蘭州新區(qū)水阜河上游流域河道淺析

王 磊，毛 力

（蘭州新區(qū)水務(wù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州新區(qū) 730300）

蘭州新區(qū)是全國(guó)第五個(gè)、西北地區(qū)第一個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，位于隴西黃土高原的西北部，是青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交匯地，也是祁連山脈東延之余脈插入隴西盆地的交錯(cuò)地帶，南北長(zhǎng)約73 km，東西寬約32 km，規(guī)劃總面積1744 km2，地理坐標(biāo)為北緯36°17′15″～36°43′29″，東經(jīng)103°29′22″～103°49′46″［1]。

隨著蘭州新區(qū)城市化和工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)發(fā)展，人為擾動(dòng)的不斷加強(qiáng)，造成水泥固化面積不斷增加，原始行洪河道不斷破壞，下墊面滯蓄洪水能力不斷發(fā)生變化，促使新區(qū)洪水排泄無(wú)“出路”；同時(shí)，近年來(lái)蘭州新區(qū)氣候異常，降雨較大，雨水匯流后形成的季節(jié)性洪水時(shí)常發(fā)生且洪峰流量較大。因此，蘭州新區(qū)防洪面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1 流域概況

水阜河是蔡家河的一級(jí)支流，黃河的二級(jí)支流，全流域集水面積405.63 km2，河道總長(zhǎng)約48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔鎮(zhèn)山字墩，依次流經(jīng)趙家鋪、窩窩井，至水阜鎮(zhèn)的石澇池、而后流經(jīng)砂崗村、水阜村、燕兒坪、長(zhǎng)川村、老鸛村、最后于石洞鎮(zhèn)文山村匯入蔡家河。

水阜河徑流主要由降水補(bǔ)給，枯季主要由地下水補(bǔ)給，年徑流模數(shù)從上游向下游遞增。徑流年際變化比較穩(wěn)定，但年內(nèi)分配極不均勻，6月～9月的徑流量占全年徑流量的70%以上。

水阜河在地貌單元上屬?gòu)?qiáng)烈侵蝕堆積的黃土丘陵區(qū)，屬隴西黃土高原的西北部分，黃土覆蓋在起伏較小的白堊系紅層之上，微地貌主要有黃土構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)及水阜河谷區(qū)兩個(gè)地貌區(qū)。水阜河谷走向多呈東西向，屬季節(jié)性河道，谷底呈“U”字型。流域內(nèi)植被覆蓋率極低，80%以上的地面呈裸露狀態(tài)，水土流失非常嚴(yán)重。同時(shí)，流域內(nèi)干旱、霜凍、暴雨等自然災(zāi)害頻繁。

水阜河支溝較發(fā)育，大小支溝約55 條，其中流域面積大于1 km2的支溝共16 條，左岸7 條，右岸9 條。為了保障蘭州新區(qū)東南片區(qū)工業(yè)廠區(qū)和組團(tuán)產(chǎn)業(yè)財(cái)產(chǎn)安全，保證中水管道蓄納的雨洪匯流至水阜河能順利排泄，研究選取水阜河上游流域趙家鋪至窩窩井6.4 km 行洪河道為研究對(duì)象。

2 河道現(xiàn)狀及問(wèn)題

2.1 河道現(xiàn)狀

2016年在趙家鋪村以南游修建蘭州新區(qū)南繞城快速路，橫穿截?cái)嗨泛樱访娓叱鰷系?0 余米。水阜河經(jīng)南繞城快速路截?cái)嗪笕饔蚣娣e減為379.53 km2，河道長(zhǎng)39.08 km，河床平均比降8.4‰。上游流域山地被推平，雨水匯入市政管網(wǎng)。

2.2 河道存在的問(wèn)題

（1）現(xiàn)狀河道被耕地、林地、村莊等占用，沒(méi)有明顯河槽，一遇洪水沖毀房屋、農(nóng)田和路基的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

（2）現(xiàn)狀河道比降陡，主河槽寬窄變化大，河道河灣有發(fā)展下移趨勢(shì)。

（3）河道管理不到位，缺乏專(zhuān)項(xiàng)資金，只修不管，同時(shí)河道內(nèi)存在“亂采、亂挖、亂推、亂倒、亂建”等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著河道的防洪能力。

3 河道演變及河相分析

3.1 河道演變

（1）河道形態(tài)

水阜河大體由西北流向東南，河道全長(zhǎng)約49 km，天然落差400 m，平均比降8‰，河谷寬約50 m～300 m，河床呈寬淺的“U”字型，河道總體彎曲，多處出現(xiàn)“S 型”河彎，部分段較為順直，屬于蜿蜒型河道。

