嘉陵江鳳州水文站斷面演變分析

徐國強

(陜西省西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100)

1 測站概況

鳳州水文站設立于1984年1月,位于鳳縣龍口鎮(zhèn)龍口村,地處東經(jīng)106°38′、北緯33°58′,集水面積688 km2。本站為嘉陵江干流第一站(區(qū)域代表站),屬省級重要水文站。測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)。管轄鳳縣、黃牛鋪、河口、唐藏、紅花鋪、小五嶺、南星7處國家基本雨量站。設站目的是收集嘉陵江流域基本水文信息,為下游各級防汛部門及水資源開發(fā)利用提供服務。

本站多年平均年降雨量611 mm,多年平均徑流量1.449億 m3。本站警戒流量300 m3/s、保證流量為1 000 m3/s,建站以來實測最大流量992 m3/s,發(fā)生于 1990年7月6日。調(diào)查最大流量1 640 m3/s,發(fā)生于1981年8月21日。實測最大含沙量65.0 kg/m3,發(fā)生于1990年8月11日。

2 水文氣象

嘉陵江流域鳳縣境內(nèi)屬暖溫帶半濕潤山地氣候,小氣候差異大,垂直變化明顯,光熱條件不足,降雨集中,分布不均,多集中在7、8、9三個月,易形成洪澇災害和地質(zhì)災害。氣候冬季不嚴寒,夏季無酷熱;氣溫日差較大,又因地形和海拔高度的差異,各地氣溫差異較大。秦嶺山地年平均氣溫7.9℃,7月最高為19.4℃,1月最低為-4.7℃,一般海拔每升高100米年平均氣溫下降0.3℃～0.8℃。鳳州到雙石鋪河谷地帶多年平均氣溫11.5℃,極端最高氣溫37.3℃(1966年6月21日,1974年7月9日),極端最低氣溫-16.5℃(1972年12月15日)。平均無霜期188 d。主導風向為東北風,年平均風速1.8 m/s。嘉陵江在鳳縣出境斷面多年平均流量16.9 m3/s,最枯流量1.0 m3/s(1974年),最大洪峰流量4 670 m3/s(1981年)。

3 測驗河段情況

嘉陵江上游屬秦嶺褶皺系和松潘-甘孜褶皺系,巖層褶皺強烈,斷層發(fā)育,巖體破碎,地震強度加大;出露的地層以震旦系和古生界某系的變質(zhì)巖及侵入巖體、碎屑巖、石灰?guī)r為主。鳳州水文站測流斷面河段順直,河床由砂卵石組成,左岸為人工堤防,右岸為自然陡土坎。河床沖於變化主要受洪水漲落等因素的影響。測驗河段內(nèi)共布設三個斷面:流速儀測流斷面兼浮標中斷面與基本水尺斷面,上下浮標斷面兼比降水尺斷面,上下斷面間距100 m。為沙礫石河床單一斷面,左岸上下800 m均有砌石河堤,下游2 000 m有安河匯入,測站控制良好。

4 河道沖淤演變

嘉陵江上游段寶雞境內(nèi)從源頭起,不少地段河谷為“V”字形,坡谷陡峭達40°以上,支溝或溪流出口處多有沖積錐或洪積扇,遇到暴雨,經(jīng)常誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等自然災害,源頭東峪溝發(fā)源于秦嶺山脈之中,由數(shù)以百計的山泉匯集而成。東峪溝河水向西流至黃牛鋪鎮(zhèn)的東河橋后折向西南,與北來的三岔河交匯后在紅花鋪鎮(zhèn)與西北方向流出的紅花溝河水匯合,流經(jīng)草涼驛與東西流出的龍王溝河水匯合,向南流入鳳州境內(nèi)。從圖1根據(jù)水面寬與平均水深之比值(B/H)小于100時為窄深河道,大于100時為寬淺河道,可以看出鳳州水文站斷面屬窄深河道。

圖1 鳳州水文站現(xiàn)狀大斷面圖

4.1 河道歷史演變概況

嘉陵江上游干流屬山區(qū)束放式河型,寬谷狹谷相間,呈串珠狀。曲流發(fā)育,支流長,面積大。干流兩岸發(fā)育有三級階地,一級階地窄而低,呈斷續(xù)分布,二級階地分布較為廣泛,地面平坦寬闊;三級階地呈零星分布,起伏大而破碎。嘉陵江從源頭流出一路由東北向西南貫穿整個鳳縣,途徑鳳縣黃牛鋪鎮(zhèn)、紅花鋪鎮(zhèn)、鳳州鎮(zhèn)和雙石鋪鎮(zhèn),在鳳縣雙石鋪鎮(zhèn)草店村靈官峽兩河口與支流紅巖河交匯后流入甘肅省境內(nèi)。河谷形態(tài)呈寬窄相間的串珠狀,河道平均比降為14‰。峽谷段坡陡峻,河流深切,谷嶺相對高差200～400 m;在草涼驛、龍口鎮(zhèn)、鳳州鎮(zhèn)和雙石鋪等寬谷段,河床較寬,漫灘和階地發(fā)育。

嘉陵江干流屬清水河流,但6-9四個月的洪水中含沙量高。據(jù)鳳州水文站實測資料分析,多年平均含沙量為1.46 kg/m3,多年平均輸沙量97.82萬 t,多年平均輸沙模數(shù)為200～500 t/km2·a。

本次分析選用鳳州水文站建站以來1984年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年實測大斷面資料套繪分析,高程均采用鳳州水文站凍結(jié)基面高程,見表1及圖2。

表1 鳳州水文站斷面深泓點歷史演變情況表 m

圖2 鳳州水文站斷面歷史演變套繪圖

鳳州水文站在建站以來近40中,從多年河道斷面形態(tài)變化情況看,河岸線基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。過水斷面河床底部平坦無明顯的深泓和淺灘特征,河道斷面形態(tài)多年來沒有明顯的劇烈變化。

從橫向上來看測驗斷面主槽橫向遷移和擺動較大,中泓左右擺動較為頻繁,擺動較大在14～75 m之間,2000年以前基本位于河道左岸,2000-2015年逐漸向右岸擺動,2015年以后受漲洪的影響,逐漸向左岸擺動。

從河道縱向上來看河床整體沖淤變化約為1.5 m,中泓最大沖刷深度2.2 m左右,河床的局部沖刷最大沖刷為3.52 m,河床自然沖刷較為劇烈。

4.2 河道近期演變分析

本次分析選用鳳州水文站2010-2022年實測大斷面資料套繪分析,高程均采用鳳州水文站凍結(jié)基面高程,見圖3。

從鳳州水文站近期(2010-2022年)河道斷面形態(tài)變化情況看,河岸線處于穩(wěn)定狀態(tài)。河床底部較為平坦無明顯的深泓和淺灘特征,河道斷面形態(tài)近年來也沒有明顯的劇烈變化。

從橫向上來看測驗斷面主槽橫向遷移和擺動較大,中泓左右擺動較為頻繁,在30～75 m之間,在近10 a間河道中泓受洪水漲落影響從左岸擺動至右岸后又擺動回左岸。

從河道縱向上來看河床整體沖淤變化約為1.5 m,中泓最大沖刷深度2.41 m左右,河床的局部沖刷最大沖刷為3.32 m,河床自然沖刷較為劇烈。

5 水力因子演變分析

將鳳州水文站2022年實測大斷面與1990年實測大斷面圖進行套繪,1990年7月發(fā)生建站以來最大洪水,選取該年的斷面具有一定的代表意義。見圖4。

圖4 鳳州水文站斷面2022年與1990年套繪圖

(1)以鳳州1990年7月6日最高洪水位1 016.09 m作為斷面相關參數(shù)計算水力因子因子,在分析河道變化情況時,主要參數(shù)有過水面積,水面寬度,河道斷面平均河底高程。通過計算得出1 016.09 m以下河道斷面面積為增大趨勢,從大斷面圖可以看出,1990-2022年河道斷面面積增加138 m2,增加了54.1%;河底平均高程下切1.48 m;斷面深泓點下切了2.27 m(見表2)。

表2 同級水位斷面水力因子變化表

(2)以鳳州水文站1990年7月6日實測最大洪峰流量992 m3/s作為相關參數(shù)計算斷面相應水位,過水面積,水面寬度,河道斷面平均河底高程。通過計算得出歷史實測最大洪峰流量992 m3/s時,2022年比1990年相應水位降低了1.51 m,過水面積增大了8%,水面寬度基本一致,平均水深略微有所增大。

通過表3中2022年和1990年相關水力因子演變分析,與鳳州水文站河道演變基本一致,可以看出現(xiàn)狀河道與歷史實測最大洪水(1990年)過水斷面有較大的變化,應該在鳳州水文站報汛曲線的率定中予以參考修正。

表3 同級流量斷面水力因子變化表

6 結(jié)語

(1)鳳州水文站水文測驗河段為砂卵石河床,沖淤變化較大。無論是建站以來還是近10 a來,測驗斷面橫向上主槽遷移和擺動較大,中泓左右擺動較為頻繁;縱向上基本處于一直不斷沖刷深切。

(2)鳳州水文站斷面同水位過水面積、過流能力明顯增大,目前斷面過流能力遠遠大于1990年,應在高水報汛曲線的修訂中予以充分的參照分析,同時為嘉陵江源頭段河道演變提供參考。