面向二十一世纪的泥沙研究成都 2000422山区河流典型河段整治模型试验研究何文社方铎李昌志杨胜发（四川大学高速水力学国家重点实验室成都610065）摘要通过对黄河兰州市区河段水文特征、河道地形、河相关系及河床演变规律的分析，认为该河段具有山区冲积河流的特性；并提出了防洪最小整治河宽为300m。

同时进行了泥沙模型试验，实验与原型基本吻合。

该方案的实施不但可满足泄洪的要求，且并未引起水位、流速及河床断面地形较大幅度的变化；相反,断面地形趋于平坦，平均流速及岸边流速有所增大，减小了污染物的沉积，有利于岸边取水。

且整治方案为城市滨河路的规划，美化及城市建设合理用地提供了设计依据。

关键词山区河道河道整治整治宽度物理试验黄河1 典型河道概况1.1 地形特征黄河兰州段位于兰州带状盆地，呈东西走向，西起西柳沟东至桑园峡，河段全长44.84km。

根据河流形态大体上可分为四段；第一段，从西柳沟(1#水文大断面)到西沙桥（5#水文大断面），河道长约5km，河宽300-400m，无河心滩，河床稳定，水面比降约0.9‰。

第二段, 从西沙桥到七里河桥(14#水文大断面)，河道长约17.5km，河宽230-600m，河心多滩，河道主流不定，时而向南，时而向北，在行洪期间河岸易被冲刷，水面比降为1‰-1.3‰。

第三段，从七里河桥到黄河铁桥（19#水文大断面），河道长约5.4km，河宽300-380m，除金城关（K27+100）有夹心滩外，河床比较稳定，两岸河堤基本形成，水面比降0.8-0.9‰。

第四段，从黄河铁桥到桑园峡（26#水文大断面），河道长约14km，河岸宽350m左右，由于桑园峡口宽度仅120m,当流量较大时该河段出现壅水。

总之，全河段河槽宽窄相间，河宽变化较大且多边滩或江心洲，窄处仅120m，宽处可达600-700m（含江心洲）。

河床基本上由砂卵石组成，且多卵石边滩及江心洲。

主泓在一定范围内摆动，河段洪枯水位变幅不大；洪水期河岸时有冲刷，水面比降0.9-1.3‰。

河段枯水流量540m3/s,造床流量3000m3/s,百年一遇流量6500m3/s，1981年实测的最大流量5600m3/s。

从平均情况看，枯水流量下，平均水深2.5m,平均河宽200m,平均流速1.0m/s；行洪时,平均水深5.7m,平均河宽450-500m,平均流速2.9m/s，河床糙率为0.032，河岸糙率为0.030-0.35，滩地糙率为0.045，中水情况下综合为糙率0.035。

1.2 水文泥沙特征黄河铁桥下游210m处为黄河兰州水文站，自1935年建站以来积累了较长的实测资料（见表1）。

1981年黄河兰州段出现了5600 m3/s的洪水，当年市建委沿兰州市44.84km的黄河段布设了27个水文大断面，测量了水位，并推算了若干流量级沿河水面线。

整理分析黄河兰州水文站的实测流速、泥沙及断面等资料。

本河段历年演变特征是：河段的挟沙水流处于次饱和状态。

年内具有涨水期淤积，退汛期冲刷的特征。

随着年际和年内流量分配的不同，浅滩河段河床有着相应的变化。

年际间具有枯水年淤积，丰水年冲刷的特征。

由表1 黄河兰州水文资料此可见本河段水流输沙能力强，其河床形态、输沙条件具有山区冲积河流的属性。

兰州上游刘家峡水电站截流后(见表2)，悬沙含量有着明显的降低，年平均由6.4kg/ m3降为1.52 kg/ m3，根据河床中边滩及沙洲取样分析（见表3），可见上游来沙仍以悬移质形式被带往下游。

在来沙方面主变化是下泄沙量减小，泥沙的组成变细。

1985年后，同流量下水文站水位已基本稳定，河床趋于平衡。

表2 刘家峡截流前后兰州水文特征表3 河床泥沙级配资料2 最小整治河宽方案探讨2.1 河相关系法通过对本河段的自然演变规律分析得知河段冲淤基本平衡。

为此采用阿尔图宁计算稳定河宽的公式，取ξ为1.0~1.1[1]，求得河宽为218~240m。

故河宽240 m可作为中水整治方案的依据。

2.2 优良河段类比法在市区河段上选取了几个控制断面进行论证。

黄河铁桥建于1909年，桥址断面河宽230m，七里河桥建于1958年，桥址断面河宽270m，其下游1.2km(k23+600)处河宽仅200 m，此几处河段均经受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s的洪水考验。

盐城黄河大桥建于1979年，桥址处河宽305m，1981年的洪水顺利宣泄。

由此可以认为，河宽300m可作为设计洪水最小堤间距的参考值。

3 试验方案及结果分析3.1 动床模型设计423424 根据黄河兰州段河床质的特点，河道整治所涉及到河床变形主要是由卵石推移质所引起。

故根据水流重力、水流阻力、水流挟沙、河床冲淤变形、泥沙起动和扬动及河型等相似条件，并利用黄河水利委员会水利科学研究院多年来对黄河动床河工模型设计取得的研究成果进行了推移质动床模型设计[2,5]。

