王河河道防洪承載力分析評(píng)價(jià)及組合洪水計(jì)算探析

劉瑛楠

(遼寧省沈陽(yáng)水文局， 遼寧 沈陽(yáng) 110043)

1 概述

王河發(fā)源于沈陽(yáng)市法庫(kù)縣慈恩寺白石砬子山區(qū)，流經(jīng)法庫(kù)、鐵嶺的調(diào)兵山市和鐵嶺縣，在鐵嶺縣鎮(zhèn)西堡鄉(xiāng)大臺(tái)山下匯入遼河，屬遼河一級(jí)支流。王河流域總面積482 km2，其中山區(qū)面積278 km2，平原面積204 km2，河流總長(zhǎng)50.8 km，河道平均比降0.73‰，在鐵嶺境內(nèi)長(zhǎng)22 km。王河沿岸為鐵嶺西部山區(qū)洪水沖積形成的山前平原，地形開(kāi)闊平坦，地勢(shì)較低，地下水位高。

王河的上游段距法庫(kù)縣慈恩寺白石砬子山王河河源約23.4 km處建有泡子沿水庫(kù)，屬于中型水庫(kù)，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。泡子沿水庫(kù)很大程度上緩解了周邊農(nóng)田灌溉用水的緊張狀況，同時(shí)承擔(dān)了下游大明煤礦、調(diào)兵山市區(qū)的防洪任務(wù)。

王河泡子沿水庫(kù)下游有五條主要支流，即前山河、蔡家溝河、柏家溝河、楊河和新開(kāi)河。其中在頭臺(tái)子河上游分兩支流，其西側(cè)支流原有一座小型水庫(kù)—頭臺(tái)子河前山水庫(kù)，現(xiàn)已廢棄；其東側(cè)支流為頭臺(tái)子河蔡家溝支流。王河所處地區(qū)為遼河沖積平原，地勢(shì)低洼，山丘皆有。植被主要屬于夏綠林型、常綠林型灌木和草本植物。土壤以草甸土、潮棕壤土為主，地勢(shì)低洼易澇[1-4]。其河道特性見(jiàn)表1。

表1 王河流域沿線(xiàn)支流河道特性表

2 洪水承載力

2.1 基本資料

2019年，遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院編制完成了《王河鐵嶺縣段現(xiàn)狀堤防防洪能力分析評(píng)價(jià)》，采用最新數(shù)據(jù)對(duì)王河進(jìn)行了水文分析，并進(jìn)行了合理性分析及歷史洪痕考證，其計(jì)算結(jié)果更能反映王河洪水實(shí)際情況。

2020年8月遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院編制完成了《王河鐵嶺縣段河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，其沿用了《分析評(píng)價(jià)》中水文成果，2020年8月31日鐵嶺水發(fā)[2020]159號(hào)文件予以批復(fù)?？紤]到王河本次治理段為調(diào)兵山市與鐵嶺縣界河，為保證水文成果一致性，故本次采用《分析評(píng)價(jià)》中成果。

2.2 徑流

根據(jù)《鐵嶺縣農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與農(nóng)業(yè)區(qū)劃報(bào)告》，王河沿岸雙井子鄉(xiāng)、鎮(zhèn)西鄉(xiāng)為西部洪澇區(qū)，徑流年際年內(nèi)分配極不均勻，年徑流量大部分集中在汛期，多年平均徑流量為0.92×108m3，汛期徑流量占全年的73.7%。詳見(jiàn)表2。

表2 本區(qū)天然徑流量表

2.3 暴雨洪水特性

王河流域年降水量600 mm，年內(nèi)分配極不均勻，有一半集中在七、八兩個(gè)月，河流洪水多由暴雨產(chǎn)生[5]。另外，王河各支流多發(fā)源于山區(qū)，河流比降較陡，一旦出現(xiàn)大暴雨，易釀成洪災(zāi)。因王河流域未設(shè)水位、徑流測(cè)站，歷次洪水的相關(guān)情況只能參考流域或地區(qū)的暴雨記錄和歷史洪水調(diào)查，缺乏精確的數(shù)字。

