新疆中小河流岸線邊界劃定方法研究

謝 蕾，劉生云，2，毛遠輝

(1.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局，新疆烏魯木齊 830000；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

隨著自治區(qū)城市化進程的加快，沿河湖開發(fā)活動和臨水建筑物日益增多，特別是河湖長制的全面推行[1]，部分地州對河流(湖泊)岸線利用的需求及河道管理的要求逐步提高[2，3]，需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會發(fā)展和相關(guān)行業(yè)部門對岸線保護利用的要求與需求，劃定岸線各功能區(qū)。新疆對河道岸線利用的主要探索成果有軋文倩，趙健等(2008)提出了對河道岸線的利用管理建議[4]；徐仁(2010)研究了巴州開都河岸線功能區(qū)[5]、吳雪楓(2019)研究昌吉市三屯河流域各區(qū)段的岸線管理范圍[6]等。以上成果均是對岸線開發(fā)利用現(xiàn)狀、管理經(jīng)驗和存在問題進行總結(jié)，對河流(湖泊)岸線功能進行了分析，但對岸線邊界線如何劃定沒有詳細研究。

2019年3月按照水利部辦公廳關(guān)于河湖岸線保護與利用規(guī)劃編制指南(辦河湖函〔2019〕394號，以下簡稱“編制指南”)明確了岸線保護與利用規(guī)劃編制的核心工作是確定岸線邊界線。根據(jù)目前新疆河道岸線規(guī)劃編制情況看，初步成果普遍未能很好結(jié)合各河道特點，對岸線劃定的關(guān)鍵不能較好把握，較多河流岸線規(guī)劃成果不盡合理，具體表現(xiàn)在缺乏對河勢演變特性、岸線穩(wěn)定性等分析；對臨水邊界線劃定采用的造床流量的概念理解不深，多是直接采用某一頻率(如五年一遇)洪峰流量，有的甚至簡單認為是設防流量的一半；普遍缺少設計洪水水面線計算成果，較多采用很早前完成的防洪規(guī)劃確定的穩(wěn)定河寬計算成果……，這些問題導致劃定的岸線控制線成果不合理，地方政府有關(guān)部門對岸線控制線提出較多意見，將直接影響下一步河道管理范圍的確權(quán)劃界工作。

因此根據(jù)新疆中小河流特點，按照“編制指南”和有關(guān)規(guī)范要求，研究提出新疆中小河流岸線邊界線確定的方法，對加快岸線保護與利用規(guī)劃編制，推進河道確權(quán)劃界，保障岸線保護與利用管理工作順利開展十分必要。

2 新疆河流基本情況

2.1 河流概況

新疆境內(nèi)河流眾多，據(jù)不完全統(tǒng)計全疆共有大小河流3355條，縣級以上管轄的河流共有1955條。其中巴州、和田兩地河流條數(shù)占全疆縣以上管轄條數(shù)的49%。伊犁州、阿勒泰、克州和喀什四地河流條數(shù)僅占20%，但徑流量占54%，由此可見流量相對較大的河流分布在新疆西北部，東南部則多小河。

除額爾齊斯河外，新疆的河流均為內(nèi)陸河，河流大多散失于灌區(qū)或荒漠，少數(shù)在低洼地形成湖泊；河道形態(tài)“虎頭蛇尾”，即上游山區(qū)段，峽谷深切，支流眾多，水量充盈；出山口后河道擺動幅度大，加之經(jīng)濟社會用水增加，河流水量急劇減少，變成涓涓細流甚至斷流變成季節(jié)性河流。大多數(shù)河流徑流年內(nèi)分布極不均勻，夏季徑流集中下泄，冬季河道結(jié)冰斷流。洪水類型多為融雪型洪水和冰川融水，洪水主要集中在夏季，洪水峰高量小，來勢猛。特別是南疆河流大多含沙量大，加上河道比降大，造成的洪水泥沙災害主要表現(xiàn)為灘岸沖刷，局部存在洪水淹沒。因此新疆中小河流河道整治主要以防洪、控制河勢為主，兼有灌溉、供水、生態(tài)保護等要求。充分認識新疆中小河流洪水特性及河道特點，針對性收集設計洪水、河道平面與橫斷面圖，為岸線劃定奠定基礎(chǔ)。