（2）影響因素

水阜河道的演變主要受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、河道邊界、來(lái)水條件等因素的影響。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以間歇性升降為主，全新世以來(lái)，地殼下降運(yùn)動(dòng)逐漸緩和，河道除繼續(xù)下切侵蝕外，水平方向的側(cè)蝕有所加強(qiáng)。水阜河岸多為I 級(jí)洪積臺(tái)地前緣，屬土質(zhì)岸坡，抗沖刷能力較差，在縱向輸沙基本平衡的條件下，河道泥沙交換以橫向?yàn)橹?，易造成河道水流偏移，也是河道變遷的重要原因。

從來(lái)水條件看，水阜河徑流量小，其影響微弱；水阜河多暴雨洪水，雖然作用時(shí)間短，但能量大，是影響河勢(shì)變化的主要原因之一［2]。若洪水量級(jí)較大，則其挾沙能力強(qiáng)，河道以沖刷為主；反之，河道則淤積。河道沖刷一般發(fā)生在大洪水過(guò)程較短的時(shí)間內(nèi)，而淤積過(guò)程則需要較長(zhǎng)的時(shí)間。同時(shí)，水阜河谷較為開(kāi)闊，給主槽的的蜿蜒彎曲提供了條件。

（3）歷史及近期演變

水阜河谷在水阜村以上較為狹窄，河谷寬度在50 m 以?xún)?nèi)，自水阜村以下開(kāi)始變得開(kāi)闊，河谷寬度在50 m～300 m 之間。河谷地層主要為白堊系紅色砂巖和第四系沖洪積堆積物，地質(zhì)構(gòu)造條件較好，經(jīng)考證及查閱歷史洪水文獻(xiàn)資料，水阜河受山體的限制，河道未發(fā)生過(guò)改道和變遷情況。同時(shí)，依據(jù)50年代和80年代1∶5 萬(wàn)地形圖作平面對(duì)照分析，可以看出，水阜河主槽河勢(shì)也基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只是局部有河道變窄、大灣變小灣等變化，這主要是受到人為填河造地的影響所致。

（4）演變趨勢(shì)

水阜河河床穩(wěn)定性較差，泥沙平水期也有移動(dòng)，引起河道變遷的主要原因是河床底蝕和側(cè)蝕。水阜河河床質(zhì)為松散的砂礫石層，河岸為土質(zhì)岸坡，抗沖刷能力較差，是造成河床側(cè)蝕的主要原因。工程區(qū)凹岸以側(cè)蝕沖刷為主，凸岸以淤積為主，現(xiàn)代河床受人工影響呈蛇曲狀，河床淤積嚴(yán)重，影響行洪安全。

3.2 河相分析

（1）造床流量

造床流量按平灘水位法，或直接用年平均流量、日平均最大流量、10%～20%（較大河流）或66.67%（較小河流）頻率的洪峰流量進(jìn)行對(duì)比，最后確定合適的造床流量［3]。根據(jù)本次治理河段年平均流量小，枯水期長(zhǎng)，洪枯水量相差懸殊，無(wú)穩(wěn)定中水期的特點(diǎn)，選用2 a 一遇洪峰流量作為計(jì)算值，為6.07 m3/s。

（2）河道穩(wěn)定性指標(biāo)①縱向穩(wěn)定系數(shù)［4]:

式中：Φh為縱向穩(wěn)定系數(shù)；d為床沙平均粒徑，m；J為縱向比降；h為河流平灘水深，m。

穩(wěn)定系數(shù)Φh的大和小，只表示泥沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)和弱，泥沙運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，河床的變化也愈劇烈。穩(wěn)定系數(shù)在實(shí)際中可以作為判斷河流泥沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和沙丘運(yùn)動(dòng)引起河床變形強(qiáng)度的依據(jù)［5]。Φh值愈大，則泥沙運(yùn)動(dòng)愈弱，河床愈不易變形；相反Φh值愈小，則泥沙運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，河床愈易變形［6]。因此，這一系數(shù)只能表達(dá)河床底部的穩(wěn)定性，并不能表達(dá)河岸的穩(wěn)定性。

經(jīng)計(jì)算水阜河本次治理段河床縱向穩(wěn)定系數(shù)為0.015，見(jiàn)表1，說(shuō)明河床泥沙運(yùn)動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，河床縱向易變形，溝道河床縱向穩(wěn)定性較差。

