黑河干流防洪治理工程堤防水面线推求

陈 鹏

（甘肃省水利厅水利工程建设造价与规费管理中心，甘肃 兰州 730030）

水面线推求是防洪治理工程堤防设计的重要基础工作，是确定堤顶高程的直接依据。若推求值偏高，则会造成工程量增大，工程造价越高，投资财力浪费；若推求值偏低，则会造成设计标准内洪水漫顶，给两岸保护对象带来不可避免的灾害损失。因此，需在收集大量水文资料的基础上，分析区域洪水特性，结合现场洪痕调查结果，依据现行行业规范，对治理河段进行水面线推求，为防洪工程设计提供科学依据。黑河干流高台段防洪治理工程，采用明渠恒定非均匀流能量方程进行治理河段水面线推求。

1 工程概况

黑河是我国西北地区第二大内陆河，发源于青海省祁连山北麓，干流全长928 km，流域面积约11.6万km2。其中莺落峡以上为上游，流域面积1.0万km2，河道长313 km，是黑河流域的产流区；莺落峡至正义峡为中游，流域面积2.56万km2，河道长204 km，是黑河径流的主要利用区；正义峡以下为下游，流域面积8.04万km2，河道长411 km，是黑河流域的径流消失区。此次选取黑河干流高台县西腰墩水库至刘家深湖水库段防洪治理工程为推求河段，桩号黑高21+350～黑高41+500，全长20.15 km，与上游高崖水文站的相距77.4 km，与下游正义峡水文站相距50.6 km。工程区现状河宽约347.0 m～902.0 m，河床宽浅、多滩，下切深度0.3 m～1.6 m，两岸为一级阶地，高出河岸，阶面平坦开阔，部分已垦为耕地。目前，两岸大多利用岸边自然土坎挡水，岸坡冲刷淘蚀严重，部分已经坍塌。治理段范围内河道引取水口较多，分流部分河道水量，并伴随农业灌溉、地表水和地下水之间往复循环，以及河道自身洪量损失，导致中游以下随流域面积增加，洪峰流量反而减小。

2 设计洪水计算

根据黑河莺落峡、高崖、正义峡三站（1909年）1940年、1942年、1944年～2009年共68年系列洪水加历史最大洪水组成的不连序系列，通过频率分析计算，10年一遇的洪峰流量分别是1050 m3/s、959 m3/s和849 m3/s。本次治理段范围内引水口门较多，分流部分河道流量，因此，设计洪峰流量需分段考虑；且由于治理段位于高崖与正义峡站之间，故设计洪峰流量可采用高崖和正义峡站设计洪峰流量按河长插补计算，建立设计洪峰流量与河长关系线，见图1。设计洪峰流量采用相应引水口门处推求计算成果，得10年一遇设计洪峰流量为875 m3/s～869 m3/s，见表 1。

图1 不同频率洪峰流量～河长关系曲线

表1 治理段设计洪水成果表 单位:m3/s

黑河莺落峡至正义峡区间为径流利用区，区间产流小，仅有梨园河一小部分洪水汇入，但受河道渗漏、灌溉引水等因素影响，洪量总体逐渐衰减。一般情况下，洪峰流量由上游向下游递增，CV值随面积增加而减小，但依据莺落峡、高崖、正义峡三站站洪水成果及观测资料分析，黑河自出山口莺落峡站以下，进入径流消耗区，洪峰流量由上游向下游反而递减，是符合实际的、合理的。计算成果与按Qmp～F关系线插补的洪水成果核验，基本一致。

3 糙率滤定

根据高崖水文站的监测资料，黑河于1980年和1987年先后发生两次较大规模的洪水，洪峰流量分别为801 m3/s和394 m3/s，洪痕高程分别为1428.73 m和1427.96 m，利用谢才公式和曼宁公式联立反算河道糙率。

连续方程:

式中:Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；J为水力坡度；n为糙率。

三式联立，可得:

