洪水治導(dǎo)線研究與應(yīng)用

李國棟

（山西省水利發(fā)展中心，山西 太原 030002）

1 引 言

治導(dǎo)線就是為穩(wěn)定河勢而在河道兩岸布設(shè)整治工程所規(guī)劃的水邊線，也稱整治線。治導(dǎo)線規(guī)劃是河流保護治理和岸線功能維護管理的重要依據(jù)。國家頒布的《河道整治設(shè)計規(guī)范》（GB 50707—2011）對治導(dǎo)線有明確的規(guī)定和要求［1］。

關(guān)于治導(dǎo)線的研究及應(yīng)用較多，研究區(qū)域集中在黃河、長江、珠江等江河。2000 年以前對治導(dǎo)線的研究較少，韓曾萃等［2］對錢塘江尖山河段治導(dǎo)線進行了初步研究，劉上煊［3］對長江口治導(dǎo)線規(guī)劃的原則、布置以及產(chǎn)生的效益進行了研究，韓西軍等［4］運用數(shù)學(xué)模型對海河口的治導(dǎo)線規(guī)劃方案進行了研究，黃希敏等［5］對珠?！拈T附近水域的治導(dǎo)線平面布置進行了研究。

2000 年以后對治導(dǎo)線的研究逐漸增多。熊執(zhí)中［6］對景東川河治導(dǎo)線整治方案進行了研究，張翠萍等［7］對渭河下游河道整治治導(dǎo)線進行了研究，王愷忱等［8］以桃花峪—花園口河段為例對黃河下游治導(dǎo)線規(guī)劃進行了討論，吳小明等［9］、范錦春［10］對珠江河口治導(dǎo)線規(guī)劃進行了研究，黎開志等［11］對珠江磨刀門橫洲外治導(dǎo)線方案進行了研究，毛桂囡等［12］利用遙感技術(shù)對江蘇入海河道河口治導(dǎo)線進行了研究，韓曾萃等［13］對錢塘江河口治導(dǎo)線設(shè)計進行了探索，侯瑋［14］分析了御河干流河道洪水治導(dǎo)線，馬良等［15］對多沙河流治導(dǎo)線流路方程進行了研究，王麗麗［16］對區(qū)域中小河系防洪治導(dǎo)線規(guī)劃進行了初步研究。

這些研究成果為江河、河口治理提供了參考依據(jù)，對保障灘岸穩(wěn)定、區(qū)域防洪安全具有重要作用，但這些研究成果及應(yīng)用多集中在中水治導(dǎo)線或枯水治導(dǎo)線方面，對洪水治導(dǎo)線的研究較少。已有文獻中，侯瑋［14］分析了御河干流河道洪水治導(dǎo)線，給出了洪水治導(dǎo)線規(guī)劃思路和分段的洪水治導(dǎo)線成果，但缺少普適性指導(dǎo)。本研究針對洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則進行探討，提出關(guān)鍵控制參數(shù)，以清漳河為例進行詳細分析計算和成果應(yīng)用，以期為江河洪水治導(dǎo)線研究提供參考，為清漳河保護治理提供技術(shù)支撐。

2 治導(dǎo)線布設(shè)原則與控制參數(shù)研究

2.1 布設(shè)原則

現(xiàn)行河道整治設(shè)計規(guī)范［1］中，主要對中水治導(dǎo)線和枯水治導(dǎo)線布設(shè)進行了明確要求，如要求中水治導(dǎo)線根據(jù)整治的目的，因勢利導(dǎo)，充分利用已有整治工程、河道天然節(jié)點和抗沖性較強的河岸，使上、下游平順連接，左右岸應(yīng)兼顧，協(xié)調(diào)各有關(guān)部門對河道整治的要求。對于洪水治導(dǎo)線，提出要根據(jù)設(shè)計泄洪流量來制定，有堤防的河段，應(yīng)將堤線作為洪水治導(dǎo)線；沒有堤防的河段，沒有給出明確說法。侯瑋［14］提出洪水治導(dǎo)線的布置應(yīng)盡量保留河道的自然形態(tài)，盡可能保留或恢復(fù)濕地、沙洲、河灣、急流、淺灘、深潭，不任意截彎取直，不任意改變河道岸線，盡量不填堵、縮窄河道，盡量維持河道原有的自然岸線?？梢钥闯?，布設(shè)洪水治導(dǎo)線的目的不同于中水和枯水治導(dǎo)線，應(yīng)更多考慮保留足夠的河流空間，維護河流行洪、生態(tài)功能。洪水治導(dǎo)線布設(shè)應(yīng)根據(jù)河道水沙條件、河床沖淤演變規(guī)律，并結(jié)合河床地形地貌地質(zhì)等特點，科學(xué)合理布設(shè)。結(jié)合有關(guān)成果，研究提出如下布設(shè)原則。

