渭河支流金陵河縣功水文站預警指標分析

邰高曦，甘 丹，由宇軍

(陜西省水文水資源勘測中心，陜西 西安 710068)

1 流域概況

1.1 河流概況

金陵河屬渭河左岸一級支流，發(fā)源于隴山山脈南部的陳倉區(qū)新街鎮(zhèn)趙家山，河道干流長56.0 km，平均比降7.2‰，流域面積427.1 km2，其中縣功鎮(zhèn)以上流域面積為332.3 km2。流域屬千隴黃土低山丘陵地帶，溝壑縱橫，山脈迂回，上游寬闊，下游較窄呈帶狀，具有以縣功鎮(zhèn)為頸的“掃帚”狀特點?？h功鎮(zhèn)以上有司川河和北川河兩條較大支流，流域多年平均輸沙模數(shù)為2 000～5 000t/ km2·a，平均含沙量5～9 kg/m3。

1.2 氣象水文

金陵河流域地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫12.9℃，最高氣溫41.6℃，最低氣溫-13.9℃；多年平均年降水量700 mm，平均徑流深181.2 mm，多年平均徑流量6 100萬m3，平均流量1.93 m3/s。流域多年平均蒸發(fā)量550 mm，平均干燥指數(shù)1.2。全年盛行西風，平均風速1.2 m/s。

1.3 測站概況

縣功水文站位于寶雞寶雞市陳倉區(qū)縣功鎮(zhèn)街道，地處東經107°04′00″，北緯34°31′20″。斷面以上控制流域面積340 km2，主河道長度30.7 km，河道平均比降17.4‰。測站河段左岸建有人工漿砌石河堤，工程防洪標準為20 a一遇洪水，堤防級別為4級。該站是金陵河流域干流控制站，測驗項目包括水位、流量、雨量，為金陵河下游防汛提供科學決策依據(jù)。

1.4 防護對象

金陵河流域共涉及隴縣八渡，陳倉區(qū)新街、縣功，金臺區(qū)金河，渭濱區(qū)金陵街道辦事處等4個縣(區(qū))7鄉(xiāng)鎮(zhèn)，46個村委會，340個村民小組，總耕地13.2萬畝，總人口約5.5萬人。下游沿岸有廠礦企事業(yè)單位53戶，總人口約3.3萬人。在金陵河市區(qū)段，寶雞峽引渭干渠18孔大渡槽東西跨越金陵河，渡槽全長240 m。隴海鐵路復線大橋和寶十路、寶虢路大橋并行跨越金陵河。金陵河市區(qū)段沿岸有寶雞卷煙廠、石油機械廠、寶雞水泵廠等10多家重要廠礦企業(yè)，有馬營、群眾路、店子街、金陵等4個街道辦事處和龍泉中學等20多個事業(yè)單位。

圖1 縣功水文站流域圖

2 水文分析計算

本次縣功水文站以上斷面不同頻率洪水確定分別采用推理公式法、瞬時單位線法、面積比擬法和經驗公式法進行分析計算，通過分析結合金陵河已有設計洪水計算成果，最終合理確定不同頻率洪峰流量。

2.1 暴雨推求設計洪水

暴雨推求洪水的方法，分別采用推理公式法和瞬時單位線法進行匯流計算，參考《寶雞市水文實用手冊》，分別分析計算縣功水文站不同頻率洪峰流量，成果見表1和表2。

表1 推理公式計算成果表

表2 瞬時單位線計算成果表

2.2 面積比擬法

金陵河流域內沒有國家基本水文站，參考對比臨近流域千河千陽水文站。千陽水文站設立于1964年1月，位于寶雞市千陽縣城關鎮(zhèn)，地處東經107°08′、北緯34°38′，集水面積2 935 km2，距河口44.3 km。千陽站建站至今已有54 a實測徑流、泥沙、洪水資料，實測最大洪峰流量2 160 m3/s(2010年)，最小18.3 m3/s(1997年)。

根據(jù)千河千陽站1972-2019年48年實測洪水資料，加入1907、1954年調查洪水洪峰按不連續(xù)系列進行頻率計算，計算時作為特大值處理，應用下列公式計算：

PM=M/(N+1)

(1)

式中：PM為歷史洪水重現(xiàn)期；M為歷史洪水排序，這里指1907、1954年洪水；N為從調查期起算的不完全樣本系列(1907-2019)。

實測系列的經驗頻率用下式計算：

pm=m/(n+1)

(2)