2.4 歷史洪水

據(jù)記載，王河沿岸出現(xiàn)較大洪水有八次，分別是1951年、1953年、1954年、1957年、1960年、1964年、1989年、1994年，其中以1951年和1953年兩次洪水最大。1951年、1953年、1989年和1994年的洪水均造成王河堤防決口。據(jù)歷史洪水調(diào)查：1951年遼河發(fā)生稀有大水，在王河流域鐵嶺縣境內(nèi)，遼河首先出現(xiàn)潰堤，接著王河決堤，王河和遼河洪水形成串流，使介于兩條河流之間的雙井子鄉(xiāng)大部地區(qū)被淹，受淹面積達(dá)到10 667 hm2，淹沒(méi)的耕地、房屋、人口數(shù)已不可考證。

1953年遼河和王河又出現(xiàn)潰堤及洪水串流現(xiàn)象，但災(zāi)情較1951年輕，這兩次洪水在王河出現(xiàn)的洪峰流量，據(jù)省水利部門(mén)調(diào)查結(jié)果，在泡子沿水庫(kù)壩址處分別為806 m3/s和218 m3/s。泡子沿水庫(kù)以下無(wú)記載。

1975年王河在鐵嶺縣境內(nèi)永收村附近左岸潰堤，淹沒(méi)雙井子鄉(xiāng)部分土地，受災(zāi)情況無(wú)記載。

2.5 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.5.1 支流設(shè)計(jì)洪水

由于流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)資料，本次王河鐵嶺縣段現(xiàn)狀堤防防洪能力分析評(píng)價(jià)山區(qū)洪水采用《遼寧省中小河流(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算；平原低洼地帶采用排水模數(shù)法計(jì)算。因平原區(qū)排水河道的排水過(guò)程持續(xù)較長(zhǎng)，且較穩(wěn)定，故在兩部分洪水組合時(shí)，將平原區(qū)排水流量平加在山區(qū)洪水部分。

遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在《遼寧省中部平原澇區(qū)及東南沿海澇區(qū)排水模數(shù)分析》工作中，建立了新的降雨徑流關(guān)系，對(duì)遼寧省中部平原澇區(qū)和東南沿海平原澇區(qū)的排水模數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充分析和修改。

平原區(qū)洪水按平原區(qū)排水計(jì)算。根據(jù)《遼寧省治澇規(guī)劃報(bào)告》(含田間配套工程)中遼干北部右岸澇區(qū)王河法庫(kù)澇片相關(guān)頻率排水模數(shù)，王河法庫(kù)澇片20 a一遇水田排澇模數(shù)為0.31 m3/(s·km2)，旱田排澇模數(shù)為0.51 m3/(s·km2)；10 a一遇水田排澇模數(shù)為0.22 m3/(s·km2)，旱田排澇模數(shù)為0.35 m3/(s·km2)；5 a一遇水田排水模數(shù)為0.14 m3/(s·km2)，旱田排水模數(shù)為0.22 m3/(s·km2)。

本流域地處遼寧水文Ⅰ和Ⅱ分區(qū)之間，設(shè)計(jì)暴雨、產(chǎn)流各參數(shù)均采用Ⅱ區(qū)資料。由于各支流的流域面積均小于300 km2，故設(shè)計(jì)可采用集水面積小于300 km2的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4及表5。

表3 P=5%各支流洪峰流量及洪水總量表

表4 P=10%各支流洪峰流量及洪水總量表

表5 P=20%各支流洪峰流量及洪水總量表

2.5.2 洪水計(jì)算成果合理性

因?yàn)楸玖饔驔](méi)有水文測(cè)站，故需參考鄰近流域資料來(lái)復(fù)核王河流域洪水計(jì)算成果。尚屯水庫(kù)、泡子沿水庫(kù)屬于同一水文分區(qū)，且是鄰近流域。為了驗(yàn)證泡子沿水庫(kù)應(yīng)用無(wú)資料地區(qū)的成果推求設(shè)計(jì)洪水的準(zhǔn)確性，用尚屯水庫(kù)現(xiàn)有的水文資料來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，以求得可信的程度。

根據(jù)沈陽(yáng)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院編制完成的《泡子沿水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)》報(bào)告，尚屯水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量各頻率設(shè)計(jì)值見(jiàn)表6。

表6 尚屯水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量各頻率設(shè)計(jì)值表 m3/s

泡子沿水庫(kù)控制面積156 km2，頭臺(tái)子河前山水庫(kù)集雨面積20.5 km2，頭臺(tái)子河蔡家溝山區(qū)集雨面積27.2 km2，柏家溝山區(qū)集雨面積20.7 km2，楊河山區(qū)集雨面積10.8 km2，新開(kāi)河水庫(kù)集雨面積32 km2。尚屯水庫(kù)集雨面積238 km2，采用水文比擬法的洪峰流量計(jì)算公式為：