（1）現(xiàn)狀無堤防河段，洪水治導(dǎo)線原則上以設(shè)計洪水位邊界線為控制線進行布設(shè)。

（2）已有堤防的河段，洪水治導(dǎo)線原則上以現(xiàn)有堤線為控制線進行布設(shè)。

（3）洪水治導(dǎo)線布設(shè)應(yīng)充分利用已建控制性工程及天然節(jié)點，同時考慮河流走勢特點，適應(yīng)不同河型的河勢變化。

（4）洪水治導(dǎo)線應(yīng)各段平順連接，不應(yīng)采用折線或急彎。

2.2 控制參數(shù)

治導(dǎo)線寬度是治導(dǎo)線規(guī)劃設(shè)計的控制關(guān)鍵［16］，洪水治導(dǎo)線寬度要考慮河道地形、地質(zhì)條件，水文泥沙特性，河床演變規(guī)律，經(jīng)濟社會長遠發(fā)展和防洪保護要求等多方面因素合理確定。目前，對中水治導(dǎo)線寬度和枯水治導(dǎo)線寬度都有較為成熟的分析計算方法［7－8，16］，而洪水治導(dǎo)線寬度尚沒有成熟的分析計算方法。侯瑋［14］提出應(yīng)根據(jù)不同的治導(dǎo)線寬度進行水力學(xué)試算，確定合理的洪水治導(dǎo)線方案，要求規(guī)劃的洪水治導(dǎo)線在遇相應(yīng)標準的洪水時，原則上沿線流速不超5 m／s。結(jié)合有關(guān)成果，研究提出如下控制參數(shù)。

（1）單寬流量qb。治導(dǎo)線寬度確定應(yīng)保證有足夠的泄洪空間，盡量保留原有岸線，可以河道單寬流量為控制參數(shù)分析治導(dǎo)線最小控制寬度。單寬流量可結(jié)合已建工程設(shè)計運行資料，根據(jù)當?shù)睾恿鲗崪y洪水流量Q、水面寬度b等資料進行綜合分析確定。

（2）水流流速。適宜的治導(dǎo)線寬度應(yīng)考慮工程安全，避免河道流速過大導(dǎo)致河床或河岸過度沖刷，應(yīng)保留足夠?qū)挾?，設(shè)計防洪標準洪水的斷面流速不宜過大。水流流速要充分考慮當?shù)胤篮楣こ绦问?、材質(zhì)及其防沖要求，結(jié)合當?shù)睾恿鲗崪y洪水流量與流速關(guān)系等，綜合分析確定。

（3）水位升高值。水位升高值是指規(guī)劃治導(dǎo)線布設(shè)堤防后的斷面水位與自然狀態(tài)下的斷面水位相比的升高值。洪水治導(dǎo)線是未來堤防建設(shè)的重要依據(jù)，洪水治導(dǎo)線窄一些就是未來堤距窄一些，水位升高值增大，新堤建設(shè)高度要高一些，工程量就大一些；反之，治導(dǎo)線寬一些，水位升高值減小，新堤建設(shè)高度就可以低一些，工程量就小一些。因此，要考慮堤防建設(shè)狀況合理確定治導(dǎo)線寬度。

3 案例應(yīng)用分析

3.1 研究區(qū)域概況

清漳河屬海河流域南運河水系，上游由兩大支流匯入，一條是清漳東源，發(fā)源于山西省昔陽縣西寨鄉(xiāng)沾嶺山，另一條是清漳西源，發(fā)源于和順縣西部八賦嶺，東西兩源在左權(quán)縣上交漳村匯合后稱清漳河。清漳河干流經(jīng)下交漳村入峽谷地段，河道窄而曲折，至九腰會村出峽谷，于黎城縣東崖底鎮(zhèn)下清泉村西南出境流入河北省涉縣，在河北省涉縣合漳村與濁漳河匯合后稱漳河。清漳河河長210 km，流域面積5 335 km2，其中山西境內(nèi)的流域面積為4 159 km2。

（1）徑流。1956—2019 年清漳河多年平均徑流量為2.62 億m3，徑流的年內(nèi)分配表現(xiàn)為典型的夏雨型，即徑流量的豐枯特征和降水量對應(yīng)，徑流集中程度主要取決于雨季持續(xù)時間和降水量的集中程度，最大月徑流量多出現(xiàn)在8 月，連續(xù)最大4 個月徑流量出現(xiàn)在7—10 月（占全年徑流量的77%）。

