎工程實施后河道水文情勢及河道演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)由于侵蝕基面降低，裁彎工程上游水位一般有所降低，但由于河道長度縮短，造床作用加強，河床普遍下切，因此應(yīng)加強灘岸抗沖保護。也有研究者認為裁彎取直工程實施后槽蓄作用減少，將會加大洪峰流量，提前洪峰出現(xiàn)的時間，尤其對于山區(qū)河流影響更為明顯[3]。河道的演變過程涉及到新老河灣復(fù)雜的分水分沙過程，河灣的發(fā)展演化過程更是錯綜復(fù)雜，一直以來對河道進行裁彎取直均較為慎重。謝鑒衡等[4]曾開展了裁彎取直工程水力計算及河道變形計算工作，為我國早期河道裁彎取直水力計算提供了經(jīng)驗。近年來裁彎取直工程實施較少，對類似的劇烈河道演變引起的水沙輸移研究也較少，研究者更多的關(guān)注一般河道演變引起的河道行洪能力的變化[711]。

河流裁彎取直對河勢改變較大，不同的建設(shè)方案對河道行洪能力及周邊環(huán)境可帶來不同的影響。對于城市河道而言，因為河道裁彎取直一般與河道防洪工程及景觀改造工程同步進行，河道規(guī)模一般較小，工程建設(shè)方案與大江大河上修建引道，通過水力作用打通新河的做法也多有不同。本文針對成都市府河上游兩處畸彎河道裁彎取直工程，根據(jù)城市防洪需要和工程建設(shè)推進情況，對比了不同裁彎方案對河道水力參數(shù)的影響。

1 工程概況

成都市府河防洪標(biāo)準為200年一遇。北府河干流華僑城及科技園河段有兩處畸彎河道（圖1、圖2），相距約2 km，區(qū)間無大的支流匯入，河道水文條件相當(dāng)。其中，府河華僑城段彎頸間河道長度約300 m，老河灣長度約1.8 km，河道平均比降約1.6‰，老河灣段跌差約2.4 m；府河科技園段彎頸間長度約500 m，老河灣長度約1.6 km，河道平均比降約1.4‰，老河灣段彎頸間跌差約2.2 m。endprint

圖1 府河華僑城段河勢

Fig.1 Huaqiaocheng Reach of the Fu River

圖2 府河科技園段河勢

Fig.2 Science and Technology Park Reach of the Fu River

為了提高河道防洪能力，兩處河灣均進行了裁彎取直工程，且老河灣均作為區(qū)域景觀河道予以保留。但是兩處河灣的裁彎取直方案有所不同，具體如下。

（1）華僑城河段河道裁彎取直工程與主河道整治工程同步實施，老河灣雖然保留，但將老河灣入口與出口間的河道落差，平均分配到待整治的2.7 km河道范圍，畸彎上、下游共約2.7 km河道范圍設(shè)計河道比降為2.7‰，老河灣進、出口間河道落差由天然的2.4 m減小到0.81 m。

（2）科技園畸彎河道整治方案未改變主河道比降，保持為1.4‰，在老河灣出口上游約30 m位置處設(shè)置一處0.7 m跌落，在老河灣出口下游約70 m位置處設(shè)置一處1.5 m高跌差的跌落，通過兩處跌落工程集中消除河道落差。按規(guī)劃，下游跌落處擬建設(shè)橡膠壩工程，枯水時用于壅高上游水位，改善老河灣水景觀效果。

2 計算原理和模型

為分析河道裁彎工程前后河道水流運動特性，采用平面二維數(shù)學(xué)模型對現(xiàn)狀及裁彎取直后河道水流運動特性進行了計算分析。

2.1 平面二維數(shù)學(xué)模型基本原理

沿水深平均的平面二維流動基本方程為如下。

水流連續(xù)方程：

2.2 計算范圍

數(shù)值計算分別針對現(xiàn)狀及裁彎取直后河道水流運動特性進行。

2.2.1 華僑城河段

華僑城段計算范圍為：縱向取老河灣入口上游約1 km，下游至老河灣出口下游約320 m，主河道總長約1.7 km。改造后老河灣仍參與過流，老河灣長約1.8 km。計算的橫河范圍為整治河段設(shè)計河堤岸頂，總寬度59 m。

