大沙河老古溝橋-武營橋段河道治理工程設(shè)計洪水分析

賈 鵬

(丹東市振安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000)

1 流域及工程概況

大沙河為鴨綠江一級支流，河道起點位置為五龍山的陶家溝，由西北向東南流經(jīng)五龍背、蛤蟆塘等，終點匯入鴨綠江干流[1]。大沙河徑流面積220.94 km2，河道長度30.32 km，河道平均比降3.17‰。本次河道治理位于振安區(qū)樓房鎮(zhèn)，樓房鎮(zhèn)氣候宜人，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，全年日照總時數(shù)為2300 h～2530 h，鎮(zhèn)內(nèi)山脈隸屬長白山系，與五龍背鎮(zhèn)交界處的五龍山海拔669.4 m，系樓房鎮(zhèn)也是振安區(qū)最高峰。治理范圍是老古溝大橋下游至武營橋上游之間的左岸，武營橋以上大沙河集水面積188 km2，河道長度26.70 km，平均比降4.33‰。大沙河流域水系圖見圖1。

圖1 大沙河流域水系圖

2 水文基本資料

2.1 測站分布及基本資料

根據(jù)水文資料調(diào)查，大沙河流域附近現(xiàn)有2個水文站，分別為湯山城水文站和梨樹溝水文站。湯山城水文站，集水面積199 km2，該站于1967年6月設(shè)立，1993年停測。梨樹溝水文站位于愛河下游，距河口27 km，集水面積5629 km2，該站于1955年6月由水位站改為水文站[2]，觀測至今，水文資料相對較全。

2.2 歷史洪水調(diào)查

1979年為編輯“遼寧省歷史洪水匯編”，遼寧省水電勘測設(shè)計院與遼寧省水文總站共同在愛河流域的梨樹溝站附近進(jìn)行了洪水調(diào)查，調(diào)查到1888年以來的6場大洪水，調(diào)查成果均較可靠。結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載資料分析，愛河干流梨樹溝站1888年洪水是1988年～2010年123年以來最大的一次洪水，1960年是僅次于1888年的第二位洪水，愛河梨樹溝站特大洪水順位和洪峰流量值見表1[3]。

表1 愛河梨樹溝站特大洪水順位和洪峰流量值表

丹東市水文站曾與1980年9月對湯山城河段進(jìn)行了歷史洪水調(diào)查，調(diào)查到1960年大洪水，調(diào)查成果較可靠，未調(diào)查到1888年及1937年洪水。湯山城站已調(diào)查到的特大順位洪水和洪峰流量值見表2。

表2 湯山城站特大洪水順位和洪峰流量值表

2.3 洪水資料的延長與插補(bǔ)

(1)梨樹溝站

梨樹溝站現(xiàn)有1955年～2018年共64 a實測連續(xù)洪峰系列，另有1937年～1945、1950年～1954年年最高水位資料。在以前的工作中，水文工作者對1937年～1945和1950年～1954年年最大洪峰流量資料進(jìn)行過插補(bǔ)，本次設(shè)計依然采用原成果。插補(bǔ)后，梨樹溝站具有1937年～1945年、1950年～2010年共70 a最大洪峰流量系列。

(2)湯山城站

湯山城站現(xiàn)有1967年～1992年共26 a實測連續(xù)洪峰系列，采用回歸方程計算法利用同流域內(nèi)其他各站的資料來延長湯山城站的資料系列。經(jīng)計算，湯山城站與梨樹溝站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.46<0.85，與草河站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.36<0.85，與龍灣站的Qm相關(guān)系數(shù)γ=0.09<0.85，相關(guān)關(guān)系均不好，故歷史洪水僅推算至1960年。

2.4 洪水

2.4.1 暴雨洪水特征

丹東地區(qū)多年平均降雨量1028 mm左右，根據(jù)流域內(nèi)雨量站統(tǒng)計分析，降水量年內(nèi)分配不均，大部分降雨量集中在6月～9月份，降雨量約占全年總降水量的75%以上，暴雨多發(fā)生在7月～8月兩月中，大沙河為山區(qū)性河流，強(qiáng)烈而集中的暴雨形成陡漲陡落的的洪水過程暴雨歷時一般1 d～3 d，且大暴雨有70%的雨量集中于一天。

