張麗虹

(杭州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310016)

1 流域概況

四川省青川縣竹園鎮(zhèn)防洪堤包括陳家壩、竹園壩、梁沙壩和史家壩四段，全長(zhǎng)9.31 km，該工程是青川縣災(zāi)后恢復(fù)重建的重點(diǎn)工程，是竹園鎮(zhèn)及新區(qū)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一.

“20090716”洪水是竹園鎮(zhèn)歷史罕見(jiàn)洪水，降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)57 h，洪水來(lái)勢(shì)兇猛，由于竹園防洪堤正在建設(shè)中，尚未發(fā)揮防洪作用，造成竹園鎮(zhèn)重大損失.竹園鎮(zhèn)防洪堤調(diào)查洪水資料驗(yàn)證點(diǎn)少，原設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)估算.通過(guò)“20090716”洪水對(duì)水利計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，利用本模型對(duì)原設(shè)計(jì)防洪堤進(jìn)行影響評(píng)估，提出調(diào)整防洪標(biāo)準(zhǔn)后各防洪堤建設(shè)方案.

2 水文計(jì)算

四川省青川縣屬嘉陵江水系，清江河屬于嘉陵江的二級(jí)支河，是境內(nèi)第二條大河.河長(zhǎng)204 km，流域面積為2 873 km2，其中青川縣境內(nèi)河流長(zhǎng)154 km，河床平均比降5‰，流域面積為1 848 km2.青川縣竹園鎮(zhèn)位于清江河干流，竹園鎮(zhèn)以上流域面積2 270 km2.

上寺水文站位于竹園鎮(zhèn)上游，該站設(shè)立于1956年，流域面積為2 457 km2，是清江河唯一流量觀測(cè)站.上寺站測(cè)到洪峰包含了雁門溪與清江河干流疊加后洪峰，竹園鎮(zhèn)斷面也位于雁門溪匯合口下游，從暴雨分布情況和實(shí)測(cè)調(diào)查洪水看，上寺站可以反映竹園鎮(zhèn)的本次洪水情況.1981年7月13日洪水為上寺站建站以來(lái)的最大洪水，實(shí)測(cè)洪峰7 750 m3/s;2009年7月16日13:30洪峰流量為7 630 m3/s，屬于歷史次最大洪峰流量.

根據(jù)上寺水文站1957年來(lái)實(shí)測(cè)洪峰系列資料(缺測(cè)部分進(jìn)行插補(bǔ)求得)，對(duì)1981年7月13日洪水進(jìn)行特大值處理，并加入1945年的歷史調(diào)查洪水成果組成不連續(xù)系列，進(jìn)行頻率計(jì)算求得上寺站各頻率設(shè)計(jì)洪峰［1］.上寺站設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1.據(jù)分析，“20090716”上寺站測(cè)到洪峰超過(guò)50年一遇.

表1 上寺站設(shè)計(jì)洪水成果表

根據(jù)“20090716”洪水各雨量站觀測(cè)，從暴雨空間分布看，清江河流域6 h暴雨和24 h暴雨基本從流域上游向下游逐漸增大趨勢(shì)，但至雁門鎮(zhèn)后逐步開始向下游減小，大暴雨主要集中在雁門溪流域和喬莊河附近.“20090716”竹園鎮(zhèn)洪水在較短時(shí)間內(nèi)陡然增高，也是由于處于流域暴雨中心的雁門溪洪峰與清江河干流洪峰遭遇疊加造成.

查《四川省水文手冊(cè)》該流域的年最大6 h均值在105 mm左右，24 h均值在150 mm左右，且此處短歷時(shí)暴雨變差系數(shù)Cv較大.“20090716”最大24 h暴雨等值線圖見(jiàn)圖1.

圖1 “20090716最大24 h暴雨等值線圖”

3 水利計(jì)算模型

3.1 計(jì)算方法

以往山區(qū)性河道計(jì)算采用恒定流方法為多，精度難保證.非恒定流是自然界中流體運(yùn)動(dòng)最為普遍的形式，河道中的洪水推進(jìn)、水庫(kù)泄流等都是典型的非恒定流問(wèn)題.非恒定流的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律較恒定流復(fù)雜.但非恒定流能較好反映沿程建筑物的影響，在洪水分析中具有需率定參數(shù)少、物理概念清晰、精度較高、處理手段靈活等優(yōu)點(diǎn).考慮到竹園鎮(zhèn)河段建有鐵路橋及堰壩，本段水利計(jì)算構(gòu)建一維非恒定流數(shù)學(xué)模型.