主河道岸線規(guī)順，采用四邊形網(wǎng)格進行剖分，網(wǎng)格縱向最大長度為6 m，橫向網(wǎng)格主槽部分最大寬度為3 m，兩側(cè)河岸位置網(wǎng)格橫向尺度為1.5 m，老河灣及其與改造后主河道銜接段采用三角形網(wǎng)格進行剖分。改造后河道計算區(qū)域共剖分為20 249個節(jié)點，27 521個單元。計算網(wǎng)格如圖3所示。

2.2.2 科技園河段

科技園段的計算范圍取環(huán)形河道入口上游約500 m、環(huán)形河道出口下游約500 m，總長約1.5 km，老河灣長度約1.5 km。計算的橫河范圍為整治河段設(shè)計河堤岸頂，總寬度50 m。

模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，老河灣與主河道銜接段及橋位區(qū)采用三角形網(wǎng)格（最大單元面積5 m2），其它河道范圍采用四邊形網(wǎng)格（網(wǎng)格縱向尺度約3～5 m，橫向尺度約1.5～2.5 m），河道計算區(qū)域共剖分為18 784個節(jié)點，20 747個單元。計算網(wǎng)格如圖4所示。

2.3 計算邊界條件

模型計算上游采用流量邊界，下游為水位邊界。兩處河

圖4 北府河科技園河段計算網(wǎng)格

Fig.4 Grid of Science and Technology Park Reach in the Fu River

道下游均為已改造完成的渠化河道，斷面規(guī)則，岸線規(guī)順，出口按均勻流條件確定出流條件。河道綜合糙率取0.025。

3 不同裁彎方案的行洪影響分析

3.1 分流比影響分析

表1、表2分別為華僑城與科技園河段干流與老河灣分流情況。華僑城段裁彎取直后原河道比降分攤到整個改造段，老河灣入口與出口間水位差僅為彎頸長度與改造后河道比降的乘積，老河灣比降較天然狀態(tài)顯著降低，河灣動力不足，洪水期老河灣過流能力顯著降低，老河灣過流量僅占總流量的7%～16%。科技園河段裁彎取直后上、下彎頸位置處高程基本不變，老河灣因流路較長，過流能力較新開順直汊道為弱，過流能力占總流量的25%左右。

表1 華僑城河段各汊道不同洪水條件下分流比統(tǒng)計

Tab.1 Discharge distribution ratios of Huaqiaocheng Reach under different flood conditions

3.2 河道流場分析

由華僑城段河道流場圖5可見，裁直后的主河道流路趨直，河道比降加大，過流斷面增加，整治后主河道流速明顯較天然增加，改造河道主槽流速一般在3.6 m/s左右。由于整治工程設(shè)計為采用統(tǒng)一比降裁直河道，老河灣起點至終點間的落差分攤到整個整治河道范圍內(nèi)，因此老河灣進、出口間水位差較天然時顯著降低，河灣內(nèi)水流動力較天然顯著降低，工程后老河灣內(nèi)水流流速僅0.25 m/s左右，洪水期進入老河灣的泥沙基本均會在老河灣內(nèi)淤積，因此必須做好防沙措施，盡量避免泥沙進入老河灣。

從科技園段河道流場圖6可見，入段水流因下游連續(xù)設(shè)置兩道跌坎，其中環(huán)形河道出口位置上游30 m處設(shè)置0.7 m跌坎消除河道裁灣后彎頸間高差，跌坎位置處水流流速較高，可達4 m/s左右。環(huán)形河道出口下游100 m處跌坎高度1.5 m，跌坎位置處流速可達7.5 m/s以上（實際為水躍流態(tài)）。環(huán)形河道因流路較長，水面比降較小，河道內(nèi)流速普遍較小，且呈沿程減小的趨勢，環(huán)形河道入口段流速較大，可達3.0 m/s，中段一般在1.5 m/s以下，致出口段流速降至0.75～1.0 m/s。

對比兩河段的流場可知，總體上老河灣流速較未裁彎取直之前流速降低明顯，均容易引起泥沙的淤積；對于主河道，華僑城河段主流流速沿程分布均勻，科技園河段在裁彎段下游跌落處局部流速較高，最大可達7.5 m/s以上，對河床存在潛在的沖刷可能，同時高流速的水流將形成明顯的噪聲污染，對周邊環(huán)境影響較大。endprint

