北沙河上游跑水還原及支流戈西河、馬峰河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

尹麗麗

(建平縣水資源辦公室，遼寧 建平 122400)

1 概 述

太子河發(fā)源于遼寧省新賓縣，太子河遼陽(yáng)以上為上游山區(qū)、半山區(qū)河道，河槽多為“U”字形，河床質(zhì)多為粒徑較粗的卵礫石，區(qū)間左岸有細(xì)河、蘭河和湯河三條較大支流匯入。太子河自遼陽(yáng)以下進(jìn)入沖積平原區(qū)，其左側(cè)為千山山前沖積扇，右側(cè)支流北沙河在小林子水文站上游匯入太子河。

太子河河道蜿蜒曲折。據(jù)1985年1/1萬(wàn)河道地形圖統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有大彎道21處，形成遇彎必有險(xiǎn)工的局面，目前太子河干流平均平灘流量為1540m3/s，平灘水深4.95m，主槽寬236m，寬深比1.47-6.88，屬蜿蜒型河道。太子河以主槽泄流為主，灘地流量及流速較小。根據(jù)河道斷面套繪，近年來(lái)除下游略有淤積外，沖淤變化很小。

北沙河河道全長(zhǎng)117 km，流域面積為1618.27km2，北沙河自陳相屯以上，絕大部分為山地，由陳相屯至沙河堡進(jìn)入丘陵區(qū)，自沙河堡以下，特別是過(guò)了長(zhǎng)大鐵路橋以后則進(jìn)入平原區(qū)。戈西河和馬峰河是北沙河的支流。

錦州-鄭州成品油管道工程遼寧段(撫順-錦州)共穿越大中小型河流29條河流共33處，小型穿越工程12處。29條河流中省管河流12條13處穿越，市管河流中沈陽(yáng)市9條11處穿越，盤錦市河流4條5處穿越，遼陽(yáng)市河流4條4處穿越。其中有戈西河和馬峰河。

戈西河流經(jīng)遼陽(yáng)燈塔市，在西鋒鎮(zhèn)后戈村匯入北沙河。流域面積128 km2，河長(zhǎng)31.95 km，主槽寬度6-8m，河流比降1.2‰。共有堤防20.97 km，范圍從古城街道石橋村高速路至北沙河口。

馬峰河河流總長(zhǎng)30.6km。管道穿越位置位于四方臺(tái)，兩岸均有堤防。馬峰河管道穿越位置位于四方臺(tái)，河流兩岸都是堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)是20a一遇。

2 水文資料情況

流域內(nèi)有大東山堡、陳相屯、大堡等水文(水位)站3處，其中大東山堡站資料較長(zhǎng)。另有下海浪、歪頭山、林盛堡、前河洪堡等雨量站11處，從1955年至今共有40多年雨量資料。大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上，集水面積1120.38km2。該站設(shè)立于1954年，現(xiàn)有1954年—2002年共48a觀測(cè)資料。陳相屯水文站位于北沙河上游的干流上，集水面積460.32km2，設(shè)立于1952年8月，1963年改為水位站，1992年該站撤消。大堡水文站位于北沙河支流十里河上，集水面積198.74km2，設(shè)立于1975年，1988年該站撤消。北沙河流域主要水文站資料年限見(jiàn)表1。

表1 北沙河主要站資料年限表

3 洪水分析

3.1 上游跑水還原

大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上，現(xiàn)有1954-2002年共48年觀測(cè)資料，水位資料年限較長(zhǎng)。但是由于北沙河自長(zhǎng)大鐵路橋進(jìn)入平原區(qū)，大水時(shí)上游兩岸易跑水。在1989年編制《太子河堤防整治》報(bào)告工作中，遼寧省相關(guān)部門檢查流域特征及水文試驗(yàn)、編制和調(diào)查數(shù)據(jù)，作為水文計(jì)算的基礎(chǔ)。并對(duì)大東山堡站個(gè)別大水年份上游跑水進(jìn)行了還原。本次在《太子河堤防整治》工作的基礎(chǔ)上，對(duì)重要資料又進(jìn)行了復(fù)核，對(duì)1981年和1995年上游跑水進(jìn)行了還原。

本次采用降水-徑流關(guān)系、上下游水量平衡等多種方法進(jìn)行了1981年和1995年上游跑水進(jìn)行了還原計(jì)算。大東山堡站各跑水年洪水特性見(jiàn)表2。

表2 大東山堡站各跑水年洪水特性表

大東山堡站1962年4-12月該站為水位站，流量資料缺測(cè)。經(jīng)分析大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰流量間相關(guān)關(guān)系較好(見(jiàn)圖1)，1962年大東山堡站最高洪水位發(fā)生在7月11日，為99.68m，按次相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)洪峰流量為307m3/s，各時(shí)段洪量按峰量關(guān)系插補(bǔ)。大東山堡站峰量關(guān)系較好，見(jiàn)圖2。