(1)

式中： Q設(shè)為采用水文比擬法利用臨近站的洪峰流量計(jì)算得到的小流域水庫(kù)的洪峰流量(m3/s)；F鄰為臨近站上游的控制面積(km2)；F設(shè)為小流域水庫(kù)上游的控制面積(km2)；Q鄰為臨近站的洪峰流量(m3/s)。

從表7成果比較可以看出，當(dāng)p=10%時(shí)用尚屯水庫(kù)作為參證站計(jì)算的洪水結(jié)果略小于用暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)的計(jì)算結(jié)果，其主要原因是河流上下游不同歷時(shí)的暴雨均值有一定的差異[6]，且流域面積小、產(chǎn)流時(shí)間短、匯流集中。除泡子沿水庫(kù)外的五個(gè)小流域控制面積都較小，僅為尚屯水庫(kù)控制面積十分之一左右，因此水文比擬法精度可靠程度偏低?？紤]到遼寧省中小河流(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法的基礎(chǔ)資料翔實(shí)、方法先進(jìn)，綜合成果完全符合部頒《設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》要求，從工程的安全角度出發(fā)，在本次計(jì)算中，采用該方法計(jì)算的洪水作為調(diào)洪演算的依據(jù)。

表7 成果對(duì)比表 m3/s

2.5.3 組合洪水承載力

根據(jù)王河河勢(shì)的變化規(guī)律，結(jié)合工程布置情況，本次共布置了四個(gè)控制斷面，大臺(tái)山閘前斷面位于大臺(tái)山閘前，集水面積388.1 km2；斷面Ⅰ(口古范斷面)位于口門(mén)沿排水站匯入口上游100 m，集水面積317.9 km2；斷面Ⅱ(新開(kāi)河匯入口以上)位于新開(kāi)河匯入口上游100 m，集水面積285.9 km2；斷面Ⅲ(楊河匯入口以上)位楊河匯入口上游100 m，集水面積246.4 km2；控制斷面詳細(xì)資料見(jiàn)表8、表9及表10。

表8 至斷面Ⅰ(口古范斷面以上)匯流時(shí)間(h)

表9 至斷面Ⅱ(新開(kāi)河匯入口以上)匯流時(shí)間(h)

(1)當(dāng)p=5%、p=10%和p=20%時(shí)王河上游泡子沿水庫(kù)參與調(diào)洪。1998年由鐵嶺市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的《王河流域防洪綜合利用規(guī)劃》中王河上游泡子沿水庫(kù)10 a一遇洪水和5 a一遇洪水不泄洪，但是根據(jù)《泡子沿水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)》所述，10 a一遇洪水和5 a一遇洪水時(shí)王河上游泡子沿水庫(kù)洪水泄洪。因此本次王河河道治理予以采用10 a一遇洪水和5 a一遇洪水時(shí)王河上游泡子沿水庫(kù)參與調(diào)洪。

(2)王河各支流洪水演進(jìn)采用曼寧公式計(jì)算。各支流至三個(gè)控制斷面的匯流時(shí)間見(jiàn)表8、表9及表10。

表10 至斷面Ⅲ(楊河匯入口以上)匯流時(shí)間(h)

(3)組合洪水中考慮各排水站的排水流量，各排水流量與支流洪水為峰對(duì)峰疊加。

(4)考慮到河道的槽蓄作用，小區(qū)域洪水不予計(jì)算?？陂T(mén)沿、古洞坨、范家三站因控制面積較大且相鄰，并作口古范站考慮。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 各控制斷面組合洪水計(jì)算成果表

3 結(jié)語(yǔ)

各支流設(shè)計(jì)洪水采用《遼寧省中小河流(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算，平原低洼地帶采用排水模數(shù)法計(jì)算，兩部分洪水組合時(shí)，將平原區(qū)排水流量平加在山區(qū)洪水部分。王河河道治理予以采用10 a一遇洪水和5 a一遇洪水時(shí)王河上游泡子沿水庫(kù)參與調(diào)洪。河道洪水演進(jìn)采用曼寧公式計(jì)算。組合洪水中考慮各排水站的排水流量，各排水流量與支流洪水為峰對(duì)峰疊加。通過(guò)分析和計(jì)算,該結(jié)果更能反映王河洪水實(shí)際情況。