萍鄉(xiāng)城防工程洪水特征及參數(shù)研究

劉 圣

（萍鄉(xiāng)市山口巖水利樞紐管理中心，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

1 引言

河道城市防洪工程建設(shè)可以改善城市防洪現(xiàn)狀，保護當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟財產(chǎn)安全。設(shè)計洪水參數(shù)是城市河道防洪設(shè)計的重要參數(shù)。為了合理獲取設(shè)計洪水參數(shù)，需要充分收集當(dāng)?shù)厮膮?shù)，利用相關(guān)經(jīng)驗分析獲取[1-3]。

2 流域概況

淥水，從滄下進入萍鄉(xiāng)境內(nèi)，至老關(guān)陂頭洲流入湖南醴陵，在株洲市的淥口匯入湘江。淥水流域面積1 423 km2，主河道長度94.1 km2，河道平均比降0.254‰。在江西境內(nèi)（陂頭洲以上）的流域面積1 380 km2，主河道長度84.0 km。在江西省萍鄉(xiāng)市境內(nèi)，流域面積大于100 km2的支流主要為南坑河、麻山水和荷堯水。

淥水流域江西境內(nèi)無水文(位)測站，六十年代設(shè)立了8個雨量站，除萍鄉(xiāng)市氣象站外，其它雨量站實測資料都?xì)埲辈蝗?，且可靠程度較低。湖南境內(nèi)有潼塘水文站。鄰近流域贛江支流（錦江）上游有危坊水文站，贛江支流（袁河）上游有蘆溪水文站。

淥水流域徑流由降水產(chǎn)生，且隨降水的變化而變化。流域徑流年際變化較大，年內(nèi)分配極布均勻。本流域徑流以相鄰流域危坊站為參證站進行徑流分析。據(jù)統(tǒng)計分析，危坊站多年平均流量為28.4 m3/s，年徑流深904 mm，徑流模數(shù)28.7 L/(s.km2)。

危坊站集水面積991 km2，淥水流域江西境內(nèi)面積為1 380 km2，按面積比一次方推求出淥水流域江西境內(nèi)的多年平均流量為39.5 m3/s，年徑流深904 mm，徑流模數(shù)28.7 L/(s.km2)。

3 洪水

3.1 洪水特性

淥水流域洪水為暴雨洪水，洪水季節(jié)與暴雨季節(jié)相一致，4～6月為洪水的主要發(fā)生季節(jié)，尤其是6月份，往往形成峰高量大的洪水，7月份以后，受臺風(fēng)影響也會發(fā)生短歷時的洪水。年最大洪水一般發(fā)生在4～9月份，主要發(fā)生在4～6月份，而以6月份發(fā)生最多。由于流域內(nèi)沒有大的控制性水利樞紐工程，河槽調(diào)蓄能力也較小，一次暴雨即形成一個洪峰，在多雨季節(jié)往往形成連續(xù)洪峰。一次洪水過程，上游歷時較短，中、下游歷時較長，單峰過程較短，雙峰及復(fù)峰過程較長。

3.2 測站設(shè)計洪水

淥水流域江西境內(nèi)無水文觀測站，本設(shè)計選取潼塘站、危坊站和蘆溪站為參證站，采用水文比擬法進行設(shè)計洪水計算。

（1）歷史洪水

根據(jù)《湖南省歷史洪水匯編資料》和《江西省歷史洪水匯編資料》以及我省規(guī)劃設(shè)計工程資料，淥水流域自1914年來發(fā)生特大洪水的年份主要有1914年、1926年及1954年。錦江危坊河段調(diào)查歷史上發(fā)生特大洪水的年份主要有1895年、1926年及1953年。袁河蘆溪河段調(diào)查歷史上發(fā)生特大洪水的年份主要有1895年和1926年。各參證站歷史洪水成果見表1。

表1 各參證站歷史洪水成果表

（2） 潼塘站設(shè)計洪峰流量

本設(shè)計收集了潼塘站1968～2011年實測水文資料以及1914、1926、1954年歷史洪水調(diào)查資料。其中1914年洪水洪峰流量2 290 m3/s，是1914年以來最大的洪水，按起訖年法確定重現(xiàn)期為98年，本設(shè)計取100年。

根據(jù)1968～2011年的年最大洪峰流量，加入1914、1926、1954調(diào)查歷史洪水，組成一個不連序的洪水系列，按不連序洪水系列的經(jīng)驗頻率計算公式確定洪水的經(jīng)驗頻率，選用P－Ⅲ型曲線適線，推求出潼塘站設(shè)計洪峰流量。潼塘站年最大設(shè)計洪峰流量成果見表2。