（2）泥沙。清漳河泥沙主要由暴雨侵蝕形成。清漳西源和清漳河干流的產(chǎn)沙地類以石山灌叢為主，清漳東源的產(chǎn)沙地類以石山森林為主。清漳河干流劉家莊水文站是重要控制站，1956—2019 年劉家莊站多年平均輸沙量為 593 萬 t，多年平均含沙量為22.7 kg／m3。輸沙量主要來自汛期7—10 月，占全年輸沙量的95%以上。

（3）暴雨洪水。清漳河洪水由暴雨形成，多發(fā)生在7—8 月。根據(jù)劉家莊水文站實測洪水資料統(tǒng)計，年最大洪峰發(fā)生在7—8 月的概率為88.6%，發(fā)生在6 月的概率為5.7%，發(fā)生在9 月的概率為5.7%。由于暴雨集中，因此洪水往往漲落迅猛，洪水過程線形狀隨暴雨歷時長短、降雨面積大小而異。1963 年8 月1 日海河流域發(fā)生了一次全流域性的特大暴雨，連續(xù)降雨過程達10 d，清漳河流域形成了有實測資料以來的最大洪水，劉家莊水文站實測最大洪峰流量為5 660 m3／s，遠大于20 a一遇洪峰流量3 330 m3／s，據(jù)分析洪水重現(xiàn)期為100～200 a。

3.2 洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則

清漳河流域涉及晉冀兩省，由岸線管理、水資源利用等問題導(dǎo)致的水事糾紛時有發(fā)生。隨著近年來流域防洪治理和生態(tài)保護工作的加強，亟須科學(xué)合理確定河道治導(dǎo)線、劃清岸線邊界。結(jié)合清漳河流域?qū)嶋H情況，以河道行洪安全、防洪安全和生態(tài)環(huán)境保護為前提，分析清漳河流域洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則如下。

（1）現(xiàn)狀無堤防河段原則上以設(shè)計洪水位邊界線為洪水治導(dǎo)線。清漳河無堤防河段主要包括順直型河段和彎曲型河段。對于順直型河段，治導(dǎo)線應(yīng)平順布置，與洪水流向基本一致，以利于洪水宣泄，并留出足夠的灘地和泄洪斷面，以安全通過設(shè)計洪水為標準；對于彎曲型河段，治導(dǎo)線布置應(yīng)有利于維護、穩(wěn)定現(xiàn)有河勢，防止凹岸崩退，順應(yīng)河道洪水流勢，使河道凹岸防護工程易于布置，避免急彎、小彎，便于必要時釆用防護工程控制凹岸發(fā)展，改善不利的彎道流勢形態(tài)。

（2）已有堤防且達到規(guī)劃防洪標準的河段，原則上以現(xiàn)有堤線為洪水治導(dǎo)線。清漳河干流以往進行了縣城河段和重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)河段的河道治理，鄉(xiāng)鎮(zhèn)河段治理的防洪標準一般采用10 a 一遇洪水，左權(quán)縣城河段采用50 a一遇洪水，和順縣城河段采用20 a 一遇洪水。因此，考慮現(xiàn)實情況，尊重既有歷史，對已完成治理的河段，堤防達到規(guī)劃防洪標準的以既有堤防內(nèi)邊坡線為洪水治導(dǎo)線；堤防達不到規(guī)劃防洪標準的，原則上按無堤防情況規(guī)劃洪水治導(dǎo)線，規(guī)劃統(tǒng)一采用20 a 一遇洪水設(shè)防。

（3）充分利用已建控制性工程及天然節(jié)點。對于清漳河河道兩岸有控制性建筑物的河段，如已建成的較高等級道路，包括縣道、省道、高速公路等，路面較寬且有一定高度，具備一定的洪水防御能力，在對河道行洪能力進行復(fù)核的情況下，根據(jù)道路臨河內(nèi)沿線規(guī)劃洪水治導(dǎo)線。

（4）洪水治導(dǎo)線各段應(yīng)平順連接。對規(guī)劃同一河段的洪水治導(dǎo)線寬度不應(yīng)突然放大和縮小，不應(yīng)突然轉(zhuǎn)折和急彎，應(yīng)與上下游平順銜接。對局部束水嚴重、泄洪能力明顯小于上下游的窄河段，應(yīng)通過清除阻水障礙達到規(guī)劃要求。

3.3 洪水治導(dǎo)線控制參數(shù)