经计算，得两次洪痕反推糙率分别为0.036和0.027，见表2。

表2 高崖水文站实测洪水资料

根据上述两场洪水资料分析，高崖断面处全断面平均综合糙率为0.0315。本次治理河段位于高崖水文站下游约77.4 km左右处，河床质颗粒由粗变细，多为粗砂和中砂，河床宽浅、顺直，底坡较均匀，平均比降0.844‰，两岸均为一级阶地，阶面上略有杂草、红柳，且有耕地分布。参照《水力计算手册》表8-1-4天然河道糙率表，本次治理河段主槽糙率采用0.027，两侧滩地糙率采用0.033。

4 起始断面选取

起始断面选取时，需先进行流态判别，对于缓流河道可从上游往下游或从下游往上游推算均可，但对于激流河道必须要从上游往下游推算。将治理后河道断面理想化为梯形断面，边坡系数取1.5，选取黑高22+398断面为分析断面，当过水断面流量为875 m3/s，断面平均水深为1.8 m，流速为1.53 m/s，根据佛汝德公式:

式中:Fr为佛汝德数；v 为流速，m/s；g 为重力加速度，m2/s；为断面平均水深，m。

经计算，Fr为0.36，小于1，因此判断治理段水流流态为缓流，河道水面线既可以从上游至下游推算，也可以从下游至上游推算。

基准断面的选取应尽量利用桥梁等人工节点，对于无人工节点河道选取天然岸坎卡口为宜，但治理段内仅有的双丰口门、乐善口门均为近几年新修口门，除此外没有其他过水建筑物，因此无法调查到历史洪水痕迹。设计采用治理段下游罗城跨河渡槽历史洪水痕迹，按堰流公式计算建立水位流量关系曲线，采用1996年（Q=850 m3/s）及2002年(Q=502 m3/s)实测大洪水和调查洪水痕迹对流量系数进行率定，罗城跨河渡槽平均流量系数（m）为0.335。因此，起始断面以治理段下游罗城跨河渡槽断面为准，采用堰流公式计算得到起始水位，按天然河道水面曲线计算，分别取不同流量向上游逐段推算，再根据治理段内实测的25个横断面和左右岸各一个纵断面，可绘制各断面水位～流量关系曲线。

5 水面线推求

按照实测各河道纵横断面成果，分别计算各个断面不同水位的面积、湿周、水力半径、平均水深等参数，根据实测河道比降和滤定后的糙率，采用明渠恒定非均匀流能量方程，分段试算，精确推求:

式中:z1、z2为分别为断面1和断面 2的水位，m；v1、v2为分别为断面1和断面2的平均流速，m/s；Q为设计洪峰流量，m3/s；Δl为断面1和断面2的间距，m；k为断面1和断面2的平均流量模数（其中K1代表主河槽、K2、K3分别代表左右滩地）；α为流速系数；ξ为河道局部阻力系数。

根据确定的治导线、堤距、实测横断面以及河床糙率，当遭遇十年一遇洪水流量Q=875 m3/s～869 m3/s时，可计算得各横断面处的水面线高程，见图2和表3。

表3 治理段十年一遇设计水位成果表

图2 治理河段距离与水位高程关系曲线

6 结语

（1）黑河干流高台防洪治理段范围内河道引取水口较多，分流部分河道水量，并伴随农业灌溉、地表水和地下水之间往复循环，以及河道自身洪量损失，导致中下游随流域面积增加，洪峰流量反而减小，符合实际规律。

（2）堤防工程设计水面线的计算重点是要依据调查洪痕，结合水文监测资料，运用谢才公式和曼宁公式联立对河道糙率进行滤定，以求水位高程计算结果更加精确。

（3）水面线推求起始断面选取时，需先进行流态判别，对于缓流河道可从上游往下游或从下游往上游推算均可，但对于急流河道必须要从上游往下游推算，应尽量利用桥梁等人工节点，对于无人工节点河道选取天然岸坎卡口为宜。

（4）通过对黑河干流选定河段水面线计算过程的分析研究，可对后续类似防洪治理工程设计提供借鉴和参考。