城市内河行洪方案探讨

范钟轶，朱殿芳，李 果，郭志学

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.成都市政工程设计研究院，四川 成都 610065)

1 概述

城市内河对城市用水、排污、防洪、绿化等都有着重要的影响[1]，随着城市建设步伐加快，城市人口迅速增加，城区用地越来越紧张，大量的居民楼、生产作坊建立在河道两岸，严重侵占河道有效行洪面积，河道越来越窄，削弱了城市内河的防洪功能，洪涝灾害时有发生。在一些城区，这类现象尤为明显，城区河道的改造，是许多城区的重点建设项目。不少学者以实际工程为例，针对城市内河提出了一些解决思路。

李新芝等提出通过对护岸、护坡的整治和优化，以此来增大主槽的过流能力[2- 5]。缪大宏等指出城区河道现状存在的主要问题是防洪范围小、标准低、局部地区洪涝问题突出，建议从河道总体布局上着手，对堤线进行合理地布置，提高河道的防洪标准，加强河道的监督管理工作[6- 8]。以上学者从不同角度入手提出了城市河道改造的方法，主旨都是以拓宽河道来实现防洪能力的提高，但是两岸建筑物占用河道过流面积的情况已经很严重，如果拓宽河道，会产生两岸大量的拆迁工作，工程量大且对河道两岸居民造成较大的困扰。本文针对这种情况，提出了通过改变河床比降、调整河道纵坡来提高河道防洪标准的办法。

2 行洪方案调整思路

河道改造设计一般都以拓宽河道为主，以满足河道防洪标准。但很多城市河道因两岸居民房屋、生产作坊、绿化景观等现实问题，往往导致河道无法按照规划宽度形成。针对城区河道改造面临的这些问题，在上、下游河道已经改造完成，上游来流量、控制水位和下游河床高程已经确定，且河道宽度受限的情况下，提出行洪方案的调整思路。

限定一定范围内的不同河道宽度，通过调整河床比降J可以得到不同的水面线。调整方案中束窄的河宽B与河床比降J的变化将会引起工程范围内某一断面的水深变化Δh，同时河床比降的调整会导致河床高程的变化ΔH。首先要保证调整方案中工程对上游已改造河段不造成壅水影响，需满足入口控制断面水位变化值Δh小于等于比降调整后河床高程变化值ΔH，水面线与上游段出口断面水位平顺，即满足：Δhi-ΔHi∝0。其次要保证河道河堤堤顶超高不低于防洪规划要求，即拟改造河段考虑河道束窄、比降调缓影响后的水位高度不超过河堤安全超高要求。

缩窄河宽、增加槽深有利于增加河道的排洪能力。城市内河整治中，除了应满足防洪要求，还需要考虑工程量与工程投资等限制因素，城区河道整改投资主要涉及河道开挖、堤防重建、建筑拆迁、绿化恢复、清淤维护等方面。河道清淤是城市内河治理内容与其它河流的重要区别之一。城市内河的设计管理中需要考虑设计方案对后期清淤工程的影响。河床比降调整同时会引起河床冲淤变化，泥沙在河道淤积会导致河床比降进一步变缓，增加水位壅高，既不利于行洪安全，也给河道清淤增加了投资。在满足行洪要求的同时，通过缩窄河宽，提高河道输沙能力，使河道在定期清淤的情况下，河床比降能长期保持稳定。计算河道淤积的方法主要有断面法和输沙率法两种方法，通过对比河道平均淤积变化，可以选择安全经济的调整方案[9- 10]。

3 锦江城区河道整治方案

3.1 概况

河段位于四川省成都市世纪城下游天府新区核心地段，北起锦江排洪总出口三期工程(天府大道)，南至牧华路，总长约9.6km。起点桩号K00+00至桩号K60+00，规划河道堤顶顶宽为116m；桩号K60+00至桩号K83+00，规划堤顶顶宽120m；桩号K83+00至工程末端K96+00规划顶宽170m。河段上、下游河道已经按规划实施了改造，预留河段比降0.8‰。

