河?xùn)|灌區(qū)清水溝水文特性分析

徐 明/水文水資源勘測(cè)局吳忠分局

河?xùn)|灌區(qū)清水溝水文特性分析

徐 明/水文水資源勘測(cè)局吳忠分局

本文通過(guò)介紹清水溝的流域概況，分析區(qū)域水文氣象、河流水系水利工程及水文站點(diǎn)等實(shí)測(cè)水文資料，設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算和洪水位分析計(jì)算，為城市防洪、流域治理、水資源保護(hù)提供技術(shù)支持。

清水溝； 水文特性；技術(shù)支持

1、流域概況

清水溝為寧夏河?xùn)|灌區(qū)吳忠市利通區(qū)較大的行洪排水溝道，發(fā)源于牛首山東麓東干渠北邊。上游有黃羊子溝、扁旦溝洪水經(jīng)東干渠排入其中，由南向北經(jīng)利通區(qū)高閘鄉(xiāng)、巴浪湖農(nóng)場(chǎng)由吳忠市區(qū)穿過(guò)，至吳忠市利通區(qū)古城鎮(zhèn)新華橋村入黃河，全長(zhǎng)26.5km。[1]主要排水支溝有左岸的清一至清七溝、牛毛湖溝，右岸的尹橋大溝、周閘大溝、貢碑溝、中檔子溝、閘板子湖溝及十五支溝等。清水溝主要接納31.4萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉排水、渠道退水、灌區(qū)內(nèi)暴雨產(chǎn)生的洪水、上游黃羊子溝、扁擔(dān)溝的洪水以及分布在沿清水溝兩岸中小企業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活污水。

2、區(qū)域水文氣象

清水溝流域地處青銅峽河?xùn)|灌區(qū)，為牛首山北麓，屬典型的大陸性氣候，干旱少雨，多年平均降水量不足200mm，多年平均水面蒸發(fā)量1200mm，干旱指數(shù)6.0。主要特點(diǎn)是：春旱多風(fēng)，升溫快，蒸發(fā)量大；夏季炎熱，雨量集中；秋季短暫，降溫快；冬季干冷少雪；

全年日照時(shí)間長(zhǎng)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，多年平均日照時(shí)數(shù)2800～3200小時(shí)。年平均氣溫8.℃，無(wú)霜期平均167天，風(fēng)大沙多是該流域主要災(zāi)害性天氣，全年大風(fēng)天數(shù)（超過(guò)八級(jí)大風(fēng)）平均為3.5天，年平均沙暴日數(shù)為3.2天。大風(fēng)多集中在1～4月份，占全年大風(fēng)天數(shù)的63％，沙塵暴多發(fā)生在4、5月份，平均風(fēng)速為2.4m/s，最大風(fēng)速達(dá)18m/s。冬春季多盛行西北風(fēng)和東北風(fēng)，夏秋季多東南風(fēng)。[2]

2.1 降水

清水溝流域多年平均降水量185.7mm（侯家橋雨量站），降水量年內(nèi)分配很不均勻，主要集中在汛期6～9月，其降水量占年降水量的70％左右。

2.2 徑流

清水溝（新華橋水文站）實(shí)測(cè)多年平均（1958～2010年）排水量（包括天然徑流量）2.85億m3，實(shí)測(cè)多年平均流量9.04m3/s，實(shí)測(cè)最大流量（包括排水流量）88.0m3/s（2002年6月8日），最小流量為0（1976年4月1日）；最大年平均流量13.7m3/s（1970年），最小年平均流量4.84m3/s（2003年）。1975～2010年平均流量9.12m3/s，平均年排水量2.88億m3，2000～2010年平均流量6.6m3/s，平均年排水量2.08億m3。

2.3 水面蒸發(fā)

水面蒸發(fā)與日照、氣溫、濕度、風(fēng)速及下墊面條件有關(guān)，它是反映蒸發(fā)能力的指標(biāo)。流域多年平均水面蒸發(fā)量1200mm（E601型蒸發(fā)器），11月至次年3月為結(jié)冰期，水面蒸發(fā)量小，最小月出現(xiàn)在氣溫最低月的1、12月份，春季風(fēng)大，氣溫回升，蒸發(fā)量增大，最大月蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在5、6月份。區(qū)域干旱指數(shù)為6.3，為干旱區(qū)。

2.4 泥沙

清水溝排水中泥沙來(lái)源為山洪和渠道退水所攜帶泥沙，當(dāng)有山洪加入時(shí)泥沙較大，灌溉期排水時(shí)泥沙較小，非灌溉期水清，含沙量為零。新華橋（清水溝）水文站實(shí)測(cè)多年平均含沙量月分配見表2-1。

表2 -1 新華橋（清水溝）站實(shí)測(cè)多年平均含沙量表單位：kg/m3

2.5 水質(zhì)

