宁夏苦水河沟湾段裁弯治理及效果分析

摘要：在天然河道的防洪治理中，对于裁弯目前还存在较大的争议。宁夏在清水河、苦水河弯曲性河道的治理中积累了一定经验，结合苦水河沟湾段连续河湾裁弯后15 a的运行情况，通过裁弯前后的河势、河道断面、行洪能力等方面的对比，总结裁弯后的运行效果。结果表明：沟湾段裁弯的河势较为稳定，裁弯对减少淹没面积、新增淤地效果较为明显，达到了设计意图。

关键词：畸形河湾;裁弯;弯曲率;引河;初始设计流量;苦水河

中图分类号：TV852

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.013

1 研究区概况

苦水河属黄河一级支流，发源于甘肃省环县甜水堡镇花石山沙坡子沟脑，流经甘肃省环县和宁夏盐池县、红寺堡区、同心县、利通区，于灵武市新华桥镇华一村汇人黄河，河道总长223.8 km，河源高程2026 m，河口高程1 116 m，相对高差1090 m，平均比降0.487%，流域面积5 218 km²。

苦水河畸形河湾较多，洪、枯水流路均不顺，岸线不稳，多年来缺乏生态治理，水生态环境恶劣，部分河段行政区以河为界，土地权属争议大。本研究裁弯河段为沟湾段（西沟沿7#河湾至五里坡1#河湾），位于苦水河下游，自然河道长度为2.97 km，河宽30-60 m，进口至出口底高程1142.6-1141.8 m，比降0.026%。两岸土地分属3个村庄，裁弯前河势不稳，塌岸严重，两岸用地矛盾十分突出。苦水河沟湾段河势见图1。

2 裁弯的意义

在天然河道的防洪治理中，对于裁弯目前还存在较大的争议。宁夏在清水河、苦水河弯曲性河道的治理中积累了一定经验，通过河段的裁弯及河道整治，可逐步强化河湾边界，规顺洪水河槽，使其逐步稳定，有利于水流通畅，防御洪水泛滥，减小主流摆动范围，改善现有不利的河势，逐步稳定洪水流路，稳定岸线，在水流顶冲时，避免及减轻河岸崩塌，保护沿河两岸耕地、果园及公路，以达到防洪保安全之目的。裁弯工程的实施也是推进和落实河长制的措施之一。

3 裁弯设计

河湾弯曲程度可通过弯曲率C（即河道中心线曲线长度L与曲颈宽B的比值，C=L/B）表示，C越大表示单个河湾弯曲变形越强烈[1]。

根据宁夏山区河道特点分析，当C<3.5时，一般属于良性河湾，流路顺畅;3.5≤C<1O时，流路较为不顺，出现河岸塌岸，需对岸线进行防护，并结合上下游河势规划治导线，尤其要注意是否存在相邻连续U形弯道，来灵活定夺是否裁弯;当C≥10时，流路极为不顺，河岸塌岸严重，影响岸线资源开发利用，属于优先裁弯的河湾，但应结合未来河势变化及工程实施的难易程度决定是否裁弯。

西沟沿7#至五里坡1#段分布有连续5个河湾，利用前后两个自然河湾规顺流路后，可裁掉中间3个弯道（见表1），均属畸形河湾，属可裁河湾，裁后平面效果见图1。

3.1 设计流量

3.1.1 最终设计流量

苦水河大多河段为季节性河道，非汛期流量极小，每遇较大洪水，河势都有一定变化，对两河河势演变起决定作用的造床流量是洪水流量，因此最终断面的控制流量即河段整治流量。苦水河P= 10%设计洪水流量为456 m³/s[2]。