清漳河為山區(qū)性河道，以砂卵石河床或砂質(zhì)河床為主，抗沖能力較強；從河床沖淤變化和歷史演變情況看，自然狀態(tài)下河道主槽沖淤和橫向平面變化幅度不大。研究提出洪水治導(dǎo)線寬度控制參數(shù)如下。

3.3.1 單寬流量

根據(jù)清漳河以往治導(dǎo)線規(guī)劃有關(guān)工作經(jīng)驗和已建堤防運行情況，如左權(quán)縣鄉(xiāng)村河段，以往規(guī)劃提出清漳東源路家莊到入?yún)R口28 km、西源水泥廠到入?yún)R口31 km以及干流38 km 的河道按照防御10 a 一遇洪水的標準，明確了治導(dǎo)線寬度及單寬流量要求：東源、西源寬度原則上不小80 m，干流寬度不小于120 m，控制治導(dǎo)線寬度內(nèi)的最大單寬流量分別為8.4、6.0、8.7 m2／s。

根據(jù)劉家莊水文站實測資料分析自然狀態(tài)下河道過流量與單寬流量的關(guān)系，見圖1。由圖1 可知，洪水流量為1 000 m3／s 時，單寬流量約為6.2 m2／s；洪水流量為3 000 m3／s時，單寬流量約為17 m2／s?？梢?，劉家莊斷面過水流量越大，單寬流量越大。清漳東源入?yún)R口、西源入?yún)R口和干流省界處20 a 一遇洪峰流量分別為1 316、1 215、1 404 m3／s，按照流量與單寬流量的關(guān)系，自然狀態(tài)下的單寬流量分別為8.2、7.6、9.2 m2／s。

圖1 劉家莊洪水流量與斷面單寬流量的關(guān)系

綜上分析，考慮河道維持一定的行洪空間，認為清漳河無堤防河段洪水治導(dǎo)線原則上在發(fā)生20 a 一遇洪水時單寬流量不大于5 m2／s、在發(fā)生50 a 一遇洪水時單寬流量不大于7.5 m2／s，最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊段落可以適當突破，如自然峽谷段、縣城段等），以此為原則計算各河段洪水治導(dǎo)線最小控制寬度。

3.3.2 流 速

根據(jù)劉家莊1963 年、1981 年、2016 年等大洪水年份實測流量資料，分析斷面單寬流量與最大流速的關(guān)系，見圖2。由圖2 可知，隨著單寬流量的增大，斷面最大流速增大。當單寬流量達到10 m2／s 時，最大流速約為6.3 m／s。根據(jù)最大流速與平均流速的關(guān)系（見圖3），得到相應(yīng)的平均流速約為4 m／s。

圖2 水文站斷面單寬流量與最大流速的關(guān)系

圖3 水文站斷面平均流速與最大流速的關(guān)系

清漳河鄉(xiāng)村河段已建護岸工程多為塊石襯砌。根據(jù)鐵道部第三勘測設(shè)計院［17］、高冬光等［18］對人工護面渠道容許不沖流速的研究，渠道流量大于10 m3／s時，單層塊石鋪砌護面的容許不沖流速為4 m／s，雙層塊石鋪砌的容許不沖流速為5 m／s，混凝土護面（水流中不含砂和卵石）的容許不沖流速為10 m／s。因此，結(jié)合單寬流量要求，從避免工程沖毀角度，提出治導(dǎo)線寬度內(nèi)平均流速宜控制不超過4 m／s。

3.3.3 水位升高值

結(jié)合清漳河以往實際工程經(jīng)驗，根據(jù)規(guī)劃治導(dǎo)線布設(shè)堤防后的斷面水位與自然狀態(tài)下的斷面水位相比的升高值，提出原則上規(guī)劃治導(dǎo)線布設(shè)后的水位升高值控制不超過0.3 m。

綜上分析，考慮不同頻率洪水流量大小，提出清漳河洪水治導(dǎo)線布設(shè)時原則上以20 a 一遇洪水單寬流量不大于5 m2／s、50 a 一遇洪水單寬流量不大于7.5 m2／s、最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊段落可以適當突破，如天然峽谷段、縣城段等）為洪水治導(dǎo)線寬度的主要控制參數(shù)，輔以流速、水位升高值對治導(dǎo)線進行約束，平均流速原則上不大于4 m／s，平均水位升高值原則上不超過0.3 m。

3.4 洪水治導(dǎo)線布設(shè)成果

根據(jù)洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則和控制參數(shù)要求，結(jié)合清漳河流域水利工程、地形地貌、人口分布等影響因素，布設(shè)了清漳河洪水治導(dǎo)線。布設(shè)的治導(dǎo)線可概括為以下幾種類型。

