汾河中游石灘水文站洪水特性分析

高俊蓮

(山西省晉中市水文水資源勘測分局,山西 晉中 030600)

1 概況

汾河發(fā)源于寧武縣的管涔山南麓,河源海拔高程為 1 670.0 m,流向由北向南,縱貫大半個(gè)山西,匯聚源自呂梁、太行兩大山區(qū)的支流,穿越太原、臨汾兩大盆地,至運(yùn)城市新絳縣境急轉(zhuǎn)西行,于禹門口下游萬榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村附近匯入黃河,河口高程 368.0 m,河道總高差 1 308 m,平均縱坡 1.12‰,干流直線長度 412.7 k m,河道彎曲系數(shù) 1.68。

石灘水文站地處臨汾市境內(nèi),位于汾河中游地段,設(shè)立于 1951年 5月,控制流域面積 28 214k m2,于 1995年 1月下遷至趙城(控制流域面積 2 8676 k m2)。該站控制著汾河上中游的水量和泥沙,主要為研究水資源評(píng)價(jià)提供服務(wù),同時(shí)還擔(dān)負(fù)著向北京、鄭州、太原、臨汾、運(yùn)城等地發(fā)送雨情、河道水情、土壤墑情的報(bào)汛任務(wù)。它在臨汾市乃至全省的防汛抗旱、水資源評(píng)價(jià)、水利工程建設(shè)等方面,具有重要的戰(zhàn)略地位,特別是對下游洪洞、臨汾、襄汾、侯馬及運(yùn)城個(gè)別縣市的防洪搶險(xiǎn)起著舉足輕重作用,因此,分析研究石灘水文站洪水特性有著重要的意義。

2 洪水特征分析

汾河流域呈狹長型,南北跨度大,支流眾多,地形條件復(fù)雜,洪澇災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域多在中下游段。流域洪水主要由大范圍長歷時(shí)暴雨形成和小范圍局部暴雨形成。據(jù)歷史記載,1381年 ～1948年間,汾河流域共發(fā)生洪災(zāi) 132次,平均每4.3年發(fā)生一次。解放后汾河中下游干流沿岸也發(fā)生過 10余次洪災(zāi)。中游一帶是歷史上汾河水患多發(fā)區(qū),汾河進(jìn)入太原盆地之后,河道縱坡變緩,有較多的支流匯入,泥沙淤積嚴(yán)重,主要靠堤壩擋水,因而比較容易遭受洪災(zāi)。解放前 100多年里,曾發(fā)生洪災(zāi) 20余次,平均 5年一次。建國后,在1954年、1959年 、1977年 、1988年和 1996年,汾河中下游發(fā)生了五次較大規(guī)模的水災(zāi),尤其是 1977年平遙水災(zāi),導(dǎo)致尹回水庫垮壩,南同蒲鐵路中斷 10 d,死亡 70人。

石灘水文站具有 1951～2008年(1995年以后由趙城水文站折算求得)59年的實(shí)測水文系列資料,下面以石灘水文站洪水資料對該河段的洪水特征進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)測期月最大洪峰分析

以實(shí)測期月最大洪峰進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,1951～2008年實(shí)測最大洪峰流量為 2 800 m3/s,發(fā)生于 1957年 7月 25日。在年際變化中,最大洪峰主要發(fā)生于 7～9月,占 87.9%,而主汛期 7～8月就占到 70.7%。且由于受人類活動(dòng)等影響,1～10月份均發(fā)生過流量大于 100 m3/s的洪水,見表1。

表1 石灘水文站歷年逐月最大值統(tǒng)計(jì)

以上統(tǒng)計(jì)僅考慮每月最大洪水,事實(shí)上往往是一個(gè)月內(nèi)可能發(fā)生幾場不同等級(jí)的洪水。如 1963年共發(fā)生較大洪水9場,其中大于 800 m3/s的洪水 1場,500～800 m3/s的洪水4場,300～500 m3/s的洪水 3場。

2.2 實(shí)測期洪水量級(jí)分析

以月最大洪峰流量大于 100 m3/s的洪水進(jìn)行不同量級(jí)洪水發(fā)生場次統(tǒng)計(jì),見表2。

1951～2008年 59年間共發(fā)生 150場次,平均每年發(fā)生 2.5場次。其中 1～5月份 12場,占 8%,汛期 6～9月份發(fā)生 127場,占 84.7%,其中主汛期 7～8月份發(fā)生 78場,占 52%,10月發(fā)生 11場,占 7.3%,11～12月份未發(fā)生大于 100 m3/s的洪水。

150場洪水中,100-200 m3/s的洪水 56場,占 37.3%;200～300 m3/s的洪水 23場,占 15.3%;300～500 m3/s的洪水 19場,占 12.7%;500～800 m3/s的洪水 32場,占21.3%;800～1 000 m3/s的洪水 7場,占 4.7%;1 000～1 500 m3/s的洪水 4場,占 2.7%;1 500～2 000 m3/s的洪水 8場,占5.3%;大于 2 000 m3/s的洪水 1場,占 0.7%。

2.3 洪水來源分析

根據(jù)補(bǔ)給來源,本流域洪水主要為降雨、融水及水庫蓄水調(diào)節(jié)混合型洪水,與降水、氣溫及水庫的蓄水量等條件有著直接的關(guān)系。夏季,由于降水比較集中,氣溫也比較高,因而洪水次數(shù)比較頻繁,洪量也比較大。在一次洪水過程中,洪峰陡漲的洪水過程主要是降水直接形成的雨洪過程,而洪峰變化比較緩慢的洪水過程,則主要是受融水和水庫調(diào)節(jié)的影響而發(fā)生的洪水過程,如汛前 1～4月份發(fā)生的洪水大部分源于此。