（3）危坊站設(shè)計洪峰流量

本設(shè)計收集了危坊站1957～2010年實測水文資料以及1942、1945、1949、1952年歷史洪水調(diào)查資料。其中1942年洪水洪峰流量2 090 m3/s，是1942年以來最大的洪水，按起訖年法確定重現(xiàn)期為69年，本設(shè)計取70年；1945年洪水洪峰流量1 980 m3/s，是1942年以來次大洪水；1949年洪水洪峰流量1 870 m3/s，居1942年以來的第三位；1952年洪水洪峰流量1 660 m3/s，居1895年以來的第四位。

根據(jù)1957～2010年的年最大洪峰流量，加入1942、1945、1949、1952調(diào)查歷史洪水，組成一個不連序的洪水系列，按不連序洪水系列的經(jīng)驗頻率計算公式確定洪水的經(jīng)驗頻率，選用P－Ⅲ型曲線適線，推求出危坊站設(shè)計洪峰流量。其中實測系列中的1969年洪峰流量1 550 m3/s提取作特大值處理。危坊站年最大設(shè)計洪峰流量成果見表2。

（4）蘆溪站設(shè)計洪峰流量

本設(shè)計收集了蘆溪站1958～2013年實測水文資料以及1895和1926年歷史洪水調(diào)查資料。其中1895年洪水洪峰流量1 130 m3/s，是1895年以來最大的洪水，按起訖年法確定重現(xiàn)期為119年，本設(shè)計取120年。

根據(jù)1958～2013年的年最大洪峰流量，加入1895、1926年調(diào)查歷史洪水，組成一個不連序的洪水系列，按不連序洪水系列的經(jīng)驗頻率計算公式確定洪水的經(jīng)驗頻率，選用P－Ⅲ型曲線適線，推求出蘆溪站設(shè)計洪峰流量。年最大設(shè)計洪峰流量成果見表2。

表2 測站設(shè)計頻率年最大洪峰流量成果表

江西省水利規(guī)劃設(shè)計院2013年編制完成的《江西省五河治理防洪工程(贛江干支流及淥水)可行性研究報告》（以下簡稱《五河可研報告》，已通過水利部的技術(shù)審查）對潼塘站和蘆溪站設(shè)計洪水進行了頻率分析計算。本次分析計算的潼塘站設(shè)計洪水成果與原設(shè)計采用成果一致；蘆溪站分析計算的設(shè)計洪水比原設(shè)計采用成果偏小，從安全角度考慮，并與原成果銜接，采用原設(shè)計采用成果。

3.3 東源水庫設(shè)計洪水

本設(shè)計階段，對擬建的東源水庫設(shè)計洪水分析計算。東源水庫壩址流域內(nèi)無測站資料，采用蘆溪站為參證站，通過水文比擬法（面積比2/3次方）計算，壩址P=2%和P=5%設(shè)計洪峰流量分別為575 m3/s和456 m3/s。

東源水庫壩址設(shè)計洪水計算成果見表3。

表3 東源水庫壩址設(shè)計洪水計算成果表

3.4 工程河段設(shè)計洪水

2011年7月，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院編制完成了《江西省萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)谷皮沖水閘除險加固工程初步設(shè)計報告》（以下簡稱《谷皮沖除險加固工程》），并于2012年通過由江西省水利廳、江西省發(fā)改委組織的技術(shù)審查，2013年1月通過長江水利委員會審查。在谷皮沖水閘除險加固初步設(shè)計中，由于谷皮沖水閘集水面積1 015 km2，其集水面積與潼塘站(集水面積1 162 km2)、危坊站(集水面積991 km2)均接近，因此，分別選用了潼塘站、危坊站為參證站進行設(shè)計流量計算。采用潼塘站為參證站，谷皮沖水閘P=2%設(shè)計流量1 900 m3/s；采用危坊站為參證站，谷皮沖水閘P=2%設(shè)計流量2 060 m3/s。通過比較，并考慮安全性，《谷皮沖除險加固工程》的洪水設(shè)計成果采用危坊站為參證站的計算成果。

麻山新區(qū)的治理河段為江口村（麻山水匯入口以上）至雙河口村（南坑水匯入口以下，流域集水面積737 km2），水文分析計算中以谷皮沖水閘為起推斷面，采用危坊站為參證站分析計算各斷面設(shè)計洪峰流量，從而推求工程河段50年一遇設(shè)計洪水水面線，谷皮沖水閘設(shè)計水位和洪峰流量采用《谷皮沖除險加固工程》設(shè)計成果。

設(shè)計萍鄉(xiāng)市主城區(qū)治理范圍河段下游至萍麻新橋，上游至昭萍橋，河段長約5.5 km，本階段選取萍麻新橋為代表斷面。萍麻新橋上游控制面積為441 km2，與蘆溪站（331 km2）接近，且流域特征相似等因素，采用水文比擬法推求出的設(shè)計頻率（P=2%和P=5%）洪峰流量成果分別為1 260 m3/s和999 m3/s，比采用危坊站為參證站的設(shè)計頻率設(shè)計成果1 180 m3/s和944 m3/s略大約6.0%，本設(shè)計出于安全考慮，主要工程河段采用蘆溪站為參證站的設(shè)計洪水成果。各控制斷面或河段設(shè)計洪峰流量成果見表4。