式中：pm為實測洪水重現(xiàn)期；m為實測系列中的排序；n為實測系列長度(1972-2019)。

計算結果與2014年千河防洪工程可研結果基本一致，比2000年千河可研計算結果稍偏大。由于本次計算系列延長至2019年，包含了2010年和2013年大洪水，并考慮了上游段家峽水庫削峰的影響，其計算結果合理、可靠。千陽站洪峰流量頻率計算成果采用本次計算值。利用千陽站實測流量計算成果進行面積比擬，見表3。

表3 面積比擬法計算成果表

2.3 經驗公式法

按照《寶雞市水文實用手冊》，渭河以北地區(qū)經驗公式如下：

Qp=0.009F0.742×J0.324×H6p1.301

(3)

式中：Qp為設計頻率為P的洪峰流量(m3/s)；F為設計流域面積(km2)；J為主河道平均比降(‰)；H6p為設計頻率為6 h的暴雨量(mm)。

經計算，縣功水文站以上流域不同重現(xiàn)期洪峰流量見表4。

表4 經驗公式法設計洪水計算成果表

2.4 頻率計算成果的確定

上述暴雨推求設計洪水、面積比擬法、經驗公式法三種法分別對縣功水文站以上流域不同頻率設計洪水進行了推求，見表5。

表5 設計洪水計算成果表

從表5可以看出，三種計算洪水的方法計算成果相差較大。設計暴雨推求設計洪水適用于面積范圍在150～500 km2；經驗公式法適用于面積范圍在10～150 km2，10 km2以下計算成果供參考；面積比擬法適用于面積差不超過20%。暴雨推求設計洪水綜合考慮了流域降雨、形狀和地形等因素，具有較高的可信度，是設計洪水推求的常用方法。

將本次暴雨推求設計洪水推理公式法計算成果同“寶雞市金臺區(qū)金陵河重點段防洪工程”中寺溝村段、十八孔橋至寶十橋段洪水計算成果進行比較(見表6)，將寺溝段10 a一遇、十八孔橋至寶十橋段100 a一遇換算至縣功斷面分別為516 m3/s、1 380 m3/s，與本次計算洪水計算成果基本一致，本次洪水的計算成果基本合理。

表6 設計洪水計算成果對比表

3 預警指標的確定

3.1 預警流量

縣功水文站斷面下游金陵河重點防護對象包括：翟家坡村、玉池村、金河工業(yè)園區(qū)、金河尚居以及金陵河寶雞市區(qū)段，目前這些河段均已建成人工漿砌石河堤，建設標準分別為10～100 a一遇。按照金陵河歷史洪水情況和本地區(qū)防汛特征值，按照防洪工程有關規(guī)定和標準的要求，河道預警水位要低于防洪堤頂高程。

結合上下游防護對象、重點防汛區(qū)域、測驗斷面情況及近些年縣功站洪水情況，縣功鎮(zhèn)河段現(xiàn)狀堤防級別為5級，防洪能力為20 a一遇，本次預警流量參考縣功站2 a一遇設計洪水流量205 m3/s，最終確定為200 m3/s。

3.2 預警水位

本測驗河段基本順直，上游500 m、下游250 m處各有一彎道，河段控制較好。河道右岸為無堤防河段，左岸建有人工漿砌石河堤，河道寬約45.0 m。河床由沙粒石組成，雜草叢生。

本次預警水位的確定采用寶雞水文局2020年4月實測的縣功水文站實測大斷面進行推求，高程基準采用測站的85基準基面。大斷面圖2。

圖2 縣功水文站基本斷面圖

斷面水位流量關系的計算采用明渠均勻流公式法計算。即根據(jù)實測的大斷面資料，用均勻流曼寧公式計算水位流量關系：

(4)

式中：Q為過水斷面流量(m3/s)；A為過水斷面面積(m2)；n為河床糙率；R為過水斷面水力半徑(m)；I為水面比降(‰)。

過水斷面面積A根據(jù)實測斷面資料計算；比降采用實測枯水比降4.85‰、糙率選用0.040，縣功水文站水位流量關系線見圖3。

圖3 縣功水文站水位流量關系曲線圖

依據(jù)上文確定的縣功水文站預警流量為200 m3/s，推求縣功水文站預警水位為725.53 m。

3.3 預警雨量

結合《山洪災害分析評價技術要求》和《山洪災害分析評價技術指南》技術規(guī)定中預警指標確定方法，按照金陵河流域特性及匯流時間、預警雨量按照3 h、6 h二種歷時預警時段確定。預警雨量的推求，采用預警流量對應的同頻雨量作為不同預警時段的臨界雨量。