表2 石灘水文站 1951-2008年不同量級(jí)洪水統(tǒng)計(jì)表

義棠水文站地處石灘水文站上游 78 k m處,位于晉中市境內(nèi),控制流域面積 23 945 k m2,占石灘流域控制面積的84.9%,它基本上控制了汾河上中游的來水。義棠—石灘區(qū)間主要支流有交口河、段純河、靜升河、仁義河、北澗河、南澗河、對竹河 7條,均為汾河一級(jí)支流,也是區(qū)間產(chǎn)水的主要河流。因此,可以通過義棠和石灘洪峰流量的對比分析來確定石灘洪水來源。

通過分析,石灘洪水來源有的以區(qū)間水為主,以 1963年該區(qū)所發(fā)生的洪水為例,7月 4日、7月 24日、8月 13日、8月29日、8月 30日洪水均是以區(qū)間產(chǎn)水為主;有的洪水以上游來水為主,如 5月 24日、6月 15日、7月 4日洪水,見圖 1、圖2。洪峰形狀為單式峰和復(fù)式峰兼而有之。如 8月 7日 ～8月 13日,出現(xiàn) 5個(gè)連續(xù)峰,而 5月 23日基本上為一單式峰。從歷年資料分析,石灘站以復(fù)式峰居多,一個(gè)洪峰過去緊接著可能發(fā)生第二個(gè)洪峰,這樣的峰型對防洪是非常不利的。

圖1 義棠-石灘洪水過程比較

圖2 義棠-石灘洪水過程比較

2.4 洪峰傳播時(shí)間

洪峰傳播時(shí)間主要以上游來水為主的 44場洪水進(jìn)行了初步分析,從義棠至石灘洪峰時(shí)間大致為 6～10個(gè)小時(shí),洪峰越大,洪水傳播時(shí)間越短。其中 300-500m3/s洪水平均傳播時(shí)間 9.1 h,500～1 000 m3/s平均傳播時(shí)間 7.7 h,1 000～1 500 m3/s平均傳播時(shí)間 6.6 h,1 500～2 000 m3/s平均傳播時(shí)間 6 h,大于 2 000 m3/s平均傳播時(shí)間 5.5 h。詳見圖3。

以區(qū)間產(chǎn)流為主或者區(qū)間和上游來水兼而有之的洪水,由于受區(qū)間暴雨分布特征等因素的影響,需要通過對不同特征暴雨進(jìn)行流域產(chǎn)流、匯流及河道匯流分析確定。

圖3 洪水傳播時(shí)間分析

3 洪水頻率分析

對石灘水文站歷史洪水及實(shí)測洪水進(jìn)行統(tǒng)計(jì),共收集石灘水文站調(diào)查洪水 5次,其中 1843年,Q為 5 450 m3/s,1837～1840年,Q為 5 040 m3/s,1917年,Q為 3 740 m3/s,1942年 7月 16日,Q為 3 640 m3/s,1937年,Q為 2 475 m3/s。

選用調(diào)查的 5次洪水以及實(shí)測 59年洪水,根據(jù)部頒S L 44-93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定,由流量資料采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法推求設(shè)計(jì)洪峰流量。年最大值選樣,數(shù)學(xué)期望公式確定經(jīng)驗(yàn)頻率,皮爾遜Ⅲ型作為理論頻率曲線,以矩法初估頻率曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù),采用適線法調(diào)整統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

由分析結(jié)果可知,石灘水文站百年一遇洪水為 4 550 m3/s,50年一遇洪水為 3 690 m3/s,20年一遇洪水為 2 600 m3/s,10年一遇洪水為 1 820 m3/s,見表3。

表3 石灘站洪峰流量頻率分析計(jì)算成果

4 結(jié)論

(1)石灘水文站發(fā)生洪水的頻率較高,自建站以來,每年均有不同量級(jí)的洪水發(fā)生,洪水造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重,直接影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,所以應(yīng)積極開展河道的整治工作,減少洪澇災(zāi)害造成的損失。為此,應(yīng)加大對石灘水文站洪水災(zāi)害的成因分析。

(2)盡快制定上下游洪水預(yù)報(bào)方案,最大限度地減少洪水災(zāi)害。目前義棠—石灘區(qū)間站網(wǎng)密度不夠,尤其是報(bào)汛站數(shù)量不足,分布也不均勻,給流域降水、徑流分析和洪水預(yù)報(bào)等工作帶來極大的困難,因此應(yīng)加強(qiáng)水文氣象站網(wǎng)的建設(shè)。

(3)近年來,石灘水文站發(fā)生洪水的量級(jí)呈減小趨勢,究其原因:一方面與上游水利工程的建設(shè)有關(guān)。另一方面受降水量的影響,洪水的形成不僅與降水量的大小有關(guān)而且與降水的特征有關(guān),即與降水強(qiáng)度以及降水的集中程度等有關(guān)。

總的說來,石灘水文站作為汾河中段的重要水文窗口,給我們提供了珍貴難得的數(shù)據(jù)資料,對人們掌握自然規(guī)律,了解洪水、合理利用洪水起到重要的作用。