寧夏苦水河溝灣段裁彎治理及效果分析

摘要：在天然河道的防洪治理中，對于裁彎目前還存在較大的爭議。寧夏在清水河、苦水河彎曲性河道的治理中積累了一定經(jīng)驗，結(jié)合苦水河溝灣段連續(xù)河灣裁彎后15 a的運行情況，通過裁彎前后的河勢、河道斷面、行洪能力等方面的對比，總結(jié)裁彎后的運行效果。結(jié)果表明：溝灣段裁彎的河勢較為穩(wěn)定，裁彎對減少淹沒面積、新增淤地效果較為明顯，達到了設(shè)計意圖。

關(guān)鍵詞：畸形河灣;裁彎;彎曲率;引河;初始設(shè)計流量;苦水河

中圖分類號：TV852

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.013

1 研究區(qū)概況

苦水河屬黃河一級支流，發(fā)源于甘肅省環(huán)縣甜水堡鎮(zhèn)花石山沙坡子溝腦，流經(jīng)甘肅省環(huán)縣和寧夏鹽池縣、紅寺堡區(qū)、同心縣、利通區(qū)，于靈武市新華橋鎮(zhèn)華一村匯人黃河，河道總長223.8 km，河源高程2026 m，河口高程1 116 m，相對高差1090 m，平均比降0.487%，流域面積5 218 km²。

苦水河畸形河灣較多，洪、枯水流路均不順，岸線不穩(wěn)，多年來缺乏生態(tài)治理，水生態(tài)環(huán)境惡劣，部分河段行政區(qū)以河為界，土地權(quán)屬爭議大。本研究裁彎河段為溝灣段（西溝沿7#河灣至五里坡1#河灣），位于苦水河下游，自然河道長度為2.97 km，河寬30-60 m，進口至出口底高程1142.6-1141.8 m，比降0.026%。兩岸土地分屬3個村莊，裁彎前河勢不穩(wěn)，塌岸嚴(yán)重，兩岸用地矛盾十分突出。苦水河溝灣段河勢見圖1。

2 裁彎的意義

在天然河道的防洪治理中，對于裁彎目前還存在較大的爭議。寧夏在清水河、苦水河彎曲性河道的治理中積累了一定經(jīng)驗，通過河段的裁彎及河道整治，可逐步強化河灣邊界，規(guī)順洪水河槽，使其逐步穩(wěn)定，有利于水流通暢，防御洪水泛濫，減小主流擺動范圍，改善現(xiàn)有不利的河勢，逐步穩(wěn)定洪水流路，穩(wěn)定岸線，在水流頂沖時，避免及減輕河岸崩塌，保護沿河兩岸耕地、果園及公路，以達到防洪保安全之目的。裁彎工程的實施也是推進和落實河長制的措施之一。

3 裁彎設(shè)計

河灣彎曲程度可通過彎曲率C（即河道中心線曲線長度L與曲頸寬B的比值，C=L/B）表示，C越大表示單個河灣彎曲變形越強烈[1]。

根據(jù)寧夏山區(qū)河道特點分析，當(dāng)C<3.5時，一般屬于良性河灣，流路順暢;3.5≤C<1O時，流路較為不順，出現(xiàn)河岸塌岸，需對岸線進行防護，并結(jié)合上下游河勢規(guī)劃治導(dǎo)線，尤其要注意是否存在相鄰連續(xù)U形彎道，來靈活定奪是否裁彎;當(dāng)C≥10時，流路極為不順，河岸塌岸嚴(yán)重，影響岸線資源開發(fā)利用，屬于優(yōu)先裁彎的河灣，但應(yīng)結(jié)合未來河勢變化及工程實施的難易程度決定是否裁彎。

西溝沿7#至五里坡1#段分布有連續(xù)5個河灣，利用前后兩個自然河灣規(guī)順流路后，可裁掉中間3個彎道（見表1），均屬畸形河灣，屬可裁河灣，裁后平面效果見圖1。

3.1 設(shè)計流量

3.1.1 最終設(shè)計流量

苦水河大多河段為季節(jié)性河道，非汛期流量極小，每遇較大洪水，河勢都有一定變化，對兩河河勢演變起決定作用的造床流量是洪水流量，因此最終斷面的控制流量即河段整治流量?？嗨覲= 10%設(shè)計洪水流量為456 m³/s[2]。