表1 水阜河治理段河床縱向穩(wěn)定計(jì)算表

②橫向穩(wěn)定系數(shù)［7]：

式中：Φb為橫向穩(wěn)定系數(shù)；Q為造床流量，m3/s；J為縱向比降；B為相當(dāng)造床流量的平灘河寬，m。

決定河岸穩(wěn)定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗沖能力，其次是灘槽高差。研究表明，Φb值越大，河身相對(duì)較窄，比降較少，水流平緩歸順，河岸越穩(wěn)定；反之，Φb值越小，則河岸越不穩(wěn)定［8]。水阜河本次治理段河道的造床流量為6.07 m3/s、比降為8‰、平灘河寬為11 m，經(jīng)計(jì)算工程區(qū)河段河岸的橫向穩(wěn)定系數(shù)為0.59，見(jiàn)表2，說(shuō)明項(xiàng)目區(qū)水阜河岸橫向穩(wěn)定性較差。

表2 水阜河治理段河道橫向穩(wěn)定計(jì)算表

（3）河相關(guān)系

根據(jù)河床演變理論，沖積河流通過(guò)自動(dòng)調(diào)整作用，作為較長(zhǎng)時(shí)期的平均情況來(lái)說(shuō)，有可能處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在斷面形態(tài)和縱剖面與流量因素之間應(yīng)該存在某種定量關(guān)系，這種定量關(guān)系一般稱(chēng)為河相關(guān)系［9]。

用寬深比關(guān)系表達(dá)［10]：

式中：ξ為河相系數(shù)；B為平灘水位時(shí)河寬，m；H為平灘水位時(shí)水深，m。

研究表明，斷面河相系數(shù)越小，河床越穩(wěn)定，反之則越不穩(wěn)定，斷面愈寬淺，水流對(duì)兩岸側(cè)蝕愈強(qiáng)烈［11]。按照項(xiàng)目區(qū)河道所選典型斷面造床流量所對(duì)應(yīng)的水面寬及水深計(jì)算，得到水阜河治理段典型斷面的河相系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水阜河治理段造床流量及河相系數(shù)表

按照水阜河治理段造床流量所對(duì)應(yīng)的水面寬及平均水深計(jì)算，得到水阜河治理段河相系數(shù)為7.9，參考甘肅省黃河流域的一些河流，穩(wěn)定河段的河相系數(shù)一般在4.0～10.0 之間，計(jì)算所得的河相系數(shù)介于穩(wěn)定河段的河相系數(shù)，說(shuō)明該河段形態(tài)較穩(wěn)定。

4 河道治理

4.1 治理原則

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀及保護(hù)范圍，在充分認(rèn)識(shí)河段水性特點(diǎn)、水量變化規(guī)律的前提下，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取護(hù)岸與河道治理相結(jié)合，護(hù)岸與道路相結(jié)合，防洪與排洪相結(jié)合的方式，完善防洪體系，提高防洪能力，確保工程防護(hù)區(qū)在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下不受洪水侵害，并在滿(mǎn)足防洪要求的基礎(chǔ)上打造生態(tài)水系景觀，促進(jìn)新區(qū)多元功能的集聚。

4.2 治理目標(biāo)

（1）提高防洪能力通過(guò)治理，進(jìn)一步完善水阜河的防洪工程，形成有效的防洪減災(zāi)體系，提高河道的過(guò)洪能力和對(duì)災(zāi)害的預(yù)警能力，更好地保障沿岸群眾的財(cái)產(chǎn)和生命安全，解決鎮(zhèn)域發(fā)展與防洪減災(zāi)的突出矛盾。

（2）有效改善生態(tài)環(huán)境目前，水阜河生態(tài)環(huán)境狀況較差，垃圾、雜草、淤積等臟亂差的問(wèn)題嚴(yán)重影響著沿線居民的生產(chǎn)生活。通過(guò)生態(tài)治理，可以大大改善河道周邊的人居環(huán)境和區(qū)容區(qū)貌，改善流域域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)文明的建設(shè)。

（3）有效減少水土流失通過(guò)永久性工程與臨時(shí)工程相結(jié)合，全面治理和重點(diǎn)治理相結(jié)合，工程措施和植物措施相結(jié)合的辦法，建立一個(gè)水土保持功能完善、結(jié)構(gòu)合理、效益顯著的水土保持綜合防治體系，從而達(dá)到控制減少水土流失，綠化美化環(huán)境，促進(jìn)人與自然的和諧，水土資源的可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

水阜河上游河段形態(tài)較為穩(wěn)定，但針對(duì)水阜河治理滯后，防洪安全隱患大，縱向、橫向穩(wěn)定性以及河道形象較差等諸多亟待解決的問(wèn)題，蘭州新區(qū)河道生態(tài)治理已不僅是防洪的迫切需要，也是改善生態(tài)環(huán)境、建設(shè)生態(tài)文明城市的迫切需要，更是提升景觀和文化品位、改善人居環(huán)境和安全的迫切需要。因此在堅(jiān)持河道治理原則、目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建議蘭州新區(qū)水阜河河道生態(tài)治理建設(shè)盡快落實(shí)并實(shí)施。