其模型比尺见表4。

表4模型相似比尺选用宁夏大武口精煤屑做为模型沙，其容重γS =1.40t/m 3 ,干容重γγo =0.8t/m 3 。

按照粒径比尺λd 选配模型沙，由此求得模型级配资料并进行模型实。

模型小河依据1989年3月测绘的1：2000河道地形图进行塑造，除依据实测地形资料外，还加强了现场踏勘，认真作了资料的核对，使模型能较好的反映原形的状况。

3.2 试验方案及结果分析从天然状态河道横断面形态可知，当河宽B ≤240时，河道断面单一，断面呈“U ”型或不对称的“U ”型。

当河宽B>240m 时，河槽形态已开始从单式向复式断面过渡。

河宽超过300m 的河段，随着河宽的增加，出现了边滩，或在河道中形成沙脊，断面形态呈“W ”型，河道中出现河心滩。

这说明河宽为300m 时处于河中成滩的临界状态。

造床流量下垂线最大流速V m 、垂线最大水深h m 与河宽的关系不明显(见图1)，从所考查的断面来看，河宽大于200m 时均会出现数值相近的最大值值。

但其断面平均流速随河宽的加大而减小，断面平均水深随河宽的增大有减小的趋势，且变化明显。

图1 天然状态水流要素与河宽关系(Q=3000m 3/s)图2 天然状态与300m 方案水流要素与河宽关系(Q=3000m 3/s)12345100300500700河宽(m)最大流速(m /s )048100300500700河宽(m)平均水深(m )12345100300500700河宽（m）平均流速（m /s ）04812100300500700河宽B(m)水深(m )15913100300500700河宽(m)最大水深(m )在防洪标准百年一遇流量6500m3/s时，河宽在200m至600m范围内，V m都回出现数值相近的较大值V m=3.8~4.5m/s。

平均流速V随河宽B的增大呈递减的变化趋势。

随着年际及年内流量过程的变化，流速也相应的发生变化；垂线最大水深h m、断面平均水深h与河宽B的变化关系比较紊乱。

可见河宽240m可作为中水整治方案的依据，河宽300m可作为设计洪水最小堤间距的参考值。

整治方案：将天然河道宽度控制在300m（350m）的范围内，切除了断面一侧的边滩或滞流区，对分汊河段，则堵塞支汊，弯道附近适当减小,对于小于300m（350m）的河段仍保持原状进行试验。

从天然状态与整治方案水位变化可知，适当压缩河道中的边滩或滞流区，并未引起水位大幅度的增高。

对于300m整治方案，流量为3000m3/s时，水位变幅为-0.13 m~0.38 m；流量为6500m3/s时，变幅为-0.13m~0.58m。

对于350m整治方案，流量为3000m3/s时，水位变幅为-0.21 m~0.28 m；流量为6500m3/s时，变幅为-0.27 m~0.48m。

整治方案与天然状态相比水位变幅不大。

试验结果表明（表5）300m及350m整治方案的实施，并未引起水位较大幅度的增加，相反由于河流的自我调节作使得断面地形趋于平坦，流速分布趋于均匀。

从水流要素可知(见图2),整治方案较天然状态水深、流速变幅在12%以内，这样的变幅在该河段不会引起较大的河床变化，且因整治线较平顺，流速分布趋于均匀，表面流向平顺，水流状况有了明显的改善。

河流的横比降由原来的1.4‰降为1.0‰，表明横向输沙作用将明显减弱。

300m方案，虽然河宽束窄，但其流速并未大幅度增加，究其原因，最大流速常发生在坝头附近。

整治之后，消除了坝头因挑流作用形成的阻水现象，减弱了单宽流量集中，破坏了在坝头附近形成最大流速的条件，故水流分布均匀，但断面平均流速和平均水深有所增加。

表5 6500 m3/s各方案断面水位实测资料对比4 结论A 通过对兰州河段地形及水文等特征的分析可知，该河段属山区冲积河流。

B 对河相关系、造床流量、设防流量及河中成滩条件的分析，得出了防洪整治最小河宽为300m。

C 实施整治方案,适当压缩河道中边滩或滞留区,并未引起水位及流速大幅度的增长。

D. 整治河宽方案下，河流通过自动调节，断面地形趋于平坦，促使河道向单一断面演变，改善了水流条件。

流速分布趋于均匀，断面平均流速的提高，减小了污染物沉积数量。

这对消除河床淤积、保持河道稳定、改善通航条件更为有利。

5. 整治方案的实施，使兰州市河道渠化目标的得以实现，同时可确保行洪畅通。

靠岸流速增大，为南河道取水提供了合理的渠首位置及水流条件，为工农业及人畜用水和绿化灌溉提供了方便和充足的水源，加快了再造秀美山河的步伐。

并对滨河路的规划、通航及开发城建用地提供了设计参数。

425参考文献[1] 刘有录等.黄河兰州段河道整治模型试验研究.全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集,1992.北京.[2] 李保如.我国河流泥沙物理模型的设计方法.水动力学研究与进展,1991,6.[3] 李保如,屈孟浩.黄河河道演变的物理模型试验.黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集（第一集）,河南科学技术出版社,1989.[4] 屈孟浩.黄河动床河道模型的相似原理及设计方法.黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集（第一集）,河南科学技术出版社,1989.[5] 张红武,江恩惠等.黄河高含沙洪水模型的相似律.河南科学技术出版社.1994.426。