大理河子洲縣城段“7.26” 洪澇災(zāi)害成因及現(xiàn)狀過流能力分析

劉 瑞

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 河道現(xiàn)狀及“7.26”災(zāi)害成因

1.1 河道現(xiàn)狀

大理河是無定河右岸一級支流,黃河右岸二級支流,發(fā)源于陜西省靖邊縣南部天賜灣的白于山東麓,自西向東于綏德縣城東注入無定河,全長170 km,平均比降2.60‰,流域面積3906 km2。由于子洲縣城處于“兩山夾一川”的地理位置,城區(qū)及青銀高速等沿河分布,擠占河道現(xiàn)象嚴(yán)重；城區(qū)河道受兩次改河裁彎取直和城市建設(shè)發(fā)展的影響,河道寬度普遍較窄,主城區(qū)段現(xiàn)狀河寬僅47 m～80 m,河道平均比降2.60‰左右[1]。

1.2 “7.26”洪澇災(zāi)害分析

2017 年7 月25 日～26 日,榆林無定河流域發(fā)生特大暴雨、特大洪水災(zāi)害（以下簡稱“7.26”洪水）,造成子洲縣城被淹,縣城洪澇災(zāi)害嚴(yán)重?！?.26”洪水,子洲縣城淹沒受災(zāi)區(qū)面積約4.0 km2,主要淹沒范圍為縣城下段的東城區(qū),淹沒水深普遍在1.0 m～2.0 m,其中東關(guān)小學(xué)、縣水務(wù)局、人民醫(yī)院等區(qū)域受災(zāi)最為嚴(yán)重,淹沒最大水深約3 m,洪水過后淤泥厚度達(dá)1 m 左右[1]。

根據(jù)災(zāi)后現(xiàn)場調(diào)查和有關(guān)資料分析,子洲縣洪澇災(zāi)害主要來自大理河流域暴雨、洪水。大理河發(fā)生特大洪水,同時(shí)支溝山洪暴發(fā),大理河水位暴漲淹沒城區(qū),洪水倒灌導(dǎo)致城內(nèi)支溝排洪不暢,山洪漫溢；河洪與山洪同時(shí)發(fā)生,加之城區(qū)排水系統(tǒng)淤堵失效,致使子洲城區(qū)嚴(yán)重淹沒和內(nèi)澇。經(jīng)過對“7.26”洪水災(zāi)害成因的初步分析,洪澇災(zāi)害成因主要有：

（1）大理河洪水量級大,縣城洪峰流量約在4000 m3/s～4400 m3/s 之間,超過原縣城設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)；

（2）縣城規(guī)劃區(qū)內(nèi),還有多處河段無堤防工程,且部分已成工程防洪標(biāo)準(zhǔn)只有10 年～20 年,防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低,防洪工程體系存在缺陷；

（3）多處堤防工程留有缺口、高速公路下穿涵洞等形成洪水倒灌通道；

（4）在縣城13.4 km 河段,跨河橋梁多達(dá)23 座,城區(qū)跨河交通橋梁太多,河道內(nèi)橋墩密集,特別是多座低標(biāo)準(zhǔn)漫水橋,嚴(yán)重阻洪。

根據(jù)“7.26”災(zāi)害分析結(jié)果,為摸清河道實(shí)際泄流能力,橋梁實(shí)際阻洪情況,對子洲大理河縣城段進(jìn)行洪水水面線計(jì)算,為盡快編制災(zāi)后治理規(guī)劃,統(tǒng)籌安排各項(xiàng)防洪工程建設(shè),提高縣城整體防洪能力,是很有必要的。

2 現(xiàn)狀過流能力分析

2.1 斷面布置

本次根據(jù)河段水力要素、河道特性及河床組成變化等情況,項(xiàng)目段共實(shí)測38 個斷面,斷面平均間距為392 m,各橋梁處均布設(shè)有斷面,可滿足本次水面線計(jì)算的要求。斷面位置示意圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目段斷面位置示意圖

2.2 河道糙率擬定

根據(jù)大理河子洲縣城段實(shí)測地形圖情況,依據(jù)河段河床組成及床面特性、河道岸壁特性、平面形態(tài)等情況,結(jié)合上游已治理段相關(guān)參數(shù),同時(shí)參照《水工設(shè)計(jì)手冊》的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),本次治理河段糙率取值為0.035。

2.3 起始斷面水位計(jì)算

（1）以項(xiàng)目河段下游順直平整的H27 斷面起始斷面,橫斷面示意圖見圖2,采用曼寧公式計(jì)算該斷面設(shè)計(jì)洪水位,水位流量關(guān)系曲線見圖3,計(jì)算公式如下：

