大沙河老古溝橋-武營橋段河道治理工程設(shè)計洪水分析

賈 鵬

(丹東市振安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000)

1 流域及工程概況

大沙河為鴨綠江一級支流，河道起點位置為五龍山的陶家溝，由西北向東南流經(jīng)五龍背、蛤蟆塘等，終點匯入鴨綠江干流[1]。大沙河徑流面積220.94 km2，河道長度30.32 km，河道平均比降3.17‰。本次河道治理位于振安區(qū)樓房鎮(zhèn)，樓房鎮(zhèn)氣候宜人，冬無嚴寒，夏無酷暑，全年日照總時數(shù)為2300 h～2530 h，鎮(zhèn)內(nèi)山脈隸屬長白山系，與五龍背鎮(zhèn)交界處的五龍山海拔669.4 m，系樓房鎮(zhèn)也是振安區(qū)最高峰。治理范圍是老古溝大橋下游至武營橋上游之間的左岸，武營橋以上大沙河集水面積188 km2，河道長度26.70 km，平均比降4.33‰。大沙河流域水系圖見圖1。

圖1 大沙河流域水系圖

2 水文基本資料

2.1 測站分布及基本資料

根據(jù)水文資料調(diào)查，大沙河流域附近現(xiàn)有2個水文站，分別為湯山城水文站和梨樹溝水文站。湯山城水文站，集水面積199 km2，該站于1967年6月設(shè)立，1993年停測。梨樹溝水文站位于愛河下游，距河口27 km，集水面積5629 km2，該站于1955年6月由水位站改為水文站[2]，觀測至今，水文資料相對較全。

2.2 歷史洪水調(diào)查

1979年為編輯“遼寧省歷史洪水匯編”，遼寧省水電勘測設(shè)計院與遼寧省水文總站共同在愛河流域的梨樹溝站附近進行了洪水調(diào)查，調(diào)查到1888年以來的6場大洪水，調(diào)查成果均較可靠。結(jié)合歷史文獻記載資料分析，愛河干流梨樹溝站1888年洪水是1988年～2010年123年以來最大的一次洪水，1960年是僅次于1888年的第二位洪水，愛河梨樹溝站特大洪水順位和洪峰流量值見表1[3]。

表1 愛河梨樹溝站特大洪水順位和洪峰流量值表

丹東市水文站曾與1980年9月對湯山城河段進行了歷史洪水調(diào)查，調(diào)查到1960年大洪水，調(diào)查成果較可靠，未調(diào)查到1888年及1937年洪水。湯山城站已調(diào)查到的特大順位洪水和洪峰流量值見表2。

表2 湯山城站特大洪水順位和洪峰流量值表

2.3 洪水資料的延長與插補

(1)梨樹溝站

梨樹溝站現(xiàn)有1955年～2018年共64 a實測連續(xù)洪峰系列，另有1937年～1945、1950年～1954年年最高水位資料。在以前的工作中，水文工作者對1937年～1945和1950年～1954年年最大洪峰流量資料進行過插補，本次設(shè)計依然采用原成果。插補后，梨樹溝站具有1937年～1945年、1950年～2010年共70 a最大洪峰流量系列。

(2)湯山城站

湯山城站現(xiàn)有1967年～1992年共26 a實測連續(xù)洪峰系列，采用回歸方程計算法利用同流域內(nèi)其他各站的資料來延長湯山城站的資料系列。經(jīng)計算，湯山城站與梨樹溝站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.46<0.85，與草河站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.36<0.85，與龍灣站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.09<0.85，相關(guān)關(guān)系均不好，故歷史洪水僅推算至1960年。

2.4 洪水

2.4.1 暴雨洪水特征

丹東地區(qū)多年平均降雨量1028 mm左右，根據(jù)流域內(nèi)雨量站統(tǒng)計分析，降水量年內(nèi)分配不均，大部分降雨量集中在6月～9月份，降雨量約占全年總降水量的75%以上，暴雨多發(fā)生在7月～8月兩月中，大沙河為山區(qū)性河流，強烈而集中的暴雨形成陡漲陡落的的洪水過程暴雨歷時一般1 d～3 d，且大暴雨有70%的雨量集中于一天。