3.1.2 初始設(shè)計流量

引河的拓寬不是僅靠一次大洪水，需要依靠每年的洪水多次沖刷，因此初始斷面的控制流量應(yīng)按經(jīng)常性的洪水流量確定。每年洪水流量是變化的，根據(jù)郭家橋水文站水文資料，苦水河洪峰流量多年均值為220 1113/S?？嗨酉露螖嗝孑^窄，若按洪峰流量均值開挖，則占地面積較大。進一步分析，苦水河洪水落峰后，流量保持在20 - 60 m³/s的時間較長，因此引河設(shè)計初始流量取50 m³/s[2]。

3.2 裁彎線路的確定

設(shè)計選用引河法進行裁彎，新河由水流沖刷逐漸形成，引河與其上、下游河道銜接平順，各個彎道裁彎工程分期施工，可節(jié)省大量開挖土方量。

引河規(guī)劃設(shè)計方案直接關(guān)系到裁彎工程的成敗[3]。引河平面形態(tài)為曲率適度的微彎曲線，進、出口與老河平順銜接，以順應(yīng)河道的發(fā)展，曲線由復(fù)合圓弧及切線組成，曲率半徑應(yīng)滿足ρ>（1.5-3.O）B（B為平灘水位下的河寬）。引河形成后，曲率半徑應(yīng)滿足p>（3.0-5.O）B。

引河分內(nèi)裁和外裁兩種形式，該段連續(xù)彎道采用內(nèi)、外裁相間形式，進口布置在上游彎道頂點稍下方，進、出口交角θ≤30°。

目前裁彎采用兩種方式，即全斷面裁彎和小斷面引河裁彎。第一種是經(jīng)過地段為難以沖刷的土壤和山巖，必須一次開挖至最終設(shè)計斷面。第二種是引河經(jīng)過的地段為易沖開的土壤，可先開挖一個較小的斷面，然后利用水的力量，逐漸沖刷至最終設(shè)計斷面。新河的最終設(shè)計斷面，可參照河道鄰近平順河灣的資料選定?？嗨泳哂斜┯隁v時短、強度大、洪水含沙較多等特點，水流沖刷擴展能力有限，因此引河初期合理寬度的確定至關(guān)重要[3]，將決定引河設(shè)計斷面經(jīng)過水流沖刷后能否形成最終斷面。影響引河發(fā)展的因素主要有裁彎比、人流角度、斷面尺寸及水沙條件等，目前還沒有較成熟的理論依據(jù)或公式來囊括所有這些影響因素，而國內(nèi)裁彎工程中初步斷面的確定，更多是參考相關(guān)成功案例進行類比，因此本研究通過類比國內(nèi)同類工程以及苦水河已經(jīng)實施的工程情況進行綜合分析，從而確定符合實際情況的裁彎設(shè)計斷面。

3.3 裁彎斷面的確定

引河開挖初始斷面的選擇是裁彎的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，斷面過大，投資增加，會造成大量的資金浪費;斷面過小，河床沖刷會受到河床抗沖性、洪峰流量及持續(xù)時間的限制。根據(jù)前述裁彎工程經(jīng)驗，引河初始斷面多設(shè)計成梯形，邊坡按土壤性質(zhì)一般取坡比m=l：2-1：3。為了利于引河拓寬，還需依據(jù)確定的引河設(shè)計流量、初期寬度和斷面面積，進行引河斷面水力及沖刷計算，使流速大于河床土壤起動流速：若引河采用格賓砌護，流速則小于格賓抗沖流速。

3.3.1 設(shè)計斷面

設(shè)計流量50 m3/s.底寬10 m，內(nèi)邊坡坡比1：2，縱比降1/100.河床糙率取0.023 5.設(shè)計水深1.06 m.設(shè)計流速V引= 3.88 m/s。苦水河裁彎工程初始斷面概化見圖2。

河床土壤起動流速可按列維公式計算：流速V_n。

據(jù)郭家橋水文站歷年洪水?dāng)?shù)據(jù)，相應(yīng)于流量50m3/s的懸移質(zhì)含沙量一般為264 - 585 kg/m³。引河水流挾沙力公式采用中國水科院經(jīng)驗公式：式中：S*為水流挾沙力，kg/m³;V弓i為引河（河道疏浚）流速，m/s;ω為懸移質(zhì)泥沙沉速，取0.8 cm/s;R為水力半徑，m。

