鄭太林

(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

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鳳縣安河防洪工程設(shè)計洪水計算分析

鄭太林

(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

針對陜西省鳳縣安河兩岸居民聚集、土坡垮塌淤積河道影響行洪等問題，為準(zhǔn)確掌握防洪工程設(shè)計斷面水位流量關(guān)系，便于采取合理防洪工程建設(shè)加固措施提高河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保河道行洪安全。在初步設(shè)計階段，根據(jù)防洪治理河道的暴雨洪水特性，結(jié)合參證站52年逐月降雨資料和洪水?dāng)?shù)據(jù)，對治理河段河道洪水進(jìn)行水文比擬等方法推算設(shè)計洪水。分析結(jié)果表明：洪水分析計算成果與歷史洪水記錄值相一致，計算成果比較合理可靠，為堤防工程優(yōu)化設(shè)計、防汛預(yù)警和調(diào)度管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

參證站；水文比擬；設(shè)計洪水；防洪治理；水位流量關(guān)系

安河屬嘉陵江的一級支流，自東向西流經(jīng)鳳縣的河口鎮(zhèn)面，在鳳州鎮(zhèn)匯入嘉陵江。鳳縣安河防洪工程，地跨河口、鳳州兩鎮(zhèn)，分為河口鎮(zhèn)、鳳州鎮(zhèn)兩段，治理堤防總長度為7km。沿河兩岸居民點密集、工礦企業(yè)沿河分布，寶太公里順河而上，是鳳縣主要工礦經(jīng)濟(jì)帶。安河流域位于秦嶺南坡，山巒起伏，兩岸地勢高低不平，河道比降較大，洪水頻發(fā)，天然岸坎為河漫灘及一級階地前緣，岸坡由砂壤土及卵礫石組成。由于河床地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣，現(xiàn)狀河堤層次不齊，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，河岸大多為土坡，經(jīng)?？逅俜e河道影響行洪，目前河堤均達(dá)不到國家規(guī)定的10 a一遇洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。為防洪工程規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)和運營管理及預(yù)警等提供詳實的決策依據(jù)，通過歷史洪水及洪痕調(diào)查，水文地質(zhì)調(diào)查，對設(shè)計洪水建立模型規(guī)進(jìn)行律性分析，經(jīng)多種方法分析計算，以獲得適合流域條件和工程特性的設(shè)計洪水計算成果。

1　概況

安河發(fā)源于河口鎮(zhèn)夫子嶺，在鳳州鎮(zhèn)匯入嘉陵江。流域面積406.8 km2，干流長度45.1 km，平均比降13.7‰。流域內(nèi)植被較差，水土流失相對較大。安河支流眾多，水系分布較為對稱。

安河流域?qū)偾貛X山地暖溫帶氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛，多年平均降雨量615.6 mm。降雨時空分配極不均衡，主要集中在7、8、9三個月，占年降雨量的57.5%。

防洪工程上游河口鎮(zhèn)段，控制流域面積225 km2，河道長度16 km，河道平均比降28.4‰；下游鳳州鎮(zhèn)段，控制流域面積406.8 km2，河道長度45.1 km，河道平均比降13.7‰。

工程治理河段地層區(qū)劃屬秦嶺南麓與漢中盆地之間，南秦嶺山脈的北部，出露的地層主要為第四系(Q)、中生界(Mz)、古生界(Pz)堆積物。安河位于鳳州盆地的東部，河谷較寬，河谷與山頂相對高差200～700 m。受安河地質(zhì)構(gòu)造大斷裂的影響，兩側(cè)支流發(fā)育，沖溝較多。在河道谷底坡面，松散堆積物及黃土復(fù)蓋較為多見，是泥石流的多發(fā)區(qū)。

2　參證站選取及資料評價

嘉陵江干流上設(shè)有鳳州站和茨壩站兩個水文站，在鳳縣雙石鋪鎮(zhèn)設(shè)有鳳縣氣象站。鳳州站1984年1月設(shè)立，該站控制流域面積688 km2；茨壩站1958年9月設(shè)立，原名東坡水文站(1981年1月1日遷址)，控制流域面積為2 752 km2，均觀測降雨、徑流、泥沙、洪水資料系列，測站基準(zhǔn)斷面河床由卵石及泥沙組成，沖淤變化不大。

鳳縣氣象站位于鳳縣雙石鋪鎮(zhèn)。距離治理河段約15 km，氣候條件相似，有1960-2012年氣象要素觀測資料，多年平均氣溫11.4℃，極端最高氣溫37.5℃，極端最低氣溫-18.3℃。多年平均水面蒸發(fā)量1 306.5 mm，干燥指數(shù)1.16，多年平均風(fēng)速1.8 m/s。