非恒定流計(jì)算采用圣維南非穩(wěn)定流偏微分方程組，用隱式差分法化為差分方程，再與河汊方程、邊界條件及初始條件構(gòu)成非線性方程，逐時(shí)段采用牛頓迭代及高斯列主元消去法求解，從而得出各計(jì)算斷面的水位和流量過(guò)程［2］.

圣維南偏微分方程組為:

(1)式為連接性方程;(2)式為動(dòng)力方程式中:B—水面寬;Z—水位;

Q—流量;q—單位長(zhǎng)度旁側(cè)入流;

V—斷面平均流速;F—過(guò)水面積;

數(shù)學(xué)模型考慮了堰、閘、阻水橋梁，以及區(qū)間水量交換等因素，能適用于本流域干流中下游河段洪流演進(jìn)的定量分析計(jì)算［3］.

3.2 計(jì)算范圍

在竹園鎮(zhèn)河段防洪水利計(jì)算中，確定黃沙壩至東壩段為本次分析計(jì)算河段，河段長(zhǎng)度約15 km.共有2個(gè)邊界，38個(gè)計(jì)算斷面.上邊界條件為竹園鎮(zhèn)上游黃沙壩的流量過(guò)程，下邊界條件為東壩斷面水位.概化斷面中含橋梁3座、堰壩2座，水利模型概化圖見(jiàn)圖2.

圖2 水利模型概化圖

3.3 驗(yàn)證計(jì)算

由于河道比降、河床形態(tài)、河道斷面形式、河道上的各種建筑物等，都會(huì)對(duì)流域洪水演進(jìn)產(chǎn)生影響，因而河道的概化以及參數(shù)的選定會(huì)影響到洪水演進(jìn)計(jì)算成果.為了使洪水演進(jìn)計(jì)算能較好地模擬流域水情，選擇實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證洪流演進(jìn)計(jì)算數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性并確定模型的有關(guān)參數(shù).驗(yàn)證洪水采用時(shí)間較近、較為典型的“20090716”特大洪水，同時(shí)取用不到5年一遇的“20090911”小洪水對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)一步率定.“20090716”洪峰流量為7 270 m3/s，“20090911”洪峰流量為2 874 m3/s.

“20090716”特大洪水，竹園鎮(zhèn)各區(qū)塊基本都發(fā)生漫灘，而“20090911”洪水則全部歸槽.地勢(shì)較低的陳家壩、梁沙壩、史家壩均被淹，淹沒(méi)水深一般達(dá)1～2.5 m.如杭州援建指揮部所在的陳家壩，最高洪水位(ZY31～ZY32斷面)510.27 m ～510.92 m，該處地面高程為509.3 m左右，淹沒(méi)水深達(dá)到1 m以上.

原計(jì)算參數(shù)的確定采用經(jīng)驗(yàn)估算和實(shí)測(cè)驗(yàn)證相結(jié)合的方式確定.水利計(jì)算模型通過(guò)“20090716”率定，修正了相關(guān)參數(shù).本河段上下游均屬典型山區(qū)性河流，河坡陡峻，河底以礫石、卵石和少量漂石組成，部分河段基巖裸露，根據(jù)不同情況糙率率定為0.029 ～0.038［4］.經(jīng)兩場(chǎng)洪水分析，911 洪水計(jì)算參數(shù)相對(duì)716洪水要小，說(shuō)明洪水歸槽后糙率要比漫灘洪水小.竹園鎮(zhèn)“20090716”水位驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，竹園鎮(zhèn)“20090911水位驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果”見(jiàn)表3.

表2 竹園鎮(zhèn)“20090716”水位驗(yàn)證計(jì)算成果 m

表3 竹園鎮(zhèn)“20090911”水位驗(yàn)證計(jì)算成果 m

從驗(yàn)證成果看，計(jì)算水位與調(diào)查洪痕水位的誤差10 cm以下的占90%以上，計(jì)算水位與調(diào)查洪痕水位幾乎一致.結(jié)果表明計(jì)算采用的斷面及參數(shù)基本能反映實(shí)際情況，模型是可靠適用的.

