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)

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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準，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數(shù)據(jù)，對治理河段河道洪水進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，目前河堤均達不到國家規(guī)定的10 a一遇洪水設(shè)防標準。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=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)防標準下的設(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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