清原縣城干支流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

邵 薇

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

1 概 述

清原縣位于遼寧撫順市，清原縣段治理范圍為11.34km，即為小山城攔河壩至下游紅河河口段。治理河段位于渾河干流北口前以上的清原縣城，渾河在清原縣的面積為534 km2，河長38 km，英額河位于清原縣境內(nèi)，其支流上建有中型水庫小孤家水庫，小孤家水庫為121 km2，清源縣下游與紅河匯入渾河干流，渾河干流及英額河、紅河流域特性見表1。

表1 渾河干流及英額河、紅河流域特性表

2 水文基本資料

2.1 水文測站情況

渾河水文氣象觀測較早，1905年沈陽站開始觀測降水，1922年又設(shè)撫順站，1949年以后沈陽、撫順恢復(fù)流量觀測，以后陸續(xù)恢復(fù)并增設(shè)了一些水文站和水位站。到20世紀(jì)80年代，已有20個(gè)水文站和21個(gè)水站，目前渾河大伙房水庫以上有3處水文站，分別為渾河干流的北口前、蘇子河上的占貝、社河上的南章黨，另外還有目前已經(jīng)撤銷的紅河上的四道河子站(1993年以后撤銷)、海陽河上的南口前水文站(1990年以后撤銷)。本次河道整治工程主要用到北口前和四道河子水文站的水文資料。

北口前是渾河上游干流上的控制站，1953年6月設(shè)立，集水面積2100 km2，1959年和1960年下遷，集水面積2378 km2，1961年遷移到蒼石基面，集水面積2196 km2，1975年1月上遷至原斷面上游226m為北口前(二)，基面為大連，集水面積為1832 km2。基本水尺斷面上游584m有北口前小河匯入，190m處1971年10月修有公路橋一座。基本水尺斷面下游866m有南口前河(海陽河)匯入。

四道河子水文站是紅河唯一的控制站，1938年11月設(shè)為水位站。1957年11月將基本水尺斷面上移390m，并改為水文站。1963年6月1日斷面下遷1700m，1971年10月1日斷面又從下游上遷2200m，觀測水位、流量、泥沙。1993年1月以后該站撤銷。

2.2 北口前、四道河子站水文資料情況

北口前、四道河子站1955年以后由遼寧省水文總站逐年整編刊印。整編方法均按有關(guān)規(guī)范、規(guī)定執(zhí)行。北口前、四道河子站資料基本情況詳見2。

表2 北口前、四道河子站流量資料情況表

北口前、四道河子站洪水資料在《渾河設(shè)計(jì)洪水復(fù)核》、《大伙房水庫除險(xiǎn)加固》、《“816”渾河設(shè)計(jì)洪水復(fù)核》等階段進(jìn)行了多次審查。測站控制良好，沖淤變化較小，,水位與流量的關(guān)系曲線多年來一直比較穩(wěn)定，基本呈帶狀，各站實(shí)測數(shù)據(jù)均已編制出版，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，對(duì)于較大水年份如1960、1995、2013等年份洪水資料，均經(jīng)內(nèi)外業(yè)反復(fù)調(diào)查分析審定。

渾河歷史洪水調(diào)查，從解放初期開始進(jìn)行過多次，各次洪水調(diào)查成果均已經(jīng)編入《遼寧省歷史洪水資料匯編》。2013年大洪水，水文局在災(zāi)后馬上進(jìn)行了洪水調(diào)查整編，并編輯整理《2013年渾河“8.16”暴雨洪水調(diào)查及資料整編成果》。