2.4.2 設(shè)計洪峰計算(圖表法)

工程起點以上集雨面積188.00 km2，采用遼寧省水文資源勘測局1998年8月出版的《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》計算設(shè)計洪水。

由于大沙河流域暴雨和相應(yīng)的變差系數(shù)較其等值線圖查詢數(shù)值偏大，因此采用丹東雨量站降雨資料對其進行修正，丹東雨量站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量分別見表3，丹東站最大1 h、6 h、一日、三日及年降雨量不同頻率分析見表4。

表3 丹東站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量表

表4 丹東站最大1小時、6小時、一日、三日及年降雨量不同頻率分析

工程起點以上(武營橋)集水面積188 km2，采用圖表法計算設(shè)計洪水，以P=10%設(shè)計洪峰計算。

①匯流時間計算采用以下計算公式

(1)

式中：L為河道長度，26.70 km；J為平均比降，4.33‰；參數(shù)x、y查《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》附表(3-1)分別為0.96、0.73。

計算得到匯流時間為6.18 h。

②計算1 h、6 h、24 h、三日的設(shè)計面雨量及n1p、n2p值

暴雨和相應(yīng)的變差系數(shù)可由其等值線圖查得：

P三P面=301.7 mm，CV三=0.60KP，KP三=1.77

P24P面=232.7 mm，CV24=0.60，KP24=1.77

P6P面=144.2 mm，CV6=0.58，KP6=1.75

P1P面=56.5 mm，CV1=0.54，KP1=1.71

由以上結(jié)果求得，點面折減系數(shù)KF=0.97，n1p、n2p值計算如下：

③計算τ歷時設(shè)計面雨量及面暴雨強度ip

當τ=6.18 h時，PτP面=P24P面×24n2P-1×6n1P-n2P×τ1-n1P=147.59 mm；

④查附表(3-2)，jP=0.85，α三P=0.72，α(三-24)P=0.35。

⑤10 a一遇的洪峰流量：

QP=0.278φP·iP·F=1060.19 m3/s。

⑥計算洪量：W三P=0.1×αP×P三P面×F=4084萬m3；

W(三-24)P=0.1×α(三-24)P×(P三P面-P24P面)×F=454萬m3；

W24P=W三P-W(三-24)P=3630萬m3。

⑦洪水過程線

Q10%=Qp+Q0=1060.19+7.88=1068.07 m3/s。

武營橋上游和上游炮守營支流位置中間計算參數(shù)見表5。

2.4.3 設(shè)計洪峰計算(實測資料頻率分析法)

(1)歷史洪水重現(xiàn)期的確定

湯山城站未調(diào)查到1888年歷史洪水，按1960年洪水為1960年以來最大值，則其洪水考證期為51 a，按1888年以來第二大值，則其洪水重現(xiàn)期為62 a?？紤]到1960年洪水較大，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)較1888年洪水大的情況，因此，本次設(shè)計按62 a計算。

表5 計算參數(shù)表

(2)洪水頻率分析

湯山城水文站1967年～1992年共26 a實測洪水資料統(tǒng)計，飲馬河洪水多呈單峰型，漲洪時間較短，從開始起漲到峰頂一般經(jīng)歷2 d左右，但退水時間較長[4]，其水量主要集中于3 d時間內(nèi)。

本次設(shè)計采用《三灣水利樞紐及輸水工程可行性研究》中的成果，對湯山城站洪水進行分析和計算。將實測洪水與歷史洪水一起組成一個不連續(xù)的系列，采用統(tǒng)一處理法計算[5]，其中為首的a項特大洪水采用頻率次序統(tǒng)計量的數(shù)學(xué)期望公式如下：

(2)

實測期n內(nèi)的一般洪水，采用下述公式計算：

(3)

矩法樣本估計的洪峰均值，采用下述公式計算：

(4)