圖2 H27 橫斷面示意圖

圖3 H27 斷面水位流量關(guān)系曲線

式中：Q 為流量,m3/s；A 為過水面積,m2；n 為河床糙率；R為水力半徑,m；I 為水面比降。

在水位流量關(guān)系圖中查取相應(yīng)頻率洪峰流量對應(yīng)的水位即為該斷面設(shè)計(jì)洪水位。

（2）H18 斷面處是漿砌石滾水壩,按寬頂堰計(jì)算該斷面設(shè)計(jì)洪水位,水位流量關(guān)系曲線見圖4。堰流公式如下：

圖4 H18 斷面水位流量關(guān)系曲線

式中：Q 為流量,m3/s；m 為流量系數(shù),取值為0.36；σs為淹沒系數(shù)；取值為1.0；b 為過水?dāng)嗝鎯魧?m；H 為堰頂水頭。

在寬頂堰水位流量關(guān)系圖中內(nèi)插出相應(yīng)頻率洪峰流量對應(yīng)的水位即為該斷面設(shè)計(jì)洪水位。

2.4 水面線推求

（1）計(jì)算方法

本河段根據(jù)天然河道恒定非均勻流,采用能量方程分段計(jì)算水面線。以下游H27 斷面作為起始斷面向上游推算至滾水壩斷面；再以滾水壩為起點(diǎn),按照堰流公式計(jì)算水位后,向上游推算至工程起點(diǎn)。計(jì)算公式為：

式中：Z2為下游斷面水位高程,m；Z1為上游斷面水位高程,m；為動能修正系數(shù)；v 為斷面平均流速,m/s；J 為斷面平均水力坡度；K 為斷面流量模數(shù)；R 為水力半徑；X 為濕周；為局部水頭損失系數(shù)；n 為糙率；A 為斷面面積,m2；Q 為流量,m3/s[2]。

（2）橋梁壅水計(jì)算

項(xiàng)目河段內(nèi)跨河橋梁共有23 座,其中規(guī)模較大的橋梁有15 座,橋梁參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。各橋梁跨度小、河道內(nèi)橋墩密集,已構(gòu)成橋組；加之青銀高速5 座斜跨大理河,使得本次橋梁壅水分析具有橋組、斜橋等綜合性和復(fù)雜性。鑒于災(zāi)后重建的時(shí)間緊迫,難以進(jìn)行專題研究。本規(guī)劃暫未考慮橋組和斜跨橋梁的壅水影響,僅按常規(guī)橋梁壅水進(jìn)行分析。

項(xiàng)目段內(nèi)漫水橋的設(shè)計(jì)洪水位,均按扣除阻水面積后的修正過水?dāng)嗝娲肽芰糠匠讨兄苯忧蠼狻Ｆ溆嘁?guī)模較大的橋梁,根據(jù)《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定和如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：ΔZ 為最大壅高,m；η為系數(shù),根據(jù)河道類型和河灘過水能力而定；υm為建橋后,通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的橋下斷面平均流速,m/s；υo為通過設(shè)計(jì)流量時(shí),橋位斷面天然水流全河床斷面平均流速,m/s。

橋下平均流速Vm計(jì)算：

式中：Vm為橋下斷面河槽的平均流速,m/s；Q 為河道流量；A天然為建橋前河道洪水面積；A阻水為投影阻水面積。

壅長計(jì)算：

式中：L 為壅水長度,m；ΔZ 為最大壅高,m；J 河床比降。

設(shè)計(jì)洪水位加上壅高即為該處橋梁影響后的洪水位,由于各橋梁壅長不等,在壅長范圍內(nèi)按比降計(jì)算到影響斷面,對影響斷面設(shè)計(jì)洪水位疊加壅高即為該處受橋梁影響后的合計(jì)洪水位。壅水計(jì)算成果見表2。按規(guī)范要求,非通航河流的橋下最小凈空為0.5 m,由表2 可以看出,各橋梁凈空為-3.03 m～10.64 m,對凈空不滿足要求的橋梁后期應(yīng)改建或拆除。

表2 項(xiàng)目段橋梁壅水計(jì)算成果表

（3）水面線計(jì)算成果

大理河子洲縣城段30 年一遇水面線成果見表3；水面線成果與實(shí)測洪痕點(diǎn)對比成果見圖5。

圖5 水面線成果與實(shí)測洪痕點(diǎn)對比縱剖面圖

表3 項(xiàng)目段30 年一遇水面線成果表

續(xù)表3

2.5 水面線合理性分析

本次計(jì)算大理河項(xiàng)目段30 年一遇水面線成果與子洲縣城段“7.26”洪水實(shí)測斷面及洪痕數(shù)據(jù)對比,糙率、比降等參數(shù)取值一致,同一控制斷面的計(jì)算水位與實(shí)測洪痕差值范圍為0.15 m～0.29 m,因此本次計(jì)算水面線成果是合理的。

3 結(jié)語

本文淺談了大理河子洲縣城段“7.26” 洪澇災(zāi)害成因及洪水水面線的計(jì)算方法,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析。本次通過水面線計(jì)算,對縣城現(xiàn)狀泄流能力進(jìn)行了分析,對災(zāi)后重建提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。今后應(yīng)吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),對防洪治理工程進(jìn)行系統(tǒng)性、統(tǒng)一性規(guī)劃,嚴(yán)格按照規(guī)劃要求實(shí)施,構(gòu)建完善的防洪生態(tài)體系。