(1)假定流域前期降雨很少(土壤較干Pa=0.2Im)、中等(一般Pa=0.5Im)、很多(較濕Pa=0.8Im)三種情況下。計算三種土壤情況(較干、一般、較濕)下，不同頻率(20%、10%、5%、2%、1%)設計洪水洪峰流量值。

(2)點繪三種不同土壤前期降雨情況下(較干、一般、較濕)多個頻率(20%、10%、5%、2%、1%)設計洪峰值Qm，p與對應頻率P的關系曲線Qm，p～P。

(3)根據(jù)預警流量在三種不同土壤前期降雨情況下(較干、一般、較濕)的Qm，p～P曲線上查出預警流量對應的頻率，在預警雨量與預警流量同頻率的假定下，認為該頻率P就是預警雨量的頻率P預。

(4)點繪不同時段多個頻率雨量值與其相應頻率的關系曲線，在不同時段暴雨頻率曲線上查出對應于預警雨量頻率P預的不同時段的雨量值。

確定縣功水文站以上流域雨量預警指標為：較干：3 h雨量43.0 mm；6 h雨量49.0 mm；一般濕潤：3 h雨量29.8 mm；6 h雨量34.1 mm；較濕3 h雨量26.0 mm；6 h雨量31.1 mm。

4 合理性分析

(1)參照金陵河歷史洪水災害：1937年8月8日，金陵河八里村同家崖斷面洪峰流量達932 m3/s(調查值)。1988年8月8日，金陵河發(fā)生了歷史罕見的特大暴雨洪水(“88·8”洪水)，洪水到達縣功鎮(zhèn)時洪峰流量為918 m3/s，由于下游沿河橋梁及垃圾場(堆)的阻水蓄洪潰壩，造成洪水進入市區(qū)時在寶平路收容所斷面流量高達1 660 m3/s，寶十橋斷面達1 150 m3/s。1996年7月27日凌晨，金陵河寶十橋洪峰流量615 m3/s。2010年8月1日，陳倉區(qū)縣功鎮(zhèn)降雨量接近100 mm，短時強降雨致使金陵河水暴漲，在縣功鎮(zhèn)段出現(xiàn)了540 m3/s的洪峰流量。本次確定了縣功水文站預警流量200 m3/s基本是合理的。

(2)從縣功水文站實測大斷面圖可知，該斷面河堤高程728.24 m，高于初步確定的預警水位值2.69 m，高于本次計算的20 a一遇設計洪水位1.16 m，其對比分析結果見表7。

表7 堤防工程高程與預警水位對比分析表

由表7可知，縣功水文站控制斷面左岸堤頂高程與本次初步確定的預警水位差值為2.71 m，預警流量下洪水不會對堤防產生安全威脅。同時本次計算的堤防設計洪水位低于堤頂高程1.16 m也是合理的。

(3)參照相近流域千河千陽水文站警戒流量400 m3/s，其相應的頻率為2～5 a一遇，因此縣功水位站預警指標采用2 a一遇基本是合理的。

(4)縣功水文站2017年建成運行以來，最大流量為2020年8月16日157 m3/s，未超過警戒流量。

5 結語

(1)本次縣功水文站預警指標的分析工作，通過前期對流域基礎資料、實測降雨長系列資料、歷史洪水資料、已有設計洪水成果、山洪災害等資料的收集基礎上，通過實地流域踏勘及實測河段斷面、比降等，采用多種方法計算分析的基礎上，綜合考慮歷史洪水災害等情況，科學合理的確定了縣功水文站預警流量200 m3/s、預警水位725.53 m、預警雨量指標為：較干：3 h雨量43.0 mm；6 h雨量49.0 mm；一般濕潤：3 h雨量29.8 mm；6 h雨量34.1 mm；較濕3 h雨量26.0 mm；6 h雨量31.1 mm。

(2)雖然縣功水文站預警指標的確定采用了流域實測雨量資料，由于匯流參數(shù)隨著近些年流域下墊面的變化以及人類活動、水利工程的影響可能存在偏差，同時由于河道沖淤變化較大，預警水位隨著河段沖淤產生變化，造成洪水頻率計算、預警雨量指標的確定存在一定誤差，需在今后的工作中進一步深入研究金陵河產匯流規(guī)律演變，及時修正預警指標。