根據(jù)以上對洪水重現(xiàn)期的確定，對湯山城站洪峰Qm頻率計算。統(tǒng)計結(jié)果表明，湯山城站洪峰CS參數(shù)取2.5CV較合適，線形按P-Ⅲ型曲線[6]。湯山城站CV參數(shù)根據(jù)適線情況，并考慮區(qū)之間的相互關(guān)系確定，湯山城站頻率曲線圖見圖2，洪峰頻率分析成果及采用成果見表6。

圖2 湯山城站洪峰頻率曲線圖

表6 湯山城站洪峰頻率分析成果表

目前大沙河流域水資源還未有較大規(guī)模的開發(fā)利用，產(chǎn)生各年洪水的流域和河道的產(chǎn)流和匯流條件沒有明顯改變，實測洪水資料具有較好一致性。

在湯山城站上游實測資料系列年份未發(fā)生決口、潰堤、改道等致使流域的洪水形成條件發(fā)生明顯改變的情況。因此，洪水資料系列具有較好的一致性，可不作修正。為提高資料系列的代表性，湯山城站洪峰流量資料加入調(diào)查歷史洪水，并對特大洪水進行處理，使湯山城站的實測資料具有較好的可靠性、一致性和代表性。

大沙河洪峰流量采用湯山城站設(shè)計洪峰流量乘以面積比的2/3次方計算。設(shè)計洪峰流量成果見表7。

表7 洪峰頻率計算成果表

3 成果合理性分析及采用

3.1 成果合理性

(1)點繪大沙河鄰近的愛河流域各站設(shè)計峰、量與面積關(guān)系，可以看出設(shè)計洪水成果符合地區(qū)分布規(guī)律，見圖3。

圖3 愛河流域各站設(shè)計峰、量、面積關(guān)系

(2)湯山城站位于丹東市振安區(qū)湯山城鎮(zhèn)飲馬河上，距離較近，集水面積與工程處以上集水面積相差較小。因此工程采用與湯山城站面積比法比較合適。

3.2 成果采用

本堤防工程位于流域上游河段，河道比降大，洪水過程更加集中，偏安全考慮，采用(圖表法)成果是合理的。另外，1998年版《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》是在1964年《遼寧省無資料地區(qū)中小河流設(shè)計洪水計算方法》，1975年出版的《遼寧省水文圖集》《遼寧省水文手冊》，1982年出版的《遼寧省暴雨洪水查算圖表》等的基礎(chǔ)上，總結(jié)遼南地區(qū)的“81.7”洪水，遼渾太河的“85.8”“86.8”洪水，遼西地區(qū)的“94.7”洪水，遼渾太地區(qū)的“95.7”洪水，及鴨綠江的特大暴雨洪水編制出版的。這一成果考慮了面上的平衡，在遼寧省無資料地區(qū)被廣泛采用，均取得了滿意的成果，本設(shè)計采用圖表法計算成果，干流洪峰流量為1070 m3/s。

3.3 設(shè)計洪水過程線

根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》中洪水過程線為強烈而集中的暴雨形成陡漲陡落的單峰過程線，峰現(xiàn)時間為第30 h。不同頻率設(shè)計洪水過程線成果見表8和圖4。

表8 設(shè)計洪水過程線 單位：m3/s

圖4 大沙河設(shè)計洪水過程線

4 結(jié)論與建議

根據(jù)近年來對丹東地區(qū)水利工程水文分析的經(jīng)驗，對中小流域山區(qū)河流，采用遼寧省無資料方法水文分析成果與已建工程實際觀測吻合較好，在觀測資料不充分的情況下，為安全起見，采用無資料計算方法可以滿足工程需要，該成果將為大沙河干流河道治理工程中治導(dǎo)線劃分及堤防設(shè)計提供重要參考依據(jù)。本工程于2017年開工，2018年完建，河道治理后提高了沿河兩岸的防洪標準，保證了兩岸及下游人民的生命財產(chǎn)安全。