3　降雨徑流特征

安河流域降雨時空分配極不均衡，具有明顯的季節(jié)性特征。夏、秋季降水量大，而冬、春季干旱少雨，夏秋季降水頻繁雨量大。降水主要集中在6～9月，四個月降水量占年降水量的69.5%，11～3月，五個月降水量占年降水量的5.54%。降水量年際變化大，鳳縣雨量站年最大年降水量972.4 mm(1981年)，年最小降水量為400.2 mm(2002年)，兩者相差2.43倍。

安河河川徑流主要由降水補給形成，因此徑流量的年際變化與降水量極為相似。由于受季風(fēng)氣候的影響，降水量年際變化大，具有夏季降水量大而集中，冬季降水量小的特點。

根據(jù)鳳州站統(tǒng)計資料，安河全流域多年平均年徑流總量為1.06億 m3。

4　暴雨分析計算

4.1暴雨洪水特性

安河流域暴雨主要受西伸的西太平洋副熱帶高壓及中高緯度西風(fēng)槽的影響形成。暴雨天氣系統(tǒng)以孟加拉水汽入流為主，多出現(xiàn)在7、8、9月，暴雨特點是籠罩面積大，歷時較長，強度大。據(jù)氣象資料統(tǒng)計，近幾年來先后出現(xiàn)暴雨18次，其中大暴雨就有6次，特別是“81.8”暴雨，強度大，時間長，范圍廣，災(zāi)情最為嚴(yán)重。

安河流域的洪水每年最早出現(xiàn)在4～5月份，其峰量較小，大洪水一般均發(fā)生于7～9月份，但10月份也有出現(xiàn)洪水的情況，此時洪量一般較小。安河河道比降較大，洪水陡漲陡落，一次暴雨形成一個洪峰，形成陡漲陡落的洪峰，一次洪水過程一般1～3 d，其主峰段約12 h左右。

4.2暴雨計算

圖1　茨壩站～鳳州站洪峰流量相關(guān)圖

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5　洪水計算

防洪工程上游控制流域面積占總55.31%，沿途支溝匯流面積均小于4 kmm2，僅占下游控制斷面面積的1%，因此，支溝洪水不再分別計算，計算各斷面洪峰流量以治理起點和治理終點洪峰流量進(jìn)行內(nèi)插計算。

鳳州水文站位于治理河段下游嘉陵江干流，集水面積與治理河段相差不大，能較好反應(yīng)治理河段的洪水情況，設(shè)計采用鳳州水文站進(jìn)行水文比擬法計算，同時采用推理公式法計算，綜合對比分析，合理選用治理河段設(shè)計洪水成果。

5.1水文比擬法

鳳州站實測洪水資料較茨壩站短，為提高設(shè)計洪水計算精度，利用下游茨壩水文站長系列資料來插補、延長鳳州站洪水系列。在相關(guān)插補延長計算時，考慮1992年形成年最大暴雨量的中心地在鳳縣以外的下游段，鳳州、茨壩兩站同一場暴雨洪水流量相差7.4倍，相關(guān)極不同步，相關(guān)分析時，將這一年舍掉。同時又考慮到1981洪水調(diào)查成果翔實可靠，納入系列，參與相關(guān)計算。相關(guān)系數(shù)r=0.98。相關(guān)方程為：Q風(fēng)=Q3379Q茨+52.386

根據(jù)鳳縣志，公元1009-1989年的980年間，發(fā)生特大洪水災(zāi)害4次，分別為1009、1808、1933、1981年，嘉陵江鳳州水文站歷史調(diào)查洪水最大為1 640 m3/s(1981年)經(jīng)過綜合分析，重現(xiàn)期確定為150 a一遇。

圖2　鳳州站年最大洪峰流量頻率曲線

由插補延長的鳳州站實測資料系列，加特大洪水處理，均值、變差系數(shù)Cv值與歷時關(guān)系分析，隨著年份的逐漸增加，Cv值逐漸趨于穩(wěn)定；差積曲線為雙峰型組成洪水系列的豐、枯歷時較短，具有很好的代表性。用插補延長后的鳳州站洪水資料加特大洪水，按不連續(xù)系列處理，并采用P-Ⅲ曲線進(jìn)行適線，統(tǒng)計計算成果見表2，頻率曲線見圖2。

表2　鳳州站不同頻率洪水計算成果表

圖3　鳳州鎮(zhèn)磨灣村斷面Qt～t和Qτ～τ關(guān)系曲線

采用鳳州水文站面積比擬法計算各斷面不同頻率洪峰流量結(jié)果如表3所示。

表3　水文比擬法計算各斷面洪水成果表

5.2推理公式法

得到不同頻率下的洪水成果，如表4所示。

表4　推理公式法計算洪水成果表

兩種方法計算洪水成果見表5所示。

表5　洪水成果匯總表

5.3洪水計算成果選用

由表5可以看出：暴雨推求洪水法計算結(jié)果較大，水文比擬法計算結(jié)果較小，匯流面積越小二者洪水計算結(jié)果越接近，這也符合暴雨推求洪水法實用于小流域洪水計算的特征。