3.1.2 初始设计流量

引河的拓宽不是仅靠一次大洪水，需要依靠每年的洪水多次冲刷，因此初始断面的控制流量应按经常性的洪水流量确定。每年洪水流量是变化的，根据郭家桥水文站水文资料，苦水河洪峰流量多年均值为220 1113/S。苦水河下段断面较窄，若按洪峰流量均值開挖，则占地面积较大。进一步分析，苦水河洪水落峰后，流量保持在20 - 60 m³/s的时间较长，因此引河设计初始流量取50 m³/s[2]。

3.2 裁弯线路的确定

设计选用引河法进行裁弯，新河由水流冲刷逐渐形成，引河与其上、下游河道衔接平顺，各个弯道裁弯工程分期施工，可节省大量开挖土方量。

引河规划设计方案直接关系到裁弯工程的成败[3]。引河平面形态为曲率适度的微弯曲线，进、出口与老河平顺衔接，以顺应河道的发展，曲线由复合圆弧及切线组成，曲率半径应满足ρ>（1.5-3.O）B（B为平滩水位下的河宽）。引河形成后，曲率半径应满足p>（3.0-5.O）B。

引河分内裁和外裁两种形式，该段连续弯道采用内、外裁相间形式，进口布置在上游弯道顶点稍下方，进、出口交角θ≤30°。

目前裁弯采用两种方式，即全断面裁弯和小断面引河裁弯。第一种是经过地段为难以冲刷的土壤和山岩，必须一次开挖至最终设计断面。第二种是引河经过的地段为易冲开的土壤，可先开挖一个较小的断面，然后利用水的力量，逐渐冲刷至最终设计断面。新河的最终设计断面，可参照河道邻近平顺河湾的资料选定。苦水河具有暴雨历时短、强度大、洪水含沙较多等特点，水流冲刷扩展能力有限，因此引河初期合理宽度的确定至关重要[3]，将决定引河设计断面经过水流冲刷后能否形成最终断面。影响引河发展的因素主要有裁弯比、人流角度、断面尺寸及水沙条件等，目前还没有较成熟的理论依据或公式来囊括所有这些影响因素，而国内裁弯工程中初步断面的确定，更多是参考相关成功案例进行类比，因此本研究通过类比国内同类工程以及苦水河已经实施的工程情况进行综合分析，从而确定符合实际情况的裁弯设计断面。

3.3 裁弯断面的确定

引河开挖初始断面的选择是裁弯的关键环节，断面过大，投资增加，会造成大量的资金浪费;断面过小，河床冲刷会受到河床抗冲性、洪峰流量及持续时间的限制。根据前述裁弯工程经验，引河初始断面多设计成梯形，边坡按土壤性质一般取坡比m=l：2-1：3。为了利于引河拓宽，还需依据确定的引河设计流量、初期宽度和断面面积，进行引河断面水力及冲刷计算，使流速大于河床土壤起动流速：若引河采用格宾砌护，流速则小于格宾抗冲流速。

3.3.1 设计断面

设计流量50 m3/s.底宽10 m，内边坡坡比1：2，纵比降1/100.河床糙率取0.023 5.设计水深1.06 m.设计流速V引= 3.88 m/s。苦水河裁弯工程初始断面概化见图2。

河床土壤起动流速可按列维公式计算：流速V_n。

据郭家桥水文站历年洪水数据，相应于流量50m3/s的悬移质含沙量一般为264 - 585 kg/m³。引河水流挟沙力公式采用中国水科院经验公式：式中：S*为水流挟沙力，kg/m³;V弓i为引河（河道疏浚）流速，m/s;ω为悬移质泥沙沉速，取0.8 cm/s;R为水力半径，m。

经计算，引河水流挟沙力S= 876 kg/m³>悬移质含沙量（264-585 kg/m³）。引河断面满足设计要求。

3.3.2 弯道防护

裁弯工程规划设计主要包括引河规划设计、护岸工程规划设计两部分。护岸工程规划设计则是巩固裁弯效益的保证。当引河发展到接近最终断面时应抓住有利时机，在凹岸自上而下全线护岸，以限制其继续向弯曲方向发展。裁弯成功后，如果未能及时有计划地建设全面的河势控制工程，部分河段河势将发生剧烈变化，河道崩岸概率增大，弯道有所增长，直接影响裁弯工程效益的继续发挥。为此，必须事先对引河进行护岸设计，作为裁弯工程规划设计的一部分。