表4 各控制斷面或河段設(shè)計洪峰流量成果見表

3.5 施工洪水

鵝湖公園電排站施工期設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇，依據(jù)施工設(shè)計要求，不同階段不同建筑物的施工期分為兩個時段，分別為11～12月和11月～次年2月。其他施工期設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇，施工期為11月～次年2月。

本階段施工洪水參證站為蘆溪站。蘆溪站施工期設(shè)計洪水頻率計算方法和采用的頻率曲線線型同年最大洪水，其設(shè)計值按面積比2/3次方推算到本工程河段。經(jīng)分析計算，蘆溪站施工期（9月～次年2月）P=10%的設(shè)計洪峰流量為221 m3/s，施工期（11月～次年2月）P=20%的設(shè)計洪峰流量為98.9 m3/s。其中，蘆溪站施工期（9月～次年2月）10年一遇設(shè)計洪峰流量成果與山口巖水利樞紐工程初步設(shè)計采用成果一致。

本工程各控制斷面施工期設(shè)計洪水按面積比的2/3次方推算，各控制斷面施工期（9～2月）設(shè)計洪峰流量成果見表5。

表5 各控制斷面施工期設(shè)計洪峰流量成果表

3.6 設(shè)計枯水

設(shè)計枯水位是堤防迎流頂沖段護岸固腳及建筑物新建改造主要基礎(chǔ)資料。設(shè)計枯水位采用12月～次年2月多年平均枯水位。由于淥水為山區(qū)性河流，集水面積不大，枯水期流量很小，參證站蘆溪站12月～次年2月多年平均枯水流量為12.6 m3/s，按面積比一次方推算到萍麻新橋斷面枯水流量為16.8 m3/s。

4 水位流量關(guān)系

（1）谷皮沖水閘水位流量關(guān)系

萍鄉(xiāng)市主城區(qū)(安源區(qū))防洪工程下游控制斷面為谷皮沖水閘。該閘建于1966年，1969年10月完工。工程已投入運行40多年，目前安全隱患嚴(yán)重。2008年12月，由萍鄉(xiāng)市水務(wù)局組織成立的湘東區(qū)谷皮沖水閘工程安全鑒定專家組，對該工程進行了安全鑒定。受萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)水利局委托，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院于2011年7月編制完成了《江西省萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)谷皮沖水閘除險加固工程初步設(shè)計報告》。在谷皮沖水閘除險加固初步設(shè)計報告中，推薦平板鋼閘門水閘布置方案(垂直起閉方式)。水閘采用開敞式水閘布置，共5孔，每孔凈寬14 m，中墩厚2.0 m，邊墩厚1.5 m，閘室總寬度81.0 m。閘室堰體采用有坎寬頂堰，堰頂高程73.50 m。工作閘門采用平板鋼閘門垂直起吊(門頂允許過水方式)，閘門頂高程78.4 m。洪水時閘門全開，泄流能力采用《水力計算手冊》第二版有坎寬頂堰流公式進行計算，水位流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 谷皮沖水閘水位流量關(guān)系曲線圖

（2）起推斷面水位流量關(guān)系

選取雙河口匯入口下斷面為本次設(shè)計洪水水面線的起推端面，根據(jù)實測的大斷面資料，采用水力學(xué)公式計算該端面水位流量關(guān)系。水面比降根據(jù)五河可研和近期萍鄉(xiāng)市相關(guān)工程中實測同時水位和調(diào)查的洪痕綜合分析確定，麻山區(qū)河段水面比降約為0.8‰。糙率根據(jù)斷面所在河段河床質(zhì)和岸壁情況，糙率系數(shù)選取為0.025。通過查水位流量關(guān)系，其50年一遇設(shè)計洪水1 660m3/s對應(yīng)的設(shè)計洪水位為87.77 m，與《2013實施方案》設(shè)計洪水位成果一致。水位流量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 起推斷面水位流量關(guān)系曲線圖

（3）控制斷面水位流量關(guān)系

根據(jù)本工程實際需要，及對工程河段水面線成果進行有效控制，本階段依據(jù)實測斷面資料，采用水力學(xué)公式分析計算了樁號0+900斷面（距離鵝湖公園上游約450m）的水位流量關(guān)系。水面比降約為0.51‰，糙率系數(shù)選取為0.025。水位流量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 控制斷面（樁號0+900）水位流量關(guān)系曲線

5 結(jié)論

為了獲取萍鄉(xiāng)城防工程實施段設(shè)計洪水參數(shù)，充分收集了流域范圍內(nèi)相關(guān)水文參數(shù)，通過與類似工程對比、復(fù)核，獲取不同頻率下設(shè)計洪水參數(shù)，分析設(shè)計洪水位以及施工期水文參數(shù)。設(shè)計洪水計算成果可為工程設(shè)計和施工提供參考。