清水溝除承擔(dān)排洪及農(nóng)田排水外，同時(shí)也接納沿岸相關(guān)企業(yè)和城鎮(zhèn)生活綜合污水，這些廢污水的排入使清水溝的水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。

清水溝排水主要污染指標(biāo)為氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、揮發(fā)酚和總磷。pH值年平均為7.7，電導(dǎo)天然水化學(xué)指標(biāo)中氯化物年平均904mg/L，硫酸鹽年平均939mg/L，礦化度年平均3940mg/L，總硬度年平均1160mg/L。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為劣Ⅴ類，灌溉期水質(zhì)明顯好于非灌溉期水質(zhì)。

3、 河流水系、水利工程及水文站點(diǎn)

3.1 河流水系及水利工程

黃羊子溝流域建有黃羊子溝、澇池子溝、小洪溝滯洪水庫(kù)。黃羊子溝水庫(kù)位于牛首山東麓，始建于1971年，是一座防洪、保護(hù)流域生態(tài)平衡的綜合性?。?）型水庫(kù)。屬吳忠市利通區(qū)高閘鎮(zhèn)轄區(qū)，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)府約15km。庫(kù)區(qū)控制流域面積21. 34km2，目前，由于庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，庫(kù)容不足62萬(wàn)m3。壩體為均質(zhì)土壩，壩體長(zhǎng)度600m，壩頂高程1242.6m，最大壩高10.5m。壩體上設(shè)置一座

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔圓形輸水涵洞組成。涵管直徑尺寸為1m，閘底高程為1237.6m。壩址以上無(wú)其它水利水保工程，水庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標(biāo)準(zhǔn)。

小洪溝水庫(kù)位于牛首山東麓，始建于1971年，屬青銅峽市峽口鎮(zhèn)轄區(qū)，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)府約25km。庫(kù)區(qū)控制流域面積8.12km2，是一座防洪、保護(hù)流域生態(tài)平衡的綜合性?。?）型水庫(kù)。由于庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，庫(kù)容不足30萬(wàn)m3。壩體為均質(zhì)土壩，壩體長(zhǎng)度800m，壩頂高程1245.6m，最大壩高10.5m。壩體上設(shè)置一座現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1237.6m。壩址以上無(wú)其它水利水保工程，水庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標(biāo)準(zhǔn)。

澇池子水庫(kù)位于牛首山東麓，始建于1971年，屬青銅峽市峽口鎮(zhèn)轄區(qū)，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)府約25km。庫(kù)區(qū)控制流域面積16.18km2，是一座防洪、保護(hù)流域生態(tài)平衡的綜合性?。?）型水庫(kù)。由于庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，庫(kù)容不足34萬(wàn)m3。壩體為均質(zhì)土壩，壩體長(zhǎng)度1000m，壩頂高程1241.6m，最大壩高10m。壩體上設(shè)置一座現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1235.9m。壩址以上無(wú)其它水利水保工程，水庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標(biāo)準(zhǔn)。

扁擔(dān)溝水庫(kù)位于牛首山東麓，始建于1975年，屬吳忠市利通區(qū)扁擔(dān)溝鄉(xiāng)轄區(qū)，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)府約20km。庫(kù)區(qū)控制流域面積48.4km2，是一座防洪、保護(hù)流域生態(tài)平衡的綜合性小（2）型水庫(kù)。由于庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，庫(kù)容不足95萬(wàn)m3。壩體為均質(zhì)土壩，壩體長(zhǎng)度800m，壩頂高程1244.6m，最大壩高13m。壩體上設(shè)置一座現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1238.6m。壩址以上無(wú)其它水利水保工程，水庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 水文站點(diǎn)

寧夏水文水資源勘測(cè)局在清水溝設(shè)有新華橋水文站，自1958年設(shè)站觀測(cè)至今，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要有水位、流量、泥沙、水質(zhì)等，至今共有55年實(shí)測(cè)水文資料，該站距入黃口約8.0km。在區(qū)域設(shè)有侯家橋（1976年設(shè)立）、郭家橋（1956年設(shè)立）雨量站，觀測(cè)資料均在30年以上。

4、暴雨洪水特性

清水溝上游有黃羊子溝和扁擔(dān)溝，屬牛首山東麓。牛首山東麓山脈呈南北向，南高北低，山勢(shì)較緩，為黃土丘陵區(qū)，土層薄，植被稀少，多年平均降水量不足200mm，溝道匯水區(qū)域暴雨集中，山洪溝屬季節(jié)性河流，風(fēng)化強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重。

4.1 暴雨特性

區(qū)域局地暴雨頻繁，暴雨持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大，點(diǎn)面折減快。各年發(fā)生暴雨次數(shù)不等，暴雨一般集中在每年的6至9月，洪水隨暴雨而出現(xiàn)。暴雨7、8兩個(gè)月發(fā)生次數(shù)占全年的比重較大。