2012年9月在橋位附近進(jìn)行洪水調(diào)查，調(diào)查到安河鳳州鎮(zhèn)寶鳳公路橋處1990年7月6日洪峰流量為685 m3/s，為近年來最大洪峰流量，其重現(xiàn)期約為50 a；根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》，1981年8月21日安河馬鞍山處發(fā)生洪峰流量473 m3/s，按面積比擬推算到鳳州鎮(zhèn)寶鳳公路橋處洪峰流量為553 m3/s，其重現(xiàn)期約為25 a。根據(jù)1990年、1981年調(diào)查洪水，采用鳳州站參數(shù)，計算得安河鳳州鎮(zhèn)寶鳳公路橋處10 a一遇洪峰值為328 m3/s。經(jīng)對比分析，水文比擬法計算結(jié)果與洪水調(diào)查較為接近。

《寶雞市實用水文手冊》審批于1988年，其暴雨均值、產(chǎn)匯流參數(shù)僅統(tǒng)計到八十年代中期，未考慮九十年代及兩千年后的枯水年，因此，暴雨推求洪水法計算結(jié)果偏大。

安河各防洪斷面與鳳州站距離較近，氣候條件和下墊面情況相同，且鳳州站資料系列經(jīng)延長后具有52 a洪水資料，其系列代表性較好，因此，以鳳州站為參證站，采用水文比擬法計算各斷面的洪水成果較為合理。

6　水面線計算

采用各斷面水文比擬法計算的設(shè)計洪水成果，首先選擇起始斷面推求水位流量關(guān)系曲線，然后采用能量守恒方程推求工程區(qū)水面線，為堤防工程設(shè)計提供設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計洪水位。用“試糙法”反求鳳州鎮(zhèn)河道糙率為0.038，安河河口鎮(zhèn)河道糙率為0.045。

6.1起始斷面水位流量關(guān)系曲線

以最下游斷面作為起始斷面推求設(shè)計洪水水面線，橋孔處為中間控制斷面。起始斷面參考實測枯水水面比降和擬定糙率，按曼寧公式計算起始斷面的水位～流量關(guān)系。

6.2設(shè)計洪水水面線推求

根據(jù)確定的河段糙率、起算斷面的水位和實測的斷面資料，采用能量守恒方程從下游向上游逐斷面推求設(shè)計洪水水面線。支流首先計算本河10 a一遇洪水水面線，然后和干流安河10 a一遇洪水、20 a一遇洪水倒灌洪水位比較，取其外包線作為設(shè)計洪水水面線。

表6　起算斷面水位～流量關(guān)系表　m

7　結(jié)語

鳳州水文站、鳳縣氣象站與本次防洪治理河段處于同一流域的上下游，氣候條件相似，且觀測資料系列較長，精度高，能較好反應(yīng)治理河段的暴雨洪水情況。

對兩次洪水進(jìn)行擬合計算的結(jié)果與實際調(diào)查測量的洪痕點水位對比，僅相差0.01～0.15 m，認(rèn)為本次采用的計算程序是適用的，糙率、動能修正系數(shù)等參數(shù)的取用是合理的，計算時所采用的河道斷面具有一定代表性，因次，可以認(rèn)定使用該方法推求設(shè)計洪水水面線是合理的，可作為堤防設(shè)計依據(jù)。

通過對安河流域工程治理河段暴雨洪水特性規(guī)律分析，依據(jù)實測暴雨推演計算，推得與河道歷史調(diào)查洪水相吻合的設(shè)計洪水計算成果，利用河道實測典型斷面數(shù)據(jù)和擬合河段糙率，采用能量守恒方程計算各水文斷面水位，為優(yōu)化工程設(shè)計、防汛預(yù)警和管理運行提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]寶雞市實用水文手冊.寶雞市水利水保局.1988.

[2]陜西省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集.陜西省水利水土保持廳.1985.

[3]陜西省洪水調(diào)查資料.陜西省水文總站.1981.

[4]1981年陜西漢江嘉陵江流域洪澇災(zāi)害考察資料匯編.陜西省考察組.1981.

[5]鳳縣志編撰委員會.鳳縣志.1994.

[6]寶雞市水利水保水利志編撰領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.寶雞市水利志.1987.

[7]水利部長江水利委員會.嘉陵江流域綜合規(guī)劃報告.2008.

[8]陜西省中小河流治理項目.鳳縣安河河口鎮(zhèn)、鳳州鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計報告.西安理工大學(xué)水利水電土木建筑研究設(shè)計院.2013.

2016-03-14

鄭太林(1978-)，男，陜西紫陽人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計和水資源管理工作。

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