（1）縣城河段。山西省境內(nèi)清漳河流域主要涉及左權(quán)縣、和順縣兩座縣城，考慮城市建設(shè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展情況，將縣城河段的洪水治導(dǎo)線防洪標準確定為50 a一遇（和順縣城已建堤防河段采用20 a 一遇）。已建堤防河段規(guī)劃治導(dǎo)線采用兩岸堤防（防洪墻）內(nèi)沿線作為規(guī)劃治導(dǎo)線，未建堤防河段或僅一岸建設(shè)堤防河段，根據(jù)50 a 一遇洪水水面線，在滿足最小治導(dǎo)線寬度的要求下，考慮對現(xiàn)有人口和重要設(shè)施進行保護，盡量利用已建一岸堤防或道路等劃定洪水治導(dǎo)線。

（2）人口密集的鄉(xiāng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)河段。清漳河干流沿河有較多鄉(xiāng)鎮(zhèn)，部分鄉(xiāng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口集中分布在河道兩岸，距離河道較近，多數(shù)沒有建設(shè)堤防，或者已建堤防標準低。將鄉(xiāng)村河段治導(dǎo)線防洪標準規(guī)劃為20 a 一遇，多數(shù)沿河鄉(xiāng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密集區(qū)不同程度地受到20 a一遇洪水淹沒影響，規(guī)劃治導(dǎo)線在滿足最小控制寬度的要求下，盡量考慮對密集人口區(qū)進行保護。

（3）其他的一般河段。除了上述兩種類型的河段，其他河段原則上按照設(shè)計洪水水面線劃定治導(dǎo)線，在滿足基本河道行洪要求的前提下，盡量利用有一定防御能力的等級道路（清漳河沿河的縣道，路面寬度一般為8 m）或者陡坎劃定治導(dǎo)線。

對規(guī)劃治導(dǎo)線布設(shè)后的參數(shù)變化進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯砸?guī)劃治導(dǎo)線為約束的水流條件下，在天然峽谷窄河段、縣城局部河段和人口密集鄉(xiāng)村河段受區(qū)域現(xiàn)有條件限制或基于防洪保護要求，突破了治導(dǎo)線控制參數(shù)要求，其他大多數(shù)河段基本滿足控制參數(shù)要求，平均單寬流量控制范圍為3.7～5.8 m2／s，平均水位升高值不超過0.3 m，平均流速為2～3 m／s。總體說明，規(guī)劃治導(dǎo)線控制參數(shù)和布設(shè)治導(dǎo)線是基本合適的。

表1 治導(dǎo)線布設(shè)后參數(shù)變化

4 結(jié) 語

（1）洪水治導(dǎo)線對于維護河流行洪及生態(tài)功能具有重要作用，是河流岸線管控的重要依據(jù)。本研究提出了洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則：現(xiàn)狀無堤防河段原則上以設(shè)計洪水位邊界線為控制線，充分利用已建控制性工程及天然節(jié)點進行治導(dǎo)線規(guī)劃，各段平順連接；已有堤防且達到規(guī)劃防洪標準的河段原則上以現(xiàn)有堤線為控制線。同時提出洪水治導(dǎo)線應(yīng)更多考慮保持足夠的河流空間，以單寬流量、流速、水位升高值為控制參數(shù)確定合理的洪水治導(dǎo)線寬度。

（2）以清漳河為例進一步研究了洪水治導(dǎo)線布設(shè)控制參數(shù)，通過對清漳河水文規(guī)律和洪水治導(dǎo)線布設(shè)要求的分析，提出了清漳河治導(dǎo)線寬度的主要控制參數(shù)，治導(dǎo)線布設(shè)時原則上以20 a 一遇洪水單寬流量不大于5 m2／s、50 a 一遇洪水單寬流量不大于7.5 m2／s，最大單寬流量不大于10 m2／s（特殊河段可以適當突破，如天然峽谷段、縣城段等）為治導(dǎo)線主要控制參數(shù)，輔以流速、水位升高值對治導(dǎo)線進行約束，平均流速原則上不大于4 m／s，平均水位升高值原則上不超過0.3 m。

（3）根據(jù)研究提出的清漳河洪水治導(dǎo)線布設(shè)原則和控制參數(shù)要求，結(jié)合清漳河流域水利工程、地形地貌、人口分布等影響因素，規(guī)劃制定了清漳河洪水治導(dǎo)線，對比了規(guī)劃治導(dǎo)線布設(shè)前后的參數(shù)變化，論證了布設(shè)洪水治導(dǎo)線的合理性。研究成果可為清漳河保護治理提供技術(shù)支撐。