兰州新区水阜河上游流域河道浅析

王 磊，毛 力

（兰州新区水务设计研究院有限公司，甘肃 兰州新区 730300）

兰州新区是全国第五个、西北地区第一个国家级新区，位于陇西黄土高原的西北部，是青藏高原、蒙古高原和黄土高原的交汇地，也是祁连山脉东延之余脉插入陇西盆地的交错地带，南北长约73 km，东西宽约32 km，规划总面积1744 km2，地理坐标为北纬36°17′15″～36°43′29″，东经103°29′22″～103°49′46″［1]。

随着兰州新区城市化和工业化进程不断推进发展，人为扰动的不断加强，造成水泥固化面积不断增加，原始行洪河道不断破坏，下垫面滞蓄洪水能力不断发生变化，促使新区洪水排泄无“出路”；同时，近年来兰州新区气候异常，降雨较大，雨水汇流后形成的季节性洪水时常发生且洪峰流量较大。因此，兰州新区防洪面临着严峻考验。

1 流域概况

水阜河是蔡家河的一级支流，黄河的二级支流，全流域集水面积405.63 km2，河道总长约48.65 km，天然落差400 m，河床平均比降8.26‰。水阜河源于西岔镇山字墩，依次流经赵家铺、窝窝井，至水阜镇的石涝池、而后流经砂岗村、水阜村、燕儿坪、长川村、老鹳村、最后于石洞镇文山村汇入蔡家河。

水阜河径流主要由降水补给，枯季主要由地下水补给，年径流模数从上游向下游递增。径流年际变化比较稳定，但年内分配极不均匀，6月～9月的径流量占全年径流量的70%以上。

水阜河在地貌单元上属强烈侵蚀堆积的黄土丘陵区，属陇西黄土高原的西北部分，黄土覆盖在起伏较小的白垩系红层之上，微地貌主要有黄土构造侵蚀中低山区及水阜河谷区两个地貌区。水阜河谷走向多呈东西向，属季节性河道，谷底呈“U”字型。流域内植被覆盖率极低，80%以上的地面呈裸露状态，水土流失非常严重。同时，流域内干旱、霜冻、暴雨等自然灾害频繁。

水阜河支沟较发育，大小支沟约55 条，其中流域面积大于1 km2的支沟共16 条，左岸7 条，右岸9 条。为了保障兰州新区东南片区工业厂区和组团产业财产安全，保证中水管道蓄纳的雨洪汇流至水阜河能顺利排泄，研究选取水阜河上游流域赵家铺至窝窝井6.4 km 行洪河道为研究对象。

2 河道现状及问题

2.1 河道现状

2016年在赵家铺村以南游修建兰州新区南绕城快速路，横穿截断水阜河，路面高出沟底20 余米。水阜河经南绕城快速路截断后全流域集水面积减为379.53 km2，河道长39.08 km，河床平均比降8.4‰。上游流域山地被推平，雨水汇入市政管网。

2.2 河道存在的问题

（1）现状河道被耕地、林地、村庄等占用，没有明显河槽，一遇洪水冲毁房屋、农田和路基的现象时有发生。

（2）现状河道比降陡，主河槽宽窄变化大，河道河湾有发展下移趋势。

（3）河道管理不到位，缺乏专项资金，只修不管，同时河道内存在“乱采、乱挖、乱推、乱倒、乱建”等现象，严重影响着河道的防洪能力。

3 河道演变及河相分析

3.1 河道演变

（1）河道形态

水阜河大体由西北流向东南，河道全长约49 km，天然落差400 m，平均比降8‰，河谷宽约50 m～300 m，河床呈宽浅的“U”字型，河道总体弯曲，多处出现“S 型”河弯，部分段较为顺直，属于蜿蜒型河道。

（2）影响因素

水阜河道的演变主要受新构造运动、河道边界、来水条件等因素的影响。区内新构造运动以间歇性升降为主，全新世以来，地壳下降运动逐渐缓和，河道除继续下切侵蚀外，水平方向的侧蚀有所加强。水阜河岸多为I 级洪积台地前缘，属土质岸坡，抗冲刷能力较差，在纵向输沙基本平衡的条件下，河道泥沙交换以横向为主，易造成河道水流偏移，也是河道变迁的重要原因。

从来水条件看，水阜河径流量小，其影响微弱；水阜河多暴雨洪水，虽然作用时间短，但能量大，是影响河势变化的主要原因之一［2]。若洪水量级较大，则其挟沙能力强，河道以冲刷为主；反之，河道则淤积。河道冲刷一般发生在大洪水过程较短的时间内，而淤积过程则需要较长的时间。同时，水阜河谷较为开阔，给主槽的的蜿蜒弯曲提供了条件。

（3）历史及近期演变

水阜河谷在水阜村以上较为狭窄，河谷宽度在50 m 以内，自水阜村以下开始变得开阔，河谷宽度在50 m～300 m 之间。河谷地层主要为白垩系红色砂岩和第四系冲洪积堆积物，地质构造条件较好，经考证及查阅历史洪水文献资料，水阜河受山体的限制，河道未发生过改道和变迁情况。同时，依据50年代和80年代1∶5 万地形图作平面对照分析，可以看出，水阜河主槽河势也基本处于稳定状态，只是局部有河道变窄、大湾变小湾等变化，这主要是受到人为填河造地的影响所致。