2.3 設(shè)計(jì)洪水

2.3.1 渾河暴雨洪水特性

按照頻率的順序，渾河地區(qū)的暴雨天氣體系為華北氣旋、低壓冷鋒、臺(tái)風(fēng)和高槽，1888年和1923年為臺(tái)風(fēng)過渡型，1960年、1935年和1929年為高空槽，1995年7月，太平洋副熱帶高壓北移，北緣約E32°，為北方地區(qū)帶來適宜的溫暖濕潤空氣，此時(shí)，伴冷槽的西風(fēng)東移，冷平流輸送的冷空氣連續(xù)自西向東移動(dòng)，與南副高形成靜態(tài)切變，在遼寧東部保持穩(wěn)定，形成強(qiáng)降雨，2013年8月15日20:00，蒙古氣旋形成并向東移動(dòng)，東北低壓冷鋒尾部的東南方出現(xiàn)對(duì)流性強(qiáng)降水，隨后蒙古氣旋緩慢東移北上，16日08時(shí)中心位于遼寧以西，遼寧北部位于低壓暖鋒上，東部位于暖區(qū)內(nèi)，北部和東部出現(xiàn)混合性強(qiáng)降水[1-3]。由于東北低壓冷鋒過境，遼寧北部和東北部的偏冷，這種冷墊作用，使得暖空氣抬升更強(qiáng)，增強(qiáng)了降水，使渾河上游特大暴雨出現(xiàn)[4-5]。

渾河主要洪水類型有單峰、雙峰和多峰，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單峰洪水約占57%，雙峰或多峰洪水約占43%。 單峰洪水歷時(shí)6d左右，雙峰洪水歷時(shí)12d左右，干流各站一般一次洪水7d左右，其中1d洪量平均占33%左右，3d洪量占70%左右，大洪水年份更為集中，北口前、四道河子一次洪水一般均持續(xù)3d左右[6-8]。

2.3.2 北口前、四道河子站設(shè)計(jì)洪水

北口前、四道河子站設(shè)計(jì)洪水采用2013年11月我院完成的《“816”渾河設(shè)計(jì)洪水復(fù)核》成果，該成果已通過有關(guān)部門審查。主要分析成果如下：

2.3.2.1 北口前、四道河子歷史洪水及其重現(xiàn)期

經(jīng)分析，北口前和四道河子站歷史洪水順位見表3。

表3 北口前、四道河站歷史洪水順位表

在《渾河設(shè)計(jì)洪水復(fù)核》中，考慮1746年以來文獻(xiàn)資料較為完整，無大洪水年份遺漏，可靠程度較高，因此，可以確定北口前站最大24h洪量2013年排第一位，1995年排第二位。北口前3日洪量1995年排第一位，2013年排第二位，1995年重現(xiàn)期按1888年以來的第一位，即125a的第一位排列，2013年3d洪量排在125a的第二位。

四道河子站2013年最大24h洪量重現(xiàn)期均按250a的第一位考慮，1995年按250a的第二位考慮；四道河子三日洪量1995年按1888年來第一位，125a考慮，2013年洪量按125a第二位考慮。

2.3.2.2 北口前、四道河子洪水系列

北口前站從1953年開始有觀測流量資料，其洪峰、洪量采用本站觀測資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其中1959-1974年采用其下游蒼石站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，然后用面積比的2/3次冪計(jì)算洪峰，用面積比的1次冪計(jì)算洪量，北口前站洪水資料系列為1953-2013年。

四道河子站：1951、1995與2013年為洪水調(diào)查值。1958-1992年有實(shí)測資料。1952年洪峰、洪量用與占貝相關(guān)插補(bǔ)， 1953-1957年、1993-2012年洪峰系列采用四道河子與北口前站洪峰相關(guān)插補(bǔ)。四道河子最大24h洪量與最大三日洪量用四道河子本站的洪峰與各日洪量相關(guān)圖插補(bǔ)。經(jīng)插補(bǔ)延長后的四道河子站系列為1951-2013年。

2.3.2.3 北口前洪水頻率計(jì)算

根據(jù)選定的歷史洪水重現(xiàn)期北口前和四道河子站進(jìn)行排位，在歷史洪水中加入實(shí)測序列，根據(jù)不連續(xù)序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算，采用繪制線讀點(diǎn)補(bǔ)矩發(fā)的方法，進(jìn)行了洪峰、24h最大洪量和3天最大洪量的頻率計(jì)算，采用皮爾遜ⅲ型曲線擬合直線較好。其洪水成果見表4。