在规划的河道宽度下，工程能够达到200年一遇防洪要求，河势也比较稳定。但从起点桩号K00+00至桩号K60+00，现状条件下堤顶两侧遍布居民楼、工厂和生产作坊，按规划岸顶宽116m实施，拆迁量巨大，实施难度较大。从实地调查情况来看，这一河段现状堤顶宽度仅90m，若河道按规划纵坡实施，河段两侧堤防高度普遍超过规划条件下的河堤高度，平均都在8.5～9.0m高(规划河堤高度仅6.6m左右)。本文根据这一情况对规划方案进行了调整，使河道宽度在小于规划宽度的条件下能达到200年一遇洪水防洪要求，且不对上游产生壅水影响。

3.2 计算原理

本文采用一维恒定流数学模型进行计算。计算范围为桩号K00+00～K93+00，根据河段断面形式及河床比降变化，按河道中线100m间隔布设断面，河段平面划分示意如图1所示。

图1 河段断面划分示意图

恒定流能量方程为：

(1)

式中，Z1、Z2—河道底高程；Y1、Y2为断面水深；V1、V2—断面平均流速；α1、α2—动能修正系数；g—重力加速度；he—水头损失；L—断面平均距离；Sf—两断面间沿程水头损失坡度；C—收缩或扩散损失系数。

恒定流动量方程为：

(2)

式中，A1、A2—断面1和断面2的过水面积；y1、y2—断面1和断面2水面至形心的距离；Lx—断面1至断面2距离沿X轴方向的分量；S0—河底比降；β1、β2—动量修正系数。

3.3 边界条件

河段位于华阳水位站与正兴水文站之间，根据水文分析成果，工程区段内沿程流量差异较小，为了安全，统一以出口控制断面洪水流量进行水面线推求计算。其中桩号K83+00断面江安河入汇，由此确定的流量条件为：工程起点K00+00～K83+00河段200年一遇洪水流量为1900m3/s，K83+00～K96+00河段200年一遇洪水流量为2600m3/s。根据上游锦江总出口三期工程方案，要求其出口(本工程河段起点)断面河床高程为473.11m，出口断面接已完成整治的锦江一代工程，河床高程预留为465.45m。

3.4 方案分析

本文拟采用不同河道宽度与不同河床比降组合的方式，综合分析河道宽度和河床比降调整对水位和流速的影响，找到城区狭窄河道改造优化方案。根据初始条件，控制末端河床高程不变(465.45m)，对上游进行河宽和比降调整，对比规划方案。由于本文方案的比降普遍较小，因此在进口桩号K00+00处设一处集中跌水，与上游河床进行顺接。

各方案在200年一遇洪水流量下，进口控制断面处水位变化情况见表1。对比原规划方案，本文各方案中河床比降不变或减小，进口断面水位与原规划方案水位相比，表中水位差为正值即表示方案水位比进口水位高，即对锦江总出口三期造成壅水影响，表中水位差数据为负值表示方案水位比进口水位低。

表1 调整方案对比表

注：表中水位的变化情况均是基于上游河道按规划条件形成后的水位。进口水位变化=本方案水位-进口水位

河宽一定时，河床比降越小，则进口水位越低，对上游壅水影响越小；河床比降一定时，河宽越宽进水口水位越低。方案一、二、三对河段上游壅水影响更小，对上游无壅水不利影响，可作为整治方案的比较方案进行后续计算对比。河床比降减小时，可能导致明显的水跌，为保证上下游水位的平顺连接，本文从中选取了方案一、二、三进行分析比较，各方案断面设计详见表1。

3.5 水位对比

工程区间两岸地面坡降远小于规划河床比降，为采取调缓比降增加河堤高度置换河道宽度不足的负面影响创造了条件。根据行洪方案调整思路，调整方案中河段各断面处堤顶超高满足规范要求，进口控制断面水位等于或略低于规划水位，工程区间水位即均可满足行洪安全要求。