（4）演变趋势

水阜河河床稳定性较差，泥沙平水期也有移动，引起河道变迁的主要原因是河床底蚀和侧蚀。水阜河河床质为松散的砂砾石层，河岸为土质岸坡，抗冲刷能力较差，是造成河床侧蚀的主要原因。工程区凹岸以侧蚀冲刷为主，凸岸以淤积为主，现代河床受人工影响呈蛇曲状，河床淤积严重，影响行洪安全。

3.2 河相分析

（1）造床流量

造床流量按平滩水位法，或直接用年平均流量、日平均最大流量、10%～20%（较大河流）或66.67%（较小河流）频率的洪峰流量进行对比，最后确定合适的造床流量［3]。根据本次治理河段年平均流量小，枯水期长，洪枯水量相差悬殊，无稳定中水期的特点，选用2 a 一遇洪峰流量作为计算值，为6.07 m3/s。

（2）河道稳定性指标①纵向稳定系数［4]:

式中：Φh为纵向稳定系数；d为床沙平均粒径，m；J为纵向比降；h为河流平滩水深，m。

稳定系数Φh的大和小，只表示泥沙运动的强和弱，泥沙运动愈强，河床的变化也愈剧烈。稳定系数在实际中可以作为判断河流泥沙运动强度和沙丘运动引起河床变形强度的依据［5]。Φh值愈大，则泥沙运动愈弱，河床愈不易变形；相反Φh值愈小，则泥沙运动愈强，河床愈易变形［6]。因此，这一系数只能表达河床底部的稳定性，并不能表达河岸的稳定性。

经计算水阜河本次治理段河床纵向稳定系数为0.015，见表1，说明河床泥沙运动相对较强，河床纵向易变形，沟道河床纵向稳定性较差。

表1 水阜河治理段河床纵向稳定计算表

②横向稳定系数［7]：

式中：Φb为横向稳定系数；Q为造床流量，m3/s；J为纵向比降；B为相当造床流量的平滩河宽，m。

决定河岸稳定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗冲能力，其次是滩槽高差。研究表明，Φb值越大，河身相对较窄，比降较少，水流平缓归顺，河岸越稳定；反之，Φb值越小，则河岸越不稳定［8]。水阜河本次治理段河道的造床流量为6.07 m3/s、比降为8‰、平滩河宽为11 m，经计算工程区河段河岸的横向稳定系数为0.59，见表2，说明项目区水阜河岸横向稳定性较差。

表2 水阜河治理段河道横向稳定计算表

（3）河相关系

根据河床演变理论，冲积河流通过自动调整作用，作为较长时期的平均情况来说，有可能处于相对平衡状态，在断面形态和纵剖面与流量因素之间应该存在某种定量关系，这种定量关系一般称为河相关系［9]。

用宽深比关系表达［10]：

式中：ξ为河相系数；B为平滩水位时河宽，m；H为平滩水位时水深，m。

研究表明，断面河相系数越小，河床越稳定，反之则越不稳定，断面愈宽浅，水流对两岸侧蚀愈强烈［11]。按照项目区河道所选典型断面造床流量所对应的水面宽及水深计算，得到水阜河治理段典型断面的河相系数，计算结果见表3。

表3 水阜河治理段造床流量及河相系数表

按照水阜河治理段造床流量所对应的水面宽及平均水深计算，得到水阜河治理段河相系数为7.9，参考甘肃省黄河流域的一些河流，稳定河段的河相系数一般在4.0～10.0 之间，计算所得的河相系数介于稳定河段的河相系数，说明该河段形态较稳定。

4 河道治理

4.1 治理原则

根据研究区现状及保护范围，在充分认识河段水性特点、水量变化规律的前提下，依照相关标准，采取护岸与河道治理相结合，护岸与道路相结合，防洪与排洪相结合的方式，完善防洪体系，提高防洪能力，确保工程防护区在设计洪水标准下不受洪水侵害，并在满足防洪要求的基础上打造生态水系景观，促进新区多元功能的集聚。

4.2 治理目标

（1）提高防洪能力通过治理，进一步完善水阜河的防洪工程，形成有效的防洪减灾体系，提高河道的过洪能力和对灾害的预警能力，更好地保障沿岸群众的财产和生命安全，解决镇域发展与防洪减灾的突出矛盾。

（2）有效改善生态环境目前，水阜河生态环境状况较差，垃圾、杂草、淤积等脏乱差的问题严重影响着沿线居民的生产生活。通过生态治理，可以大大改善河道周边的人居环境和区容区貌，改善流域域内的生态环境，促进生态文明的建设。

（3）有效减少水土流失通过永久性工程与临时工程相结合，全面治理和重点治理相结合，工程措施和植物措施相结合的办法，建立一个水土保持功能完善、结构合理、效益显著的水土保持综合防治体系，从而达到控制减少水土流失，绿化美化环境，促进人与自然的和谐，水土资源的可持续利用和社会经济可持续发展。

5 结语

水阜河上游河段形态较为稳定，但针对水阜河治理滞后，防洪安全隐患大，纵向、横向稳定性以及河道形象较差等诸多亟待解决的问题，兰州新区河道生态治理已不仅是防洪的迫切需要，也是改善生态环境、建设生态文明城市的迫切需要，更是提升景观和文化品位、改善人居环境和安全的迫切需要。因此在坚持河道治理原则、目标的基础上，建议兰州新区水阜河河道生态治理建设尽快落实并实施。