2.2 中小河流治理情況

新疆中小河流特別是城市河段，如天山北坡中段諸河、艾比湖水系、和田河流域等人口稠密、土地資源緊缺地區(qū)，河道兩側(cè)和湖泊周邊岸線的利用程度較高。由于河流(湖泊)岸線范圍不明，功能界定不清，河道管理缺乏依據(jù)，部分河段岸線開發(fā)無序或過度開發(fā)，對河道(湖泊)行洪蓄洪帶來不利影響，同時河流生態(tài)環(huán)境遭到破壞。2009年以來，隨著全國中小河流治理的開展，新疆實施了重點地區(qū)中小河流近期治理，編制了330條流域面積200～3000km2的河流，及葉爾羌河、阿克蘇河、和田河等13條流域面積3000km2以上河流的防洪規(guī)劃或綜合治理規(guī)劃及防洪整體可研等。截止到2019年6月，共完成200余條流域面積200～3000km2的中小河流治理項目406個，治理河長6500km；除提孜那甫河外，流域面積3000km2以上河流已完成項目治理183個，修建堤防(護岸)719km。已完成的防洪規(guī)劃、流域綜合規(guī)劃以及已實施的各類防洪治理工程，為岸線劃定提供了依據(jù)。

3 計算方法

岸線邊界線劃定是岸線規(guī)劃工作中的重點內(nèi)容。岸線邊界線分為臨水邊界線和外緣邊界線，其中臨水邊界線是根據(jù)穩(wěn)定河勢、保障河道行洪安全和維護河流湖泊生態(tài)等基本要求，在河流沿岸臨水一側(cè)順水流方向或湖泊(水庫)沿岸周邊臨水一側(cè)劃定的岸線帶區(qū)內(nèi)邊界線。臨水邊界線劃定涉及因素多，技術(shù)難度大，是岸線規(guī)劃工作的關(guān)鍵。

按照“編制指南”，結(jié)合新疆河流的特點，臨水邊界線劃定有三種方法，分別是①以治導線或整治方案線(一般為中水整治線)為劃分依據(jù)；②平原河道以造床流量或平灘流量對應的水位與陸域的交線或灘槽分界線為依據(jù)；③山區(qū)性河道以防洪設計洪水位與陸域的交線為依據(jù)。因此臨水邊界線劃定主要涉及設計洪水位計算、造床流量和治導線確定等內(nèi)容。

3.1 設計洪水位計算方法

3.1.1水力學計算方法

設計水面線推求采用水力學法，可按照忽略局部水頭損失的伯努利方程[7]，先采用曼寧公式推求水面線的起始水位，再采用逐段試算法，自河道最下游斷面逐個向上游推算，計算方程如下：

(1)

式中，Z上、Z下—上、下游斷面的水位，m；V上、V下—上、下游斷面的流速，m/s；α—動能修正系數(shù)，取1；hy—沿程水頭損失，m。

其中，

(2)

其中，

Q=AR2/3J1/2/n

(3)

式中，J—水面比降；其它參數(shù)同前。

3.1.2水面線計算需考慮的因素

在計算河道的設計水面線時，應采用實測的地形斷面(斷面形態(tài)、河底高程)。結(jié)合河道地形特點，河床及岸壁組成、河道兩岸植被生長情況、河道治理情況，綜合考慮選取河道糙率。對于南疆部分淤積嚴重的河流(段)，還要考慮泥沙淤積對設計水位的影響。