圖1 大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰關(guān)系圖

圖2 大東山堡站峰量關(guān)系圖

大東山堡站個(gè)別大水年份跑水，經(jīng)資料審查進(jìn)行了還原計(jì)算，其他年份資料滿足規(guī)范要求。經(jīng)插補(bǔ)、還原后，大東山堡站有1955-2002年48年流量資料，滿足洪水計(jì)算規(guī)范要求。

陳相屯站現(xiàn)有1953-1962年共10年同步水位水位、流量觀測(cè)資料。本次對(duì)陳相屯站基本水尺斷面進(jìn)行了套繪，從河道斷面可以看出，沖淤變化不大，水位與流速的關(guān)系基本穩(wěn)定。根據(jù)1953-1962年的實(shí)測(cè)資料，繪制了陳相屯站水位與流量的關(guān)系曲線，分析了各年的H-A關(guān)系和H-V關(guān)系，采用史蒂文斯法對(duì)水流流量關(guān)系曲線高水部分進(jìn)行了外延。據(jù)此插補(bǔ)出陳相屯站1963-1992年的最高洪水位對(duì)應(yīng)的洪峰流量序列。

焊接試驗(yàn)：試件按規(guī)定組對(duì)后，用CO2氣體保護(hù)焊焊接拘束焊縫，焊接時(shí)嚴(yán)格控制了試件的角變形。拘束焊縫焊接24h后，完成試驗(yàn)焊縫的焊接。對(duì)板厚32 mm的鋼板不預(yù)熱，對(duì)板厚50mm的鋼板預(yù)熱80℃，分別采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

從陳相屯站1953-1992年的洪峰序列與大東山堡站洪峰系列相關(guān)分析看出，兩站間相關(guān)關(guān)系較好(見(jiàn)圖3)，其換算系數(shù)與《太子河堤防整治初設(shè)》中分析成果基本一致，這也說(shuō)明本次采用水流流量關(guān)系法插補(bǔ)的陳相屯洪峰序列成果是合理的。

圖3 陳相屯-大東山堡站洪峰流量相關(guān)分析

3.2 歷史洪水

3.2.1 歷史洪水概況

北沙河流域首次洪水調(diào)查是在1958年，當(dāng)時(shí)遼寧省水文總站編輯《洪水調(diào)查資料匯編》，附屬的大部分流量站，都做了洪水調(diào)查。1964年6月遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)歷史洪水調(diào)查進(jìn)行了復(fù)查，補(bǔ)充了1960年大水。通過(guò)調(diào)查，北沙河流域大洪水主要有1870年、1888年、1929年和1960年大洪水，陳相屯站1870、1929、1960年洪水洪峰流量分別為3160m3/s、1400m3/s、1400m3/s，大堡站1929、1888、1960年洪水洪峰流量分別為1060m3/s、959立m3/s、859m3/s。

1995年7月渾、太流域發(fā)生了特大洪水，遼寧省水文局在大水過(guò)后即進(jìn)行了洪水調(diào)查。洪水過(guò)后，遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院也到實(shí)地進(jìn)行了洪水調(diào)查，并對(duì)1995年洪水做了重點(diǎn)分析。通過(guò)對(duì)兩次洪水調(diào)查資料的分析，確定1995年陳相屯站洪峰值為3600m3/s，大堡站洪峰值為1280m3/s，大東山堡站洪峰值為4000-5000m3/s。

3.2.2 歷史洪水重現(xiàn)期分析

北沙河流域洪水從量值上看，1995年最大，1870年次之。各站歷史洪水順位情況見(jiàn)表3。

表3 北沙河大洪水順位表

北沙河流域特大洪水的重現(xiàn)期可以從以下幾個(gè)方面加以分析：

1) 北沙河是太子河支流，太子河文獻(xiàn)資料和洪水調(diào)查比較翔實(shí)，基本查清了自1810年以來(lái)的大洪水，自1810年以來(lái)，北沙河沒(méi)有記載其他有超過(guò)1870年洪水和1995年洪水的年份，故而，可以認(rèn)為1995年洪水是自1810年以來(lái)最大的，其重現(xiàn)期接近200a。

2)北沙河位于太子河北側(cè)，西北側(cè)毗臨渾河，北沙河的特大暴雨洪水與渾河具有地區(qū)上的一致性。自1746年后文獻(xiàn)記載完整無(wú)缺。通過(guò)文獻(xiàn)考證，認(rèn)為1746年、1810年、1870年洪水均≤1888年洪水。與清《東華續(xù)錄光緒朝卷九十》記載1888年洪水“詢之耆老，僉云此洪水實(shí)為百數(shù)年來(lái)所未有”，所述一致。故1995年、1888年洪水至少應(yīng)是1746年以來(lái)的第一、二位洪水，因此確定1995年、1888年洪水分別為250a一遇的第一、二位洪水。該成果已通過(guò)水規(guī)總院的審查。北沙河洪水重現(xiàn)期應(yīng)與渾河基本一致，并考慮自己的實(shí)際情況，為安全計(jì)，1995年洪水重現(xiàn)期選定為200a一遇[2-4]。