經(jīng)計算，引河水流挾沙力S= 876 kg/m³>懸移質(zhì)含沙量（264-585 kg/m³）。引河斷面滿足設(shè)計要求。

3.3.2 彎道防護

裁彎工程規(guī)劃設(shè)計主要包括引河規(guī)劃設(shè)計、護岸工程規(guī)劃設(shè)計兩部分。護岸工程規(guī)劃設(shè)計則是鞏固裁彎效益的保證。當(dāng)引河發(fā)展到接近最終斷面時應(yīng)抓住有利時機，在凹岸自上而下全線護岸，以限制其繼續(xù)向彎曲方向發(fā)展。裁彎成功后，如果未能及時有計劃地建設(shè)全面的河勢控制工程，部分河段河勢將發(fā)生劇烈變化，河道崩岸概率增大，彎道有所增長，直接影響裁彎工程效益的繼續(xù)發(fā)揮。為此，必須事先對引河進行護岸設(shè)計，作為裁彎工程規(guī)劃設(shè)計的一部分。

苦水河治理結(jié)合河道河勢現(xiàn)狀、人工節(jié)點分布和沿河支流及溝道匯人情況，進行工程布置，其中涉及彎道裁彎布置也是依據(jù)規(guī)劃流路在凹岸布置砌護工程。裁彎河段結(jié)合河道疏浚工程，初期開挖河槽寬10 m，對凹岸彎道段進行砌護，彎道砌護至平直段，另一岸不進行砌護，遠期由自由水流造床。

4 裁彎效果

截至目前，該段裁彎工程已運行15 a.裁彎后經(jīng)歷了2007年8月25日的洪水考驗，洪水洪峰480 m³/s。為客觀反映裁彎治理效果，本研究通過數(shù)學(xué)模型分析進行驗證，并采用航拍影像進行對比。

4.1 溝灣河段數(shù)學(xué)模型分析

4.1.1 建立模型

二維平面流數(shù)學(xué)模型是在DEM地理高程模型的基礎(chǔ)上建立的。溝灣段的DEM數(shù)據(jù)由2011年實測地形圖及2015年調(diào)繪資料轉(zhuǎn)換而成，模擬區(qū)域內(nèi)共生成3 033個多邊形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格面積為755.9 m²，最小網(wǎng)格面積為309.38 m²。

根據(jù)2016年2月15日（非汛期）和7月15日（汛期）流量下的平均水深，初步率定糙率為0.03。

4.1.2 洪水淹沒分析

第一次模擬采用引河設(shè)計流量50 m3/s（采用2017年實測洪水過程），第二次模擬上邊界條件為苦水河設(shè)計整治流量Q= 456 m³/s下的淹沒情況（洪水過程采用2007年實測洪水過程進行同頻率放大），洪水過程線見圖3。

在該邊界值下二維數(shù)學(xué)模型模擬的淹沒范圍見圖4。

從模擬結(jié)果看出，洪峰流量為50 m³/s時，除在新河與老河的交界處的交點2與交點3因地勢較低而有極少部分水流回水外（平均回水深度分別為0.6 m和0.4 m），洪水幾乎全部從新河流過;洪峰流量為456m³/s時，大部分水流在新河中，新河水流較深，在4m左右，交點2與交點3回水深度也進一步加大，洪水上灘淹沒寬度擴大3倍以上。

4.2 航拍影像比較

由圖5可知，該段老河道已逐步淤積并被利用，新河河槽水面寬由最初的不足15 m（底寬10 m）拓展到30 m，行洪寬度發(fā)展到80～100 m，新、老河交點2至交點3段平均河底高程1142.71 m.造成部分回水現(xiàn)象，航拍影像顯示的當(dāng)前河勢與模擬結(jié)果基本相符。此外，從航拍影像中看出，老河道及灘地已部分開發(fā)為水塘濕地、林地等生態(tài)用地，裁彎后土地利用效果較為明顯。

5 結(jié)論

（1）盡管目前對裁彎的必要性還存在較大爭議，通過對苦水河局部裁彎實踐的分析表明，對彎曲率大于3.5的連續(xù)畸形河灣進行適當(dāng)裁彎，裁彎后的河勢較為穩(wěn)定，裁彎后土地利用效益較為明顯。

（2）通過數(shù)學(xué)模型分析及航拍影像對比，目前河勢與模擬結(jié)果基本相符，達到了設(shè)計意圖，有關(guān)設(shè)計指標(biāo)可應(yīng)用于類似設(shè)計中。

（3）裁彎引河進、出口交角不宜大于30°，曲率半徑可按p>（3—5）B（B為平灘河寬）控制，待沖刷發(fā)展后，逐漸達到合適的彎曲率。裁彎后，宜對凹岸采用就岸防護措施穩(wěn)固裁彎效果。

參考文獻：

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