對近年來防洪規(guī)劃得到批復的河流，設計洪水位可直接采用規(guī)劃成果?？紤]到新疆較多河流防洪規(guī)劃編制時間已久，隨著近年來上中游防洪工程實施，需要對設計洪水開展必要的復核工作，分析研究設計洪水位變化情況。如和田河東支玉龍喀什河需要考慮玉龍喀什水利樞紐建設后河段洪峰流量的變化情況。

3.2 造床流量計算方法

按照有關(guān)規(guī)范，結(jié)合新疆融雪型河流特點[8]，造床流量采用平灘流量法、馬卡維也夫法計算。平灘流量是指某一斷面的水位與灘唇齊平時該斷面所通過的流量，可以通過水位流量關(guān)系確定，平灘流量隨來水來沙條件和斷面形態(tài)的變化而變化。

馬卡維也夫法通過造床強度和歷時進行計算。造床強度與水流輸沙率有關(guān)，而輸沙率與Qm及比降J的乘積成正比，歷時可用流量出現(xiàn)的頻率P表示。因此，當Qm·J·P值最大時對應流量即為造床流量，即Q造為Max(Qm·J·P)對應的Q值。其中Q為各級流量的平均值，m3/s；J為各級流量相應的比降；P為各級流量出現(xiàn)的頻率；m為經(jīng)驗值，一般取2。

根據(jù)水文站汛期實測流量及相應河道比降，分析點繪Q-Qm·J·P相關(guān)關(guān)系，即可得到相應水文站斷面造床流量。為驗證按照上述公式計算結(jié)果的合理性，通常采用其他公式進行驗證，如長江科學院羅敏遜法等[9]。

3.3 治導線及整治河寬計算公式

新疆中小河流治理規(guī)劃普遍采用阿爾圖寧公式確定治導線，岸線規(guī)劃編制時整治河寬可采用該方法計算復核。阿爾圖寧公式如下：

B=AQ0.5/J0.2

(4)

式中，B—穩(wěn)定水流寬度，m；A—系數(shù)；Q—造床流量，m3/s；J—河道平均縱坡。

系數(shù)A與灘岸或河岸土質(zhì)有關(guān)，根據(jù)不同河流彎曲或游蕩特征，參考國內(nèi)有關(guān)河流治理經(jīng)驗及新疆和田玉龍喀什河實測資料，系數(shù)A在1～5范圍內(nèi)選取。

在上述計算成果的基礎(chǔ)上，按照規(guī)范要求，進行治導線繪制，并根據(jù)治導線繪制成果，結(jié)合河勢變化情況，初定臨水線。

4 應用實例

新疆河流的特點是上游為山區(qū)河道，中下游出山口以下為平原河道，因此設計洪水位和造床流量或平灘流量的計算是臨水線劃定基礎(chǔ)和關(guān)鍵的工作。以和田河為例，選取兩個典型斷面進行分析，分別是斷面1-玉龍喀什河與喀拉喀什河匯合口斷面，斷面2-肖塔斷面附近斷面，距離上游斷面1大約268km，并采用馬卡維也夫法和平灘流量法計算干流河段造床流量。

4.1 水面線計算成果

利用水力學法計算由和田河干流下游往上游推算，根據(jù)斷面情況，受篇幅限制，曼寧公式糙率取0.015，計算和田河干流河道平均比降為0.0006。計算沿程各斷面水位并繪制水面線，水力學計算成果詳見表1。

表1 玉龍喀什水利樞紐建成后和田河典型斷面水面線成果表

4.2 臨水線確定

4.2.1造床流量的確定

(1)馬卡維也夫法。斷面1以和田河艾格利亞水文站、吐直魯克水文站2006—2014年逐日平均流量，斷面2以肖塔水文站2006—2014年逐日平均流量作為計算基礎(chǔ)系列，并以每50m3/s對出現(xiàn)頻次進行分級統(tǒng)計[10]，兩個典型斷面頻率統(tǒng)計成果見表2。

流量指數(shù)m的確定。參考玉龍喀什河同古孜洛克水文站徑流、泥沙均相對較大的1978年、1980年和2005年逐日流量、輸沙率系列，繪制流量-輸沙率雙對數(shù)關(guān)系曲線，取斜率m為2.38。