表4 北口前、四道河子水文站設(shè)計(jì)洪水成果表 洪峰- m3/s；洪量-106m3

2.3.2.4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

從渾河各站和區(qū)間的設(shè)計(jì)洪峰值來看，渾河本地區(qū)的QP-F，WP-F的關(guān)系較好，符合上、下游隨面積變化的規(guī)律。從各站點(diǎn)繪的設(shè)計(jì)峰、量關(guān)系圖看，設(shè)計(jì)峰、量關(guān)系線基本成一條直線，而且設(shè)計(jì)洪峰與面積的關(guān)系線的斜率是2/3，3日洪量基本是斜率為1的關(guān)系，符合本地區(qū)的洪峰、洪量與面積的關(guān)系。說明設(shè)計(jì)成果無較大偏差，比較合理。

2.4 清原縣城干支流設(shè)計(jì)洪水

清原縣城處集水面積為543.3 km2，該處設(shè)計(jì)洪峰分別按北口前站和四道河子站設(shè)計(jì)洪峰面積比2/3次方進(jìn)行推求，經(jīng)比較，用北口前站面積比成果略大于四道河子站面積比成果，因此清原縣城處設(shè)計(jì)洪峰采用北口前站面積比成果。

24小時(shí)和3日設(shè)計(jì)洪量按北口前站設(shè)計(jì)洪量面積比一次方推求。設(shè)計(jì)洪水成果見表5。

表5 清原縣城段設(shè)計(jì)洪水成果表 洪峰- m3/s；洪量-106m3

渾河上游的小山城子河、古城子河、放牛溝河采用遼寧省去資料地區(qū)暴雨洪水計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，支流計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 支流設(shè)計(jì)洪水成果表 洪峰- m3/s

2.5 清原縣城河段干支流遭遇流量

大伙房以上渾河干支流屬于同一雨區(qū)，干支流洪水按同頻遭遇。根據(jù)流域特性資料，可求得干支流匯流時(shí)間。干支流相應(yīng)流量按干支流洪峰出現(xiàn)時(shí)間的關(guān)系由洪水過程線上查得。相應(yīng)流量取兩個(gè)典型的大者。各段干支流遭遇流量成果見表7。

2.6 涵管設(shè)計(jì)排澇流量計(jì)算

涵管位于清原縣城東南方向，其設(shè)計(jì)排澇地區(qū)面積約為0.46km2，排澇流量采用1小時(shí)降雨產(chǎn)生的洪水總量1小時(shí)排完。根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》，查遼寧省1h暴雨均值等值線圖和1h暴雨變差系數(shù)Cv等值線圖。1h降雨均值為25mm，Cv=0.55，Cs/Cv=3.5。其5a一遇設(shè)計(jì)排澇流量為2.8m3/s[9-10]。

2.7 施工期洪水

根據(jù)施工要求及渾河洪水特性，本段河道治理施工期分為兩期，3月1日-5月31日為汛前，9月11日-12月31日為汛后。統(tǒng)計(jì)北口前站1954-2013年汛前及汛后的洪峰系列，按連續(xù)系列以皮爾遜Ⅲ型曲線配線，得到北口前站汛期及汛后的設(shè)計(jì)洪峰。清原縣城處汛前及汛后設(shè)計(jì)洪峰按北口前站設(shè)計(jì)洪峰面積比2/3次方推求，成果見表8。

表7 清原縣城段干支流遭遇流量成果表 m3/s

表8 清原縣城施工期洪水成果表

3 結(jié) 語

經(jīng)洪水計(jì)算后，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了綜合治理，防洪標(biāo)準(zhǔn)得以提高，一旦發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)，可確保區(qū)域內(nèi)人口安全，同時(shí)對(duì)全縣的生產(chǎn)生活得到有效保障。