北汝河大陳（襄城）水文站歷年洪水特性分析

一、流域概況

1.北汝河流域概況

北汝河系淮河流域沙河上游的一級支流，干流發(fā)源于豫西伏牛山區(qū)嵩縣外方山跑馬嶺，流經(jīng)河南嵩縣、汝陽、汝州、寶豐、郟縣、襄城、葉縣等縣市，在襄城縣丁營鄉(xiāng)崔莊村岔河口匯入沙河，總流域面積6080km2。

北汝河從源頭至前坪均屬山區(qū)，前坪至汝州段河道流經(jīng)盆地區(qū)域，卵石河床，坡度極陡，斷面平淺寬廣，洪峰流量高，歷時短，流速大，沖刷力強（沖刷盆地，拓寬河槽）。紫羅山以上山區(qū)河道，河寬一般在200～1000m之間，河床質(zhì)為卵石夾砂，河底比降10‰～3.3‰；紫羅山至郟縣河槽驟然變寬，河道最大寬度達2～2.5km，河床質(zhì)為砂及卵石，河底比降2.5‰～1.7‰；郟縣以下入襄縣境內(nèi)為沖積平原，比降變緩為1/2700，河道轉(zhuǎn)化為彎曲型河道，河道最窄處僅100～200m。近期當?shù)厝罕娫趦砂缎藿撕芏嗌a(chǎn)堤，削弱了自然滯洪作用。

2.大陳（襄城）水文站概況

大陳（襄城）水文站屬國家重要水文站，位于東經(jīng)113°34′，北緯33°49′，是淮河流域沙潁河水系北汝河的干流控制站（見圖1）。該站設立于1953年，原名為襄城水文站。1979年1月襄城水文站下遷至大陳閘上，并更名為大陳水文站。流域面積由5440km2變?yōu)?550km2。測驗河段順直，為人工開挖河床，基本水尺斷面，流速儀測流斷面設在閘上游310m處，閘下水尺斷面設在閘下190m處，閘上游約3km處左岸原有一干渠，現(xiàn)已封堵，閘上游約6km處左岸有北分水閘一座，右岸原有南進水閘一座，現(xiàn)已封堵。下游600m處河道彎曲，河床為砂粘土，沖淤變化不大。常年使用流速儀法測流。

3.大陳（襄城）站水文特征要素分析

大陳（襄城）站多年平均降水量為743.2mm，最大年降水量為1264.4mm，發(fā)生在1964年。多年平均徑流量7.36億m3。1955年、1971年調(diào)查到1913年、1932年、1943年三場較可靠的洪水，洪峰流量分別為3100m3/s、3020m3/s、3020m3/s。歷年實測最大洪峰流量為3910m3/s，發(fā)生在1982年8月。

二、洪水特性分析

1.資料斷面一致性分析

1979年1月襄城水文站下遷至大陳閘以后，測流斷面控制流域面積增加了2%，但遷站前后流域平均降水量變化不大，從1953—2018多年平均降水量等值線圖上可以看出，遷站前后流域降水量都在同一個范圍內(nèi)，降水分布比較均勻，且流域下墊面條件比較一致，產(chǎn)匯流條件比較接近。因此，為了使資料系列具有一致性，對資料進行還原，經(jīng)統(tǒng)計，襄城水文站共有27年段系列資料，而大陳水文站有40年的場系列資料。為了減少資料還原的誤差，確保實測資料的高利用率，現(xiàn)將襄城水文站實測洪峰流量資料采用水文比擬法還原至大陳水文站資料。

式中：

QD、QX—大陳站、襄城站的流量，以m3/s 計；

圖1 大陳水文站位置圖

圖2 大陳（襄城）水文站實測洪峰流量頻率曲線圖

FD、FX—大陳站、襄城站的流域面積，以km2計。

2.大陳（襄城）水文站洪峰流量分析

通過對大陳（襄城）水文站1953—2018年共計66年實測最大洪峰流量進行分析，得出不同級別洪峰流量。

大陳（襄城）水文站實測最大洪峰流量大于3500m3/s的共2次，分別發(fā)生在1982年、1983年；洪峰流量在3000～3500m3/s之間的共3次，分別發(fā)生在1956年、1957年、1975年；洪峰流量在2000～3000m3/s之間的共11次；洪峰流量在1000～2000m3/s之間的共10次；洪峰流量500～1000m3/s之間的共9次；洪峰流量小于500m3/s的有40次，占系列總長度的60.1%，其中2016年最大洪峰流量最小，僅為22.6m3/s。

3.洪峰流量頻率分析

經(jīng)驗頻率按計算得出。頻率曲線的統(tǒng)計參數(shù)（均值、變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs），均按矩法公式計算求得，取Cs=2.5Cv。本文采用大陳（襄城）水文站1953—2018年歷年年徑流量作為系列資料進行參數(shù)統(tǒng)計，以計算的統(tǒng)計參數(shù)作為初始值，用皮爾遜-III型曲線進行適線。適線時以理論頻率曲線與經(jīng)驗頻率點拒擬合較好為原則，并要考慮曲線的中下部點據(jù)。