依據(jù)前述確定的各參數(shù)，計算各分級平均流量下的QmPJ值，并分別繪布和田河上、下游代表斷面的Q-QmPJ關(guān)系曲線，QmPJ值的最大值對應的流量，即為和田間上、下游代表斷面處的造床流量。和田河干流斷面1、2處的造床流量分別為475m3/s、425m3/s。

(2)平灘流量法

結(jié)合實測大斷面選取河道平均糙率為0.015，河道比降為0.0006，采用曼寧公式法計算斷面1、斷面2處的平灘流量，并計算其相應的水位，其中斷面1以1205.66m為平灘水位，相應平灘流量為458m3/s；斷面2以1036.64m為平灘水位，計算得平灘流量為413m3/s，斷面1和斷面2大斷面圖和平灘流量對應水位關(guān)系如圖1所示。

(3)方案推薦

對比分析馬卡維耶夫法、平灘流量法計算造床流量結(jié)果，兩者差別不大。由于和田河下游河床寬度200～2500m之間不等，灘槽不明顯，確定平灘水位有較多不確定影響因素，特別是人為因素，且水位流量關(guān)系急陡(如圖2斷面2)，流量對水位變化的敏感度極高，相對誤差較大；馬卡維也夫法相對采用資料準確，考慮了多種因素，因此綜合分析，推薦采用馬卡維也夫法的計算成果，即斷面1-上游兩河匯合口斷面處造床流量為475m3/s，下游斷面2-肖塔斷面處造床流量為425m3/s。

表2 和田河干流斷面1和斷面2分級平均流量及對應頻率成果表

圖1 斷面1和斷面2實測橫斷面及平灘流量圖

4.2.2初步劃定臨水邊界線

(1)以治導線為標準

對已完成防洪規(guī)劃制定治導線或有整治方案(一般為中水整治線)的河流，按照“編制指南”規(guī)定，以治導線或整治方案線作為臨水邊界線的劃分依據(jù)。但考慮新疆部分中小河流防洪規(guī)劃編制時間較早，在新一輪岸線規(guī)劃工作中需要結(jié)合GB 50707—2011《河道整治設計規(guī)范》，對治導線或整治方案成果進行復核；另有部分河流出山口以下平原河道沒有制訂治導線，則應計算造床流量，采用水力學計算法確定其對應水位及整治河寬為依據(jù)，并采用阿爾圖寧公式進行復核，劃定臨水線，如公式4。

圖2 同古孜洛克站、肖塔水文站不同年份橫斷面套繪圖

以和田河為例，阿爾圖寧公式中，A為穩(wěn)定河寬系數(shù)，越大河岸越不穩(wěn)定，游蕩型河道A=2.23～5.41，考慮和田河干流屬于游蕩河流的實際情況，取A=5.41。結(jié)合上節(jié)造床流量等參數(shù)，計算得斷面1穩(wěn)定河寬為520m，斷面2穩(wěn)定河寬為492m。

(2)平原河道以造床流量或平灘流量對應整治河寬確定

“編制指南”提出平原河道以造床流量或平灘流量對應的水位與陸域的交線或灘槽分界線初定臨水邊界線。新疆境內(nèi)一些中小河流出山后進入平原，河道沖淤變化不大，灘槽不明顯，宜采用造床流量水位與陸域交線確定，造床流量[11]及其對應水位的計算方法同上。對于有明顯灘槽界限的中小河流，可直接采用灘槽分界線初定臨水邊界線。

4.2.3利用河道演變分析復核臨水邊界線

除山區(qū)性河道采用設計洪水位與陸域的交線確定臨水線外，依據(jù)4.2.3節(jié)治導線或造床流量、平灘流量對應的水位與陸域交線作為臨水線的情況，可能存在寬度偏于保守的問題，因此需要根據(jù)河道演變特性與河勢穩(wěn)定性分析，在判斷岸線的穩(wěn)定性[12]基礎(chǔ)上才能最終劃定臨水線，因此上述確定的臨水線只是初定的結(jié)果。