苦水河治理结合河道河势现状、人工节点分布和沿河支流及沟道汇人情况，进行工程布置，其中涉及弯道裁弯布置也是依据规划流路在凹岸布置砌护工程。裁弯河段结合河道疏浚工程，初期开挖河槽宽10 m，对凹岸弯道段进行砌护，弯道砌护至平直段，另一岸不进行砌护，远期由自由水流造床。

4 裁弯效果

截至目前，该段裁弯工程已运行15 a.裁弯后经历了2007年8月25日的洪水考验，洪水洪峰480 m³/s。为客观反映裁弯治理效果，本研究通过数学模型分析进行验证，并采用航拍影像进行对比。

4.1 沟湾河段数学模型分析

4.1.1 建立模型

二维平面流数学模型是在DEM地理高程模型的基础上建立的。沟湾段的DEM数据由2011年实测地形图及2015年调绘资料转换而成，模拟区域内共生成3 033个多边形网格，最大网格面积为755.9 m²，最小网格面积为309.38 m²。

根据2016年2月15日（非汛期）和7月15日（汛期）流量下的平均水深，初步率定糙率为0.03。

4.1.2 洪水淹没分析

第一次模拟采用引河设计流量50 m3/s（采用2017年实测洪水过程），第二次模拟上边界条件为苦水河设计整治流量Q= 456 m³/s下的淹没情况（洪水过程采用2007年实测洪水过程进行同频率放大），洪水过程线见图3。

在该边界值下二维数学模型模拟的淹没范围见图4。

从模拟结果看出，洪峰流量为50 m³/s時，除在新河与老河的交界处的交点2与交点3因地势较低而有极少部分水流回水外（平均回水深度分别为0.6 m和0.4 m），洪水几乎全部从新河流过;洪峰流量为456m³/s时，大部分水流在新河中，新河水流较深，在4m左右，交点2与交点3回水深度也进一步加大，洪水上滩淹没宽度扩大3倍以上。

4.2 航拍影像比较

由图5可知，该段老河道已逐步淤积并被利用，新河河槽水面宽由最初的不足15 m（底宽10 m）拓展到30 m，行洪宽度发展到80～100 m，新、老河交点2至交点3段平均河底高程1142.71 m.造成部分回水现象，航拍影像显示的当前河势与模拟结果基本相符。此外，从航拍影像中看出，老河道及滩地已部分开发为水塘湿地、林地等生态用地，裁弯后土地利用效果较为明显。

5 结论

（1）尽管目前对裁弯的必要性还存在较大争议，通过对苦水河局部裁弯实践的分析表明，对弯曲率大于3.5的连续畸形河湾进行适当裁弯，裁弯后的河势较为稳定，裁弯后土地利用效益较为明显。

（2）通过数学模型分析及航拍影像对比，目前河势与模拟结果基本相符，达到了设计意图，有关设计指标可应用于类似设计中。

（3）裁弯引河进、出口交角不宜大于30°，曲率半径可按p>（3—5）B（B为平滩河宽）控制，待冲刷发展后，逐渐达到合适的弯曲率。裁弯后，宜对凹岸采用就岸防护措施稳固裁弯效果。

参考文献：

[1]李志威，秦小华，方春明，天然河湾几何形态统计分析[J].水科学进展，2011，22（5）：638-643.

[2] 孙建书，陈天伟，罗健恩，等，宁夏苦水河防洪治理工程可行性研究报告[R].银川：宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，2012：36-38.

[3] 张红武，张锦方，张廷伟，宁夏清水河王团镇及吴家河湾裁弯模型试验报告[R].北京：清华大学水木（北京）工程技术研究院，2013：78.