河道管理范圍劃定水文分析
——以銀川河為例

孫紅麗

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

隨著生態(tài)保護(hù)的重視和加強，人們對河道管理更加重視，有些地方在做未來發(fā)展規(guī)劃時，也提出了河道發(fā)展規(guī)劃[1]。河道發(fā)展規(guī)劃首先得明確各行政管理部門的管理職責(zé)，因而需進(jìn)行河道管理范圍的劃定。河道管理范圍劃定主要考慮河道現(xiàn)狀、河道內(nèi)的水工建筑物，還有安全行洪、水生物繁衍等情況。

國家及一些地方出臺了相關(guān)規(guī)劃的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，用于地方河道管理范圍劃定工作。其中水文分析計算是河道管理范圍劃定的一個重要過程，水文分析計算主要是確定不同頻率的洪水量，以及對應(yīng)的洪水水位，從而確定行洪的安全范圍管理區(qū)域，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)確定相應(yīng)的水位線，最后畫出管理線。以銀川河為例進(jìn)行河道管理范圍劃定的水文分析說明。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

銀川河位于甘肅境內(nèi)積石山縣，屬于黃河一級支流，匯入口距劉家峽水庫較近。源地海拔4068m，上游稱別藏河，出山口高程約2700m，主流長40.6km，流域面積457km2。主要支流居集河發(fā)源地雷積山，于別藏鎮(zhèn)橋頭村匯入銀川河，還有尕小河、大泉溝、鐵郎溝等河流，如圖1所示。

圖1 甘肅省黃河干流一級支流銀川河水系

1.2 資料收集

銀川河內(nèi)有銀川水文站、癿藏水文站，銀川水文站位于銀川鄉(xiāng)西番莊，控制集水面積359km2，具有1971—1983年共12a實測流量資料。于1984年上遷更名為癿藏水文站，集水面積46.6km2，收集到32a實測流量資料和洪水資料。

采用無人機測量干流的地形地貌[3]，并按照河流變化，布設(shè)了75個斷面。在水文分析計算過程中，根據(jù)主要支流匯入、主要水利工程選取分析計算控制斷面，共選取了3個控制斷面，分別為2#、48#、75#斷面。

1.3 研究方法

1.3.1河道管理范圍劃定

河道管理范圍主要依據(jù)以下2個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃定[4]，有水利工程、河堤等設(shè)施的，以現(xiàn)有工程堤防為基礎(chǔ)畫管理線，以10a一遇洪水水位線復(fù)核[5]；無河堤及其他水利設(shè)施的以10a一遇洪水水位線為主。

1.3.2洪水量計算

(1)水文比擬法。在有些水利工程規(guī)劃設(shè)計中，常遇到小河流上缺乏實測徑流資料，或雖有短期實測徑流資料但無法展延，常用間接的水文比擬法推求，該方法面積變化在20%以內(nèi)具有一定的實用性，由于部分地區(qū)水文、降水資料欠缺可適當(dāng)延長到30%以內(nèi)使用。

(1)

式中，Q斷—控制斷面洪峰流量，m3/s；Q參—實測水文站或洪水調(diào)查斷面洪峰流量，m3/s；F斷—控制斷面集水面積，km2；F參—實測水文站或洪水調(diào)查斷面集水面積，km2。

(2)經(jīng)驗公式法。主要采用《甘肅省水文圖集》中的洪峰流量公式，該方法主要適用于區(qū)域資料系列短，或區(qū)域內(nèi)無水文、降水資料，以及區(qū)域周邊也無任何資料等情況[6]。一般是作為參考，部分水利工程建設(shè)要求不是特別高的情況下使用。

(2)

式中，q—洪峰流量模數(shù)，m3/s/km2；F—集水面積，km2；C—不同頻率洪峰流量模數(shù)對應(yīng)的常數(shù)，通過在《甘肅省水文圖集》中根據(jù)不同河流查表得出。地區(qū)經(jīng)驗公式一般參照本地分析研究成果。

1.3.3洪水水位計算

采用謝才-曼寧公式法起推斷面洪水水位，建立水位流量關(guān)系線，從關(guān)系線中查出洪水水位；根據(jù)恒定非均勻流能量方程推算非控制斷面水面線[7]，以控制斷面為基點，由下游向上游逐段試算出其他各斷面的水位。

1.3.4河床演變分析

河床演變分析主要從3個方面進(jìn)行分析，分別對造床流量、河相系數(shù)、穩(wěn)定河寬進(jìn)行分析[8]。按照相應(yīng)規(guī)范，河相系數(shù)計算公式：

(3)

式中，ζ—河相系數(shù)；B—造床流量對應(yīng)的河寬，m；H—平均水深，m。

計算穩(wěn)定河寬采用阿爾圖寧公式，穩(wěn)定河道系數(shù)選擇1.3，其公式為：

(4)