河道演變及河勢穩(wěn)定性分析，主要是根據(jù)以往大斷面測量、建設項目洪水影響評價、近年來中小河流治理成果等，收集歷年河道大斷面圖、歷年河勢圖，并開展必要的大斷面測量，把橫斷面圖、河勢圖進行套繪，分析河道深泓線、灘岸的平面變化，如圖2玉龍喀什河同古孜洛克水文站、和田河肖塔站等橫斷面套繪圖，可以看出平原河段比山區(qū)河段淤積變化明顯，但河勢平面擺動變化不大。結(jié)合河道地質(zhì)資料，在對河床邊界條件進行分析的同時，分析河岸的穩(wěn)定性，考慮已建、擬建河道整治工程情況，及數(shù)學模型計算成果，預估今后的河勢變化趨勢[13-14]，然后按照臨水線初定結(jié)果，綜合分析劃定臨水線。

新疆中小河流河道演變分析大多可以簡化。對于出山口以上山區(qū)性河道，河床相對穩(wěn)定，可根據(jù)收集的河道地形圖、歷年衛(wèi)星影像等簡單分析；對于塔里木河干流[15-16]以及阿克蘇河、葉爾羌河部分河勢擺動沖淤變化較大的河流、河段，河道斷面、地形資料相對豐富，可在大斷面套繪、主流線套繪圖分析基礎(chǔ)上，必要時結(jié)合數(shù)學模型計算，分析河床演變特點，預測河勢變化趨勢。

4.3 外緣線劃定

外緣控制線是根據(jù)河流湖泊岸線管理保護、維護河流功能等管控要求，在河流沿岸陸域一側(cè)或湖泊(水庫)沿岸周邊陸域一側(cè)劃定的岸線帶區(qū)外邊界線。按照“編制指南”，對有堤防工程的河段，可采用已劃定的堤防工程管理范圍的外緣線，其中管理范圍根據(jù)堤防級別，按照相關(guān)規(guī)范確定。

新疆較多中小河流出山口后特別是尾閭河段一般無堤防工程，按照“編制指南”，對這些河段，除根據(jù)設計洪水位與岸邊的交界線劃定外，也可以結(jié)合河流具體情況，根據(jù)已核定的歷史最高洪水位劃定。

對目前無堤防但已規(guī)劃修建防洪工程、水資源利用與保護工程、生態(tài)環(huán)境保護工程的河段，根據(jù)工程建設規(guī)劃要求[17]，結(jié)合工程所在地實際情況，適當預留工程建設用地，在此基礎(chǔ)上劃定外緣線。

5 建議

本次主要是基于對“編制指南”的理解并結(jié)合和田河岸線劃定實例提出岸線劃定方法，但考慮各河流特點及其治理前期工作情況不一，具體工作中還需完善。

(1)加強河道演變分析。新疆河流大多缺乏多年河勢套繪圖、主流線套繪圖等，造成河道演變分析內(nèi)容單薄，對于塔里木河、伊犁河、葉爾羌河等較大河流，影響岸線劃定成果的合理性。建議結(jié)合近年來河道治理等成果，收集不同年代的遙感資料、工程設計資料及修建橋梁等涉河建筑物設計施工資料等，加強河道演變分析工作。

(2)結(jié)合河道地形特點，注意分段分析?！熬幹浦改稀狈诸愄岢隽瞬煌闆r下岸線邊界線確定方法，在實際工作中應根據(jù)河流具體特點靈活運用，根據(jù)山區(qū)段、出山口段、平原段(尾閭段)河道不同特征，分段分析。

(3)本次實例中和田河采用馬卡維耶夫公式計算造床流量進而確定河整治河寬，對于灘槽比較明顯、平灘水位比較容易確定的，采用平灘流量法確定整治河寬更為簡捷。