由以上幾個(gè)方面分析，1995年洪水洪峰的重現(xiàn)期確定為200a一遇，其他幾場(chǎng)洪水洪峰的重現(xiàn)期分別為200a一遇的第2、3、4位。

大東山堡站峰量關(guān)系較好，1995年洪水各時(shí)段洪量重現(xiàn)期與洪峰重現(xiàn)期相同，也為200a一遇。陳相屯和大堡站1995年洪水較常年比1d洪量更為集中，但因缺乏考證資料，為安全計(jì)，其洪量重現(xiàn)期也確定為200a一遇[2-4]。

3.3 戈西河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

戈西河是排水河道，區(qū)間排水的洪峰流量，按排水模數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，具體公式如下：

當(dāng)p≤5%時(shí)：

Qp=Kp×0.66×F0.824

(1)

式中：F為面積，km2；Kp為頻率系數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

當(dāng)p>5%時(shí)：

Qp=qp×F

(2)

式中：F為面積，km2；qp為排水模數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

在《北沙河流域防洪規(guī)劃》中，對(duì)戈西河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了計(jì)算，本次又補(bǔ)充了p=1%頻率下的設(shè)計(jì)洪水，最后成果見(jiàn)表4。

3.4 馬峰河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

馬峰河是排水河道，區(qū)間排水的洪峰流量，按排水模數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，具體公式如下：

當(dāng)p≤5%時(shí)：

Qp=Kp×0.66×F0.824

(3)

式中：F為面積，km2；Kp為頻率系數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

當(dāng)p>5%時(shí)：

Qp=qp×F

(4)

式中：F為面積，km2；qp為排水模數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

在《北沙河流域防洪規(guī)劃》中，對(duì)馬峰河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了計(jì)算，本次又補(bǔ)充了p=1%頻率下的設(shè)計(jì)洪水，最后成果見(jiàn)表5。

表5 輸氣管線穿越馬峰河斷面最大組合洪峰流量表

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)水文成果分析及水面線計(jì)算，經(jīng)水文分析和水力計(jì)算，管道工程穿越柳壕河處P=5%設(shè)計(jì)流量為58.5m3/s，對(duì)應(yīng)水位為21.7m；管道工程穿越新開(kāi)河處P=5%設(shè)計(jì)流量為331.70m3/s，P=10%設(shè)計(jì)流量為331.70m3/s，對(duì)應(yīng)水位分別為40.3m和38.8m；管道工程穿越戈西河處P=5%設(shè)計(jì)流量為46m3/s，對(duì)應(yīng)水位為22.14m；管道工程穿越馬峰河處P=5%設(shè)計(jì)流量為60m3/s，對(duì)應(yīng)水位為21.29m[5-8]。

4.2 建議

1)管道采用大開(kāi)挖方式穿越堤防，破壞了堤防與河道底部的原有防滲層，在洪水期容易形成滲漏通道并進(jìn)而產(chǎn)生管涌，威脅堤防的安全。全部開(kāi)挖斷面都采用防滲黏土并按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中壓實(shí)度要求回填，同時(shí)為了保護(hù)黏土不被洪水沖刷，黏土表面還需要防沖結(jié)構(gòu)。針對(duì)管線穿越堤防與河道的具體情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，建議對(duì)管線穿越堤防的局部區(qū)域采取防滲措施。在堤防段回填完成后，對(duì)堤防的臨水面修建護(hù)砌與防沖護(hù)腳，要求防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不低于原堤防的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2)對(duì)于現(xiàn)狀無(wú)堤，河道范圍無(wú)明確界限的河流，建議以河槽兩岸高坎外50m為本次管道穿河范圍。

3)河道內(nèi)管道埋深應(yīng)統(tǒng)一按河道最深點(diǎn)高程減去相應(yīng)河道規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水流量下沖刷深度設(shè)計(jì)以保證管道的安全運(yùn)行。考慮到管道的重要性，最好按20a沖刷深設(shè)計(jì)[9-10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

管道采用大開(kāi)挖法穿越堤防，會(huì)破壞原有的防滲土層，在洪水期容易形成滲漏通道并進(jìn)而產(chǎn)生管涌，威脅堤防的安全。目前戈西河、馬峰河兩岸有堤防，新開(kāi)河左岸有堤防，管道施工會(huì)給堤防帶來(lái)不利影響。