4 結(jié)論及建議

本文采用數(shù)值模擬方法，對比分析了成都市府河上游華僑城和科技園兩處裁彎取直工程實施后的河道水力參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)河道裁彎取直后，畸彎段河長縮短，行洪斷面增加，水流動力增強，對上游河道水位降低有利，彎道段上游河道流速將較天然增加；老河灣流路較長，彎頸進出口之間比降顯著較裁直主河為小，河灣內(nèi)水流動力不足，流速降低。在上述共性規(guī)律之外，不同的裁直方案對河道水流產(chǎn)生影響的規(guī)律尚有所差異。主要表現(xiàn)如下。

（1）彎道段落差平攤到整治河段的建設(shè)方案，縮小了老河灣進、出口落差，老河灣的過流能力降低更為明顯，老河灣過流量占總來流的分流比更小。

（2）落差平攤方案在增加裁直汊道過流的同時，主河道上游河床高程降低，疊加裁直后出口水位降低影響，將導(dǎo)致上游河道水位降幅更大，對提高河道防洪能力更為有利。

（3）采用設(shè)置集中跌落的裁彎取直方案，不改變老河灣的比降條件，老河灣動力條件的減弱主要由裁直汊道分流減小過彎流量引起。跌落段落差集中，局部水流流速較高，對河床沖刷加劇，且可產(chǎn)生較大的噪聲影響。

城市河道本身演變受到嚴格限制，與大江大河裁彎后的河道演變規(guī)律有所不同。根據(jù)本文研究結(jié)果，城市防洪河道實施裁彎取直時，因裁直后的河道建設(shè)規(guī)模較小，一般均采用直接疏竣形成，不存在自然演變過程，因此將彎頸落差直接平攤到整治河段的工程方案與大江大河上開挖引槽并通過自然沖刷形成裁彎河道的治理方案更接近，水流動力參數(shù)沿程分布更均勻，因此該方案更為合理。

參考文獻（References）：

[1] 趙志民，寧夕英，淺議蜿蜒型河道裁彎取直工程，河北水利水電技術(shù)，2002（2）：2829.（ZHAO Zhimin，NING Xiying，The meandering river cutoff project[J]，Hebei water conservancy and Hydropower Technology，2002（2）：2829.（in Chinese））

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[4] 謝鑒衡等，裁彎取直的水力計算和河床變形計算[J]，武漢水利電力學(xué)院學(xué)報，1963（2）：1629.（XIE Jianheng，et al.Deformation and hydraulic calculation of river cutoff [J]，Journal of Wuhan Institute of water conservancy and electric power，1963（2）：1629.（in Chinese））

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王成菊，遙田水電站裁彎取直工程泄洪方案優(yōu)選[J]，湖南水利，1995（2）：1114.（WANG Chengju，Yao Tian Hydropower Station cutoff release flood waters plans preferred[J]，Hunan Water Conservancy，1995（2）：1114.（in Chinese））

[7] 張藝，姜乃遷，武鑫奇，三門峽庫區(qū)溯源沖刷現(xiàn)象分析[J]，農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2014，34（1）：254255.（ZHANG Yi，JIANG Naiqian，WU Xinqi，Analysis of the BackwarErosion of Sanmenxia Reservoir[J]，AGRICULTURE AND TECHNOLOGY，2014，34（1）：254255.（in Chinese））

[8] 郭小虎，渠庚，朱勇輝，三峽工程蓄水運用以來荊江水位流量關(guān)系變化分析[J]，長江科學(xué)院院報，2011，28（7）：8286.（GUO X iaohu，QU Geng，ZHU Yonghui，Changes of the StageDischarge Relation in Jingjiang River after the Impoundment of ThreeGorges Reservoir[J]，Journal of Yangtze R iver Scientific Research Institute，2011，28（7）：8286.（in Chinese））

[9] 張柏英，李一兵，樞紐下游河床極限沖刷及水位降落研究進展[J]，水道港口，2009，30（2）：101107.（ZHANG Boying，LI Yibing，Research progress on riverbed ultimate erosion and falling of water level at lower re ach of hydro2junction[J]，Journal of Waterway and Harbor，2009，30（2）：101107.（in Chinese））

[10] 李云中，長江宜昌河段低水位變化研究[J]，中國三峽建設(shè)，2002（5）：1214.（LI Yunzhong，Change in Yangtze Water Level along Yichang Stretch in Dry season[J]，China Three Gorges Construction，2002（5）：1214.（in Chinese））

