拒馬河洪水特性分析

王明哲，劉正保

摘要：2012年發(fā)生在拒馬河上的“12.7”洪水，發(fā)現(xiàn)許多測驗河段水文要素發(fā)生異常，即相同水位下的流量同歷史上著名的“63.8”洪水和“96.8”洪水流量、流速相差較多，對河床沖刷深度也有較大差別，為水文預(yù)報帶來了前所未有的困難。以拒馬河紫荊關(guān)水文站實測水文資料為例，對拒馬河洪水要素變化原因進行分析，為防洪抗旱、水利工程設(shè)計施工提供科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：拒馬河；洪水特性；紫荊關(guān)

中圖分類號： TV122 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.24.039

1 拒馬河概況

拒馬河發(fā)源于河北省來源境內(nèi)，屬于海河流域大清河水系的一個支流，經(jīng)過淶源縣、易縣、北京市、淶水縣、涿縣、高碑店市、容城縣、雄縣、安新縣等進入白洋淀，由源頭到雄縣境內(nèi)的新蓋房水文站以上集水面積為1萬km2，主河道長330km。詳見圖1 ，拒馬河流域圖。

紫荊關(guān)位于拒馬河中上游，在河北省易縣紫荊關(guān)鎮(zhèn)紫荊關(guān)村北，東經(jīng)115°10′，北緯39°26′，距離河源頭81.5km，河道縱坡5.5‰， 河床由砂卵石、粗砂、壤土組成。

1958年1月1日斷面上遷200m，即現(xiàn)在測驗斷面，河段順直長約700m，基本水尺斷面下游300m位置有公路橋一座，橋墩程圓柱形，基本水尺斷面上游1000m有漫水橋一座、1500m有攔水壩一座。

2 研究的目的及意義

2012年紫荊關(guān)“12.7”洪水是繼1964年以來的最大洪水，實測最大洪峰流量達到2110m3/s，相應(yīng)水位522.11m，與歷史上著名的“63.8”洪水比較，在過水斷面未發(fā)生明顯的沖淤變化情況，“12.7”洪峰流量比1963年同級水位下流量的3540m3/s偏小1430m3/s（40%），比“63.8”洪水在522.11m水位下的流速6.31 m/s偏小15%，為水文預(yù)報帶來了難度。為摸清流量偏小及斷面未發(fā)生沖淤變化的原因，對紫荊關(guān)下游河道過水斷面進行了勘察測量，找出“12.7”洪水比“63.8”洪水同級水位下流量偏小原因，為水文預(yù)報、工程設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。

3 資料的選取

1996年“96.8”洪水、2012年“12.7”洪水、1963年“63.8”洪水在相關(guān)水位、流量、流速、洪水前后斷面變化資料。

勘察測量紫荊關(guān)下游10km范圍內(nèi)人們在河道活動情況，一是河道施工情況，二是在河道搭建永久建筑情況，并對河道現(xiàn)有過水面積及由于工程占用河道面積進行測量。

4 資料分析與計算

4.1 測驗斷面在“12.7”“96.8”“63.8”洪水前后沖淤變化

紫荊關(guān)2012年“12.7”洪水中，河道實測最大流量2110m3/s，最大流速5.37m/s，對應(yīng)水位522.11m，但是過水斷面在“12.7”洪水中沒有明顯沖淤變化，洪水過后斷面形狀保持完好，甚至河床草皮還保持完好，清晰可見，在紫荊關(guān)站歷史上少見。詳見圖2：紫荊關(guān)站2012年基本斷面在“12.7”洪水前后斷面圖，但是1996年的“96.8”洪水中，最大流量849m3/s，最大流速4.81m/s，無論流量還是流速均比“12.7”洪水小，卻在洪水過程中過水斷面出現(xiàn)了沖淤變化，最大沖刷深度達到1.77m。斷面沖刷變化詳見圖3：紫荊關(guān)站1996年基本斷面在“96.8”洪水前后斷面圖。沖毀數(shù)據(jù)詳見表1“12.7”與“96.8”“63.8”洪水紫荊關(guān)基本斷面沖毀數(shù)據(jù)表及表2：紫荊關(guān)站不同年份洪水對河道測驗斷面最大沖刷深度對照表。