各方案200年一遇洪水情况下的水面线如图2所示。按照成都市防洪要求，锦江堤顶超高应不低于1m，规划方案与本文提出的3种方案总体上均满足200年一遇洪水防洪要求，仅局部点位因现状河堤破损、垮塌导致安全超高略有不足，如桩号K31+00处左岸，后期河道实施时河堤重建后，可满足安全超高要求。

由于河宽束窄，是以各调整方案工程河段洪水位均高于规划方案洪水位，桩号K60+00处由于河道断面展宽，水位降低；下游河段各调整方案基本能按照规划宽度进行实施，水面线与规划水面线基本齐平，能与下游已建河段水面线平顺连接。

3.6 流速对比

图2对本文方案与规划方案的沿程流速进行了对比分析。由于本文各方案桩号K00+00～K60+00河段的河道宽度和河床比降比规划方案减小，总体上呈现因河道束窄导致沿程流速增大，在桩号K60+00断面流速达到最大；桩号K60+00处河道展宽后流速迅速减小，之后流速趋于平缓。

方案一中桩号K00+00～K60+00河段河宽B1=80m，小于同河段其余方案的河宽，所以虽然方案一比降更平缓，但是水位和流速却是3种方案中增加最明显的。方案二流速在河段入口处明显大于其他方案，但流速沿程变化在调整方案中最为平缓，对河床和堤角的冲刷影响更小。方案三与规划方案相比，桩号K60+00～K96+00河段水位和流速变化最小，对下游河段河势影响最小。各调整方案最大壅水位置出现在K60+00处，综合整个河段流速变化，方案二、方案三对流速和河势影响更小。

3.7 淤积对比

河道河床比降减小，原则上会导致水流挟沙能力减小，泥沙可能会在河道中淤积下来。但是由于河道宽度受到居民住房和绿化等限制，本文方案在调整比降同时束窄河宽，桩号K00+00～K60+00河段流速增大，K60+00～K96+00河段流速略有减小，局部河段流速增加，挟沙能力增强。本文拟采用输沙率法估算河道淤积，图3中显示了张红武挟沙力公式[11]计算的沿程挟沙力变化和沙莫夫公式计算的沿程起动粒径变化。

图2 各方案水面线与流速

图3 沿程淤积计算

可以看出各方案挟沙能力变化趋势与流速变化趋势一致，上游河段挟沙能力逐渐增加，下游展宽河段挟沙能力减小，由此导致上游河段河床淤积减弱和下游河段河床淤积增加。方案二挟沙力与起动粒径沿程变化较小，与其他方案相比显现出差异。由于方案二桩号K00+00～K60+00段的设计河宽较宽，同时河段河床比降较大，受河宽与河床比降综合影响，造床流量(小流量)下沿程流速波动较小，河道沿程输沙能力波动也较小。输沙能力的增大可以减小河段淤积对河床比降的调整影响，更有利于河道稳定和行洪安全，是城市内河治理追求的方向。

表2根据输沙率法计算河道淤积，多年平均流量选用造床流量。与规划方案相比，本文方案河道淤积情况与流速变化一致，桩号K00+00～K60+00河段泥沙淤积有所减少，K60+00～K96+00河段泥沙淤积略有增加。河段改造河床形态简单，计算结果的误差相对较小。本文方案均不会额外增加河道清淤的投资。

表2 河道淤积计算表

4 结论

本文从城市内河道治理现状出发，分析了城区河道治理的影响因素，提出了在有限的空间范围内，优化河道设计方案。

(1)通过调整河道宽度和河床比降，达到水面线与上下游水面平顺衔接的效果。本文提出的提高河道行洪能力的方法，可为类似问题提供参考。

(2)传统意义上认为减小河道比降，通常会导致床面淤积严重，本文提出了河道宽度变化与比降减小进行组合的方案，可提高河道行洪能力且不会加剧床面泥沙淤积。