[11] 樂培九，程小兵，王艷華等，樞紐下游河床沖刷深度和水位降落估算方法[J]，泥沙研究，2012（3）：5763.（YUE Peijiu，CHENG Xiaobing，WANG Yanhua et al.，Method of estimating scour depth and fall of water level in scour holes below dams[J]，Journal of Sediment Research，2012（3）：5763.（in Chinese））endprint

4 結(jié)論及建議

本文采用數(shù)值模擬方法，對比分析了成都市府河上游華僑城和科技園兩處裁彎取直工程實施后的河道水力參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)河道裁彎取直后，畸彎段河長縮短，行洪斷面增加，水流動力增強，對上游河道水位降低有利，彎道段上游河道流速將較天然增加；老河灣流路較長，彎頸進出口之間比降顯著較裁直主河為小，河灣內(nèi)水流動力不足，流速降低。在上述共性規(guī)律之外，不同的裁直方案對河道水流產(chǎn)生影響的規(guī)律尚有所差異。主要表現(xiàn)如下。

（1）彎道段落差平攤到整治河段的建設(shè)方案，縮小了老河灣進、出口落差，老河灣的過流能力降低更為明顯，老河灣過流量占總來流的分流比更小。

（2）落差平攤方案在增加裁直汊道過流的同時，主河道上游河床高程降低，疊加裁直后出口水位降低影響，將導(dǎo)致上游河道水位降幅更大，對提高河道防洪能力更為有利。

（3）采用設(shè)置集中跌落的裁彎取直方案，不改變老河灣的比降條件，老河灣動力條件的減弱主要由裁直汊道分流減小過彎流量引起。跌落段落差集中，局部水流流速較高，對河床沖刷加劇，且可產(chǎn)生較大的噪聲影響。

城市河道本身演變受到嚴格限制，與大江大河裁彎后的河道演變規(guī)律有所不同。根據(jù)本文研究結(jié)果，城市防洪河道實施裁彎取直時，因裁直后的河道建設(shè)規(guī)模較小，一般均采用直接疏竣形成，不存在自然演變過程，因此將彎頸落差直接平攤到整治河段的工程方案與大江大河上開挖引槽并通過自然沖刷形成裁彎河道的治理方案更接近，水流動力參數(shù)沿程分布更均勻，因此該方案更為合理。

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4 結(jié)論及建議

本文采用數(shù)值模擬方法，對比分析了成都市府河上游華僑城和科技園兩處裁彎取直工程實施后的河道水力參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)河道裁彎取直后，畸彎段河長縮短，行洪斷面增加，水流動力增強，對上游河道水位降低有利，彎道段上游河道流速將較天然增加；老河灣流路較長，彎頸進出口之間比降顯著較裁直主河為小，河灣內(nèi)水流動力不足，流速降低。在上述共性規(guī)律之外，不同的裁直方案對河道水流產(chǎn)生影響的規(guī)律尚有所差異。主要表現(xiàn)如下。

（1）彎道段落差平攤到整治河段的建設(shè)方案，縮小了老河灣進、出口落差，老河灣的過流能力降低更為明顯，老河灣過流量占總來流的分流比更小。

（2）落差平攤方案在增加裁直汊道過流的同時，主河道上游河床高程降低，疊加裁直后出口水位降低影響，將導(dǎo)致上游河道水位降幅更大，對提高河道防洪能力更為有利。

（3）采用設(shè)置集中跌落的裁彎取直方案，不改變老河灣的比降條件，老河灣動力條件的減弱主要由裁直汊道分流減小過彎流量引起。跌落段落差集中，局部水流流速較高，對河床沖刷加劇，且可產(chǎn)生較大的噪聲影響。

城市河道本身演變受到嚴格限制，與大江大河裁彎后的河道演變規(guī)律有所不同。根據(jù)本文研究結(jié)果，城市防洪河道實施裁彎取直時，因裁直后的河道建設(shè)規(guī)模較小，一般均采用直接疏竣形成，不存在自然演變過程，因此將彎頸落差直接平攤到整治河段的工程方案與大江大河上開挖引槽并通過自然沖刷形成裁彎河道的治理方案更接近，水流動力參數(shù)沿程分布更均勻，因此該方案更為合理。

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