1963年“63.8”洪水，未見到原始資料，故未做斷面詳細分析。

附注： “63.8”最大沖刷深度來自1963年大清河水系水文年鑒記載

4.2 資料統(tǒng)一性

“63.8”“96.8”“12.7”三次洪水均是在基本水尺斷面上游1000m位置有漫水橋和下游300m位置有公路橋作用下的同一個斷面實施測驗，資料具有測驗環(huán)境的統(tǒng)一性。

4.3 流量資料分析

“12.7”洪水與“63.8”洪水、“96.8”洪水在相同水位和相同流量下進行比較可以發(fā)現(xiàn)（詳見表3）：

2012年“12.7”洪水實測最大流量2110m3/s，相應(yīng)流量下實測最大流速5.37m/s，相應(yīng)水位522.11m，與1963年的“63.8”洪水相比，對應(yīng)水位在522.11m時，相應(yīng)流量為3540m3/s，相應(yīng)最大流速為6.31m/s，“12.7”洪水從流量到流速比“63.8”分別小40%和15%。

1996年“96.8”洪水實測最大流量為849m3/s，最大流速4.81m/s，相應(yīng)水位519.16m，以“96.8”水位做基數(shù)同“12.7”洪水比較，在相同水位519.16m時，“12.7”洪水流量、流速分別為470m3/s、2.20 m/s，比“96.8”洪水流量、流速分別小45%和54%。

2012年的“12.7”洪水比1996年的“96.8”洪水及1963年的“63.8”洪水在相同水位下流量偏小40%左右，流速偏小15%～50%左右。

5 流量偏小原因分析

施工單位將河道當成了砂石料場，隨意堆砌，占用河道過水空間，對水流來起到阻擋作用，如張石高速公路在修建期間，在紫荊關(guān)測驗斷面下游1km位置有大量砂石料堆砌，還有下游3km位置也有小型石料廠，無序采砂，隨意堆砌。

在紫荊關(guān)下游9km高莊村，東經(jīng)115°13′，北緯39°26′，1997年為旺隆水庫引水修建的橡膠壩，橡膠壩未充水期間，壩高1.0m左右，經(jīng)過測量減小過水面積89m2，占2012年“12.7”洪水期間最大過水面積的14%。在紫荊關(guān)下游10km孔各莊村，東經(jīng)115°13′，北緯39°27′，有一永久性砂石料場，經(jīng)過測量減小過水面積206m2，占2012年“12.7”洪水期間最大過水面積的27%，詳見表4高莊及孔各莊斷面阻水面積表。

在紫荊關(guān)基本水尺斷面下游9km高莊村為旺隆水庫引水需要，建有攔河壩一座，壩高1m左右，相應(yīng)也等于抬高了下游河底高程，從而減小了河床縱比降。

由由曼寧公式：

■計算河段平均流速；

式中 v-河段平均流速（m/s）；

n-糙率系數(shù)；

R-過水斷面水力半徑（m）；

I-水面比降。

可知，比降減小，流速也隨之減小，所以造成流量減小。

沿河筑壩、圍河修建建設(shè)用地、隨意堆砌砂石料，另外沿河修建停車場等人為活動也是造成紫荊關(guān)2012年“12.7”洪水流量與“63.8”洪水和“96.8”洪水在同級水位下流量、流速偏小的原因。

6 結(jié)語

通過對紫荊關(guān)水位流量分析，在“12.7”洪水中實測最大流量2110m3/s，相應(yīng)流量下實測最大流速5.37m/s，相應(yīng)水位522.11m，與1963年的“63.8”洪水相比，對應(yīng)水位在522.11m時，相應(yīng)流量為3540m3/s，相應(yīng)最大流速為6.31m/s，“12.7”洪水從流量到流速比“63.8”分別小40%和15%。

1996年“96.8”洪水實測最大流量為849m3/s，最大流速4.81m/s，相應(yīng)水位519.16m，以“96.8”水位做基數(shù)同“12.7”洪水比較，在相同水位519.16m時，“12.7”洪水流量、流速分別為470m3/s、2.20m/s，比“96.8”洪水流量、流速分別小45%和54%。

流量偏小是由于在紫荊關(guān)下游河道中建有永久性的石料廠、攔河筑壩等人類活動，占據(jù)河道過水斷面面積的近1/3，同時人類活動改變了河床縱比降，也能減小流速，進一步影響到流量大小。總之，隨著人類活動范圍的擴大，拒馬河在同級水位下流量有偏小的趨勢。

作者簡介：王明哲，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：水文測驗及河道水文規(guī)律；劉正保，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：水文測驗及河道水文規(guī)律。