2.4.2 設(shè)計洪峰計算(圖表法)

工程起點以上集雨面積188.00 km2，采用遼寧省水文資源勘測局1998年8月出版的《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》計算設(shè)計洪水。

由于大沙河流域暴雨和相應(yīng)的變差系數(shù)較其等值線圖查詢數(shù)值偏大，因此采用丹東雨量站降雨資料對其進(jìn)行修正，丹東雨量站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量分別見表3，丹東站最大1 h、6 h、一日、三日及年降雨量不同頻率分析見表4。

表3 丹東站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量表

表4 丹東站最大1小時、6小時、一日、三日及年降雨量不同頻率分析

工程起點以上(武營橋)集水面積188 km2，采用圖表法計算設(shè)計洪水，以P=10%設(shè)計洪峰計算。

①匯流時間計算采用以下計算公式

(1)

式中：L為河道長度，26.70 km；J為平均比降，4.33‰；參數(shù)x、y查《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》附表(3-1)分別為0.96、0.73。

計算得到匯流時間為6.18 h。

②計算1 h、6 h、24 h、三日的設(shè)計面雨量及n1p、n2p值

暴雨和相應(yīng)的變差系數(shù)可由其等值線圖查得：

P三P面=301.7 mm，CV三=0.60KP，KP三=1.77

P24P面=232.7 mm，CV24=0.60，KP24=1.77

P6P面=144.2 mm，CV6=0.58，KP6=1.75

P1P面=56.5 mm，CV1=0.54，KP1=1.71

由以上結(jié)果求得，點面折減系數(shù)KF=0.97，n1p、n2p值計算如下：

③計算τ歷時設(shè)計面雨量及面暴雨強(qiáng)度ip

當(dāng)τ=6.18 h時，PτP面=P24P面×24n2P-1×6n1P-n2P×τ1-n1P=147.59 mm；

④查附表(3-2)，jP=0.85，α三P=0.72，α(三-24)P=0.35。

⑤10 a一遇的洪峰流量：

QP=0.278φP·iP·F=1060.19 m3/s。

⑥計算洪量：W三P=0.1×αP×P三P面×F=4084萬m3；

W(三-24)P=0.1×α(三-24)P×(P三P面-P24P面)×F=454萬m3；

W24P=W三P-W(三-24)P=3630萬m3。

⑦洪水過程線

Q10%=Qp+Q0=1060.19+7.88=1068.07 m3/s。

武營橋上游和上游炮守營支流位置中間計算參數(shù)見表5。

2.4.3 設(shè)計洪峰計算(實測資料頻率分析法)

(1)歷史洪水重現(xiàn)期的確定

湯山城站未調(diào)查到1888年歷史洪水，按1960年洪水為1960年以來最大值，則其洪水考證期為51 a，按1888年以來第二大值，則其洪水重現(xiàn)期為62 a。考慮到1960年洪水較大，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)較1888年洪水大的情況，因此，本次設(shè)計按62 a計算。

表5 計算參數(shù)表

(2)洪水頻率分析

湯山城水文站1967年～1992年共26 a實測洪水資料統(tǒng)計，飲馬河洪水多呈單峰型，漲洪時間較短，從開始起漲到峰頂一般經(jīng)歷2 d左右，但退水時間較長[4]，其水量主要集中于3 d時間內(nèi)。

本次設(shè)計采用《三灣水利樞紐及輸水工程可行性研究》中的成果，對湯山城站洪水進(jìn)行分析和計算。將實測洪水與歷史洪水一起組成一個不連續(xù)的系列，采用統(tǒng)一處理法計算[5]，其中為首的a項特大洪水采用頻率次序統(tǒng)計量的數(shù)學(xué)期望公式如下：

(2)

實測期n內(nèi)的一般洪水，采用下述公式計算：

(3)

矩法樣本估計的洪峰均值，采用下述公式計算：

(4)

根據(jù)以上對洪水重現(xiàn)期的確定，對湯山城站洪峰Qm頻率計算。統(tǒng)計結(jié)果表明，湯山城站洪峰CS參數(shù)取2.5CV較合適，線形按P-Ⅲ型曲線[6]。湯山城站CV參數(shù)根據(jù)