4 原設(shè)計(jì)防洪堤評(píng)估

青川縣竹園鎮(zhèn)防洪堤工程原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇.通過(guò)“20090716”洪水驗(yàn)證后模型計(jì)算得出的復(fù)核水位，對(duì)原設(shè)計(jì)防洪堤進(jìn)行影響評(píng)估，規(guī)劃水 位對(duì)比見(jiàn)圖3.

圖3 規(guī)劃水位對(duì)比圖

竹園壩包括老街與新街兩段;竹園新街沿劍青公路布局，地面高程在510.8～514.0 m之間，高于20年一遇洪水位，竹園大橋下河灘地目前建筑分散雜亂，地勢(shì)較低，平時(shí)灘地出露，大洪水時(shí)則成為行洪斷面;竹園鎮(zhèn)老街為目前水泥廠、火車站所在地，現(xiàn)狀沿江路面地勢(shì)低.鎮(zhèn)區(qū)段原設(shè)計(jì)水位與本次復(fù)核水位基本一致，主要是竹園大橋和鐵路橋水位雍高較嚴(yán)重，橋梁上游段300 m復(fù)核水位稍高于原設(shè)計(jì)水位.

梁沙壩面積較大，目前基本為農(nóng)田，地勢(shì)由西南向東北傾斜，約一半面積在500 m高程以下，原設(shè)計(jì)水位基本高于復(fù)核后20年一遇洪水位.

史家壩地塊狹長(zhǎng)，東靠山西臨江，地面高程在495.2 m～499.2 m.由于史家壩臨鐵路橋區(qū)域彎道轉(zhuǎn)角大，臨橋段原設(shè)計(jì)水位稍低于復(fù)核后20年一遇洪水位，其余段均高于復(fù)核后20年一遇洪水位.

從各段防洪堤分析，原設(shè)計(jì)水位基本高于復(fù)核后20年一遇洪水位，低于50年一遇洪水位.原設(shè)計(jì)成果基本合理.

5 防洪堤調(diào)整方案

“20090716”洪水之后，考慮到竹園鎮(zhèn)規(guī)劃定位的重要性，對(duì)原設(shè)計(jì)需進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)，竹園鎮(zhèn)防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)確定為20年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇不漫頂.

根據(jù)調(diào)整后設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，按20年一遇洪水位+0.7 m、50年一遇洪水位+0.15 m兩者的高值確定堤頂高程，則僅需在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加高堤防，其中陳家壩堤防整體加高0.50 m;竹園壩整體加高0.65 m;梁沙壩整體加高0.50 m;史家壩逐段加高，最大加高0.90 m，各堤段常加高度見(jiàn)圖4.

圖4 各提段需加高度圖

6 結(jié)語(yǔ)

(1)山區(qū)性河道中如有底坡改變或有水工建筑物(如閘、壩、橋、涵洞)，可采取非恒定流進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)河道洪水演進(jìn)進(jìn)行模擬計(jì)算.

(2)一維非恒定流數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中，需收集典型洪水進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，率定計(jì)算參數(shù).竹園鎮(zhèn)防洪堤水利計(jì)算模型選用20090716特大洪水和20090911小洪水進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，修正了原計(jì)算參數(shù)，計(jì)算水位與調(diào)查洪痕水位幾乎一致，驗(yàn)證結(jié)果有良好的一致性，結(jié)果表明模型是可靠適用的.

(3)利用本模型對(duì)原設(shè)計(jì)防洪堤進(jìn)行影響評(píng)估，原設(shè)計(jì)水位基本高于復(fù)核后20年一遇洪水位，低于50年一遇洪水位，原設(shè)計(jì)成果基本合理.

(4)基于“20090716”洪水影響，調(diào)整防洪標(biāo)準(zhǔn)至20年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇不漫頂.根據(jù)調(diào)整后設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，僅需在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加高堤防，其中史家壩最大加高0.90 m，其他堤防整體加高0.50～0.65 m.

［1］水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì).SL278－2002水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1995.

［2］水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì).SL104－95水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

［3］趙克玉.天然河道一維非恒定流數(shù)學(xué)模型［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2004，15(1):38 －41.

［4］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1991.