式中，B穩(wěn)—穩(wěn)定河寬，m；A—穩(wěn)定河道系數(shù)；Q—造床流量，m3/s；J—比降。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計洪水計算

采用不同方法計算控制斷面2#、48#、75#斷面設(shè)計洪水量。

2.1.1水文比擬法

分別根據(jù)銀川水文站適線洪峰流量成果，采用面積比擬法計算控制斷面2#、48#、75#斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量，計算成果見表1。

表1 水文比擬法計算成果

2.1.2地區(qū)經(jīng)驗公式法

根據(jù)《甘肅省水文圖集》的地區(qū)經(jīng)驗公式計算的2#、48#、75#斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量，計算成果見表2。

表2 地區(qū)經(jīng)驗公式法計算成果 單位：m3/s

2.2 河道參數(shù)選定

2.2.1河道坡降

驗證計算坡降采用現(xiàn)狀實測坡降，根據(jù)設(shè)計斷面高程推求規(guī)劃河道坡降，規(guī)劃界限河段的比降為12.8‰。銀川河劃界河段水面線如圖2所示。

圖2 銀川河劃界河段水面線

2.2.2河道糙率

天然河道的糙率采用下列方法分析確定：有實測河道水面線和相應(yīng)流量時，采用水面線計算公式推求糙率；無實測資料時，根據(jù)地形、地貌、河床組成、水流條件等特性與本河段相似的本河道其他河段或其他河道的實測糙率資料進(jìn)行類比分析后選定；無相似河段可類比時，可查閱相關(guān)糙率取值手冊分析選定。銀川河主河道糙率采用值為0.035～0.050。

2.3 起推水位的確定

規(guī)劃河流干流上無水利工程，起推水位為規(guī)劃河流入河口防洪標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)頻率的水位。若收集到已批復(fù)規(guī)劃報告中有起推水位，則直接采用；若無已知的起推水位，則根據(jù)斷面形態(tài)、洪峰流量及河道下墊面情況等，采用謝才-曼寧公式計算起推斷面處的水位。

銀川河無已知的起推水位，根據(jù)斷面形態(tài)、洪峰流量等，采用曼寧公式計算斷面處的起推水位。不同水位對應(yīng)的面積計算，采用大斷面圖幾何面積計算。

2#大斷面如圖3所示，曼寧公式計算得水位流量關(guān)系線如圖4所示，其他斷面圖不再列舉。2#斷面10a一遇的洪水流量為137m3/s，通過水位流量關(guān)系線圖查找出對應(yīng)的水位為1988.29m，作為1#—2#區(qū)間的起推水位。

圖3 2#大斷面

圖4 2#斷面的水位-流量關(guān)系線

48#斷面10a一遇洪水流量為397m3/s，通過水位流量關(guān)系線圖查找出對應(yīng)的水位分別為1804.85m，作為3#—49#區(qū)間的起推水位；75#斷面10a一遇洪水流量為631m3/s，通過水位流量關(guān)系線圖查找出對應(yīng)的水位為1733.42m，作為50#—75#區(qū)間的起推水位。

2.4 河段演變分析

河段演變分析采用衛(wèi)星圖的多年變化分析是最確切的，由于資料缺乏，一般采用河道形態(tài)、河勢穩(wěn)定相關(guān)系數(shù)來分析，首先必須確定造床流量，造床流量既不是最大洪水流量，也不是枯水流量，而是在洪水期較大且穩(wěn)定的洪水流量。因為最大洪水流量的造床作用雖強，但歷時過短，影響不是最大；枯水流量雖作用時間長，但造床影響較小。在實際工作中計算造床流量的方法很多，常用的有馬卡維也夫法、平灘水位法和2a一遇洪峰流量法。本次采用2a一遇設(shè)計洪水流量為造床流量。

銀川河劃界河段控制斷面的3要素計算成果見表3。

表3 河段演變分析成果

從表3中可以得出河相系數(shù)為0.12～0.25，穩(wěn)定河相系數(shù)越小說明河床越穩(wěn)定，甘肅省內(nèi)河相系數(shù)一般在10左右，說明銀川劃界河段遠(yuǎn)小于甘肅省內(nèi)一般值；穩(wěn)定河寬為29.22～33.33m，基本都小于現(xiàn)狀河寬，說明河段穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

河道管理范圍劃定水文分析[9]主要從設(shè)計洪水、河道參數(shù)選定、起推水位的確定、河段演變分析4個方面進(jìn)行計算，其他斷面采用數(shù)據(jù)模型搭建及水面線推求，來確定洪水水位線，由于其他斷面量較大，本文沒有展開分析論述，最終以3個斷面推算出10a一遇洪水水位，作為管理范圍劃界的依據(jù)。