4.2 洪水特性

洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，反映出干旱地區(qū)暴雨洪水不均勻的特性。一般為單峰，復(fù)式洪峰較少。由于暴雨集中，產(chǎn)流面積小，歷時(shí)短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時(shí)一般在6h左右。

4.3 歷史洪水

清水溝新華橋站自1958年設(shè)站至今實(shí)測(cè)最大洪峰流量88.0 m3/s（2002年6月8日），次大87.3 m3/s（1970年8月1日）[3]。

5、設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

清水溝新華橋站已有55年實(shí)測(cè)資料，根據(jù)實(shí)測(cè)資料用年最大流量進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)黃羊溝滯洪區(qū)（1971年）、扁旦溝滯洪區(qū)（1971年）和山水溝退水閘（1975年）的建庫(kù)時(shí)間，按照3個(gè)資料系列進(jìn)行計(jì)算，即1958～2010年、1971～2010年、1975～2010年，計(jì)算得相應(yīng)頻率的洪峰流量見表5-1[4]。

表5 -1 新華橋水文站設(shè)計(jì)洪峰流量

從表5-1可以看出，不同資料系列，新華橋站P=5％、 P=3.3％ 、P=2％的設(shè)計(jì)洪峰流量差別不大，考慮到上游溝道攔洪工程的建設(shè)時(shí)間， 1975年以來(lái)實(shí)測(cè)資料系列能夠代表工程建成后的情況，實(shí)測(cè)資料已超過(guò)30年，也滿足水文計(jì)算的要求，因此，本次采用1975～2010年資料系列計(jì)算成果。

6、設(shè)計(jì)洪水位分析計(jì)算

新華橋水文站水位流量關(guān)系為單一曲線，實(shí)測(cè)最大流量為88.0m3/s，相應(yīng)水位9.79m（2002年），中低水水位流量關(guān)系曲線采用實(shí)測(cè)水位流量點(diǎn)繪制，高水水位流量關(guān)系曲線采用曼寧公式進(jìn)行復(fù)核延長(zhǎng)，最終確定新華橋水文站斷面處的水位流量關(guān)系。

高水水位在采用相同的水面比降前提下，采用如下公式計(jì)算不同水位級(jí)的的面積、流速及流量。即：

式中：i ── 表示溝道不同部位；V ── 斷面平均流速(m/s)；Q ── 流量(m3/s)；J ── 水面比降（‰）；h ── 水深(m)；n── 糙率; B──斷面面積（m2）[5-6]

采用上述公式計(jì)算全斷面流量，主要是糙率n和比降J兩個(gè)關(guān)鍵因子的選取，本次計(jì)算比降根據(jù)實(shí)測(cè)斷面處上下500m水面比降為5.7/10000，糙率根據(jù)寧夏天然河流糙率表選為0.032。

根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料，計(jì)算10.00m、10.50 m水位下的面積、平均水深，用曼寧公式計(jì)算兩水位下流量分別是102 m3/s、126 m3/s。作為延長(zhǎng)新華橋水文站水位流量關(guān)系的依據(jù)。

通過(guò)分析計(jì)算，不同重現(xiàn)期相應(yīng)設(shè)計(jì)水位見表6-1

表6 -1 新華橋水文站斷面相應(yīng)設(shè)計(jì)成果表

7、黃河水位對(duì)清水溝的影響

跨清水溝新渠渡槽據(jù)黃河入口2.7km，現(xiàn)狀情況下新渠渡槽處清水溝水位1114.85m，黃河水位1114.54m，水位落差0.31m，當(dāng)黃河水位達(dá)到1114.85m時(shí)，受回水影響，新渠渡槽至入黃口河段就發(fā)生黃河水倒流，黃河泥沙對(duì)河段造成淤積，影響行洪能力。

8、結(jié)論

通過(guò)分析計(jì)算，得出不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量及相應(yīng)設(shè)計(jì)水位等水文特性參數(shù)，為吳忠市城市防洪、溝道治理設(shè)計(jì)、水資源合理利用、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土保持研究以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。

表8 -1 新華橋水文站斷面相應(yīng)設(shè)計(jì)成果表

[1]馮平，李碩，劉賽光.寧夏回族自治區(qū)水文特性[J].水文，2001，21（3）：53-55.

[2]寧夏水文手冊(cè).寧夏回族自治區(qū)水文總站1979.8

[3]寧夏回族自治區(qū)洪水調(diào)查匯編.寧夏回族自治區(qū)水文總站1980.6.

[4]章四龍.洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐[M].第1版.中國(guó)水利水電出版社，2006.

[5]陳元芳，鐘平安，李國(guó)芳，王棟.工程水文及水利計(jì)算[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.

[6]詹道江，葉守澤.工程水文學(xué)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社.