依據(jù)大陳（襄城）水文站1953—2018年實測洪水資料作頻率分析，得大陳（襄城）水文站實測洪峰流量頻率曲線（見圖2）。經(jīng)分析1982年、1983年分別出現(xiàn)最大洪峰流量3910m3/s、3600m3/s，相當于20年一遇的大洪水，1961年、2010年分別出現(xiàn)最大洪峰流量2500m3/s、2540m3/s，相當于10年一遇大洪水。

大陳（襄城）水文站66年實測年最大洪峰流量平均值為1122.8m3/s，大于平均值的年份有23年，占系列總長度的35%，小于平均值的年份有43年，占系列總長度的65%。說明該站發(fā)生洪澇災害的頻率不高。

表1 大陳（襄城）水文站1953—2018年實測洪峰流量適線頻率計算表

表2 大陳（襄城）水文站1953—2018年年徑流量分級表

采用皮爾遜-III型曲線適線計算分析，Cv=1.00，Cs=2.50，計算結(jié)果見表1。

三、歷年年徑流量分析

1.歷年年徑流量統(tǒng)計分析

通過對北汝河大陳（襄城）水文站1953—2018年的年徑流量進行分析：最大年徑流量為28.89億m3，發(fā)生在1964年；其次為22.77億m3，發(fā)生在1983年；年徑流量在15億～20億m3的共4次；年徑流量在10億～15億m3的共12次；年徑流量在5億～10億m3的共20次；年徑流量小于5億m3的共28次。

2.歷年年徑流量豐平枯水平年分析

根據(jù)計算出的大陳（襄城）水文站1953—2018年的年徑流量系列，用皮爾遜-III型曲線進行適線，最終選定參數(shù)：平均值為7.36億m3，變差系數(shù)Cv=0.84，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.1。查頻率曲線得大陳（襄城）P=50%的年徑流量為5.39億m3，P=75%的年徑流量為3.0億m3，P=95%的年徑流量為1.71億m3，見表2。

繪制1953—2018年大陳（襄城）年徑流量分布柱狀圖（見圖3），經(jīng)分析，豐水年占12.1%，偏豐年占25.8%，平水年占21.2%，偏枯年占31.8%，枯水年占9.1%。

北汝河流域雨水情年際變化較大，存在連續(xù)3年的豐水年、連續(xù)4年的枯水年，其中1954—1956年、1982—1984年為連續(xù)的豐水年，2013—2016年為連續(xù)的枯水年。豐水年與枯水年頻繁交替出現(xiàn)。

四、洪水成因分析

圖3 1953—2018年大陳（襄城）年徑流量分布柱狀圖

北汝河屬沙潁河水系，受季風影響，暴雨多集中在汛期，一般發(fā)生在6—9月份，其中7月下旬到8月上中旬為主雨期。其暴雨形成受天氣系統(tǒng)、地理位置和地形等因素影響。本區(qū)產(chǎn)生暴雨的天氣系統(tǒng)主要有低壓槽、冷鋒面、切變線、渦切變和臺風等。西南低渦切變線東移是北汝河流域暴雨的主要天氣成因之一，1982年大暴雨就是這種天氣系統(tǒng)造成的。臺風與臺風倒槽形成的暴雨主要特征是范圍較小，歷時較短但降水強度卻非常大，如1975年8月由于3號臺風深入內(nèi)陸，形成強烈低壓系統(tǒng)進入本流域上游，形成罕見的特大暴雨洪水。此外從大尺度地形特點上看，北汝河處于伏牛山區(qū)，東西走向，西南高，東北低，出口地段形成朝東開口的喇叭狀豁口，山前呈弧形分布丘陵崗地和喇叭口地形容易激發(fā)中小尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生和加強，在地形輻合抬升作用下產(chǎn)生大暴雨。

北汝河流域洪水主要由暴雨形成，其洪水徑流特性與暴雨特性和流域地形特征緊密相關。北汝河紫羅山以上為山丘區(qū)河道，是暴雨多發(fā)地區(qū)，因地面及河道坡降陡，洪水匯流迅速，峰高勢猛。紫羅山至大陳站為淺山、丘陵區(qū)，河道比降變小，洪水流速減緩，陡漲緩落，峰高量大。一次洪水總歷時一般3～5 天。如1982年8月1日，受副熱帶高氣壓長期滯留的影響，伏牛山、太行山前發(fā)生特大洪水，北汝河襄城站實測洪峰流量3910m3/s，也為建國以來北汝河最大洪水。大陳站最大洪峰流量年際變化較大，如2016年實測最大洪峰流量為22.8m3/s，年最大洪峰流量極值比高達171。

五、結(jié)語

大陳（襄城）水文站系國家重要水文站，是淮河流域沙潁河水系北汝河的干流控制站。通過對該站歷年洪水特性進行分析，掌握該站的洪水特性，對下游馬灣水文站的防汛以及對許昌市水資源合理開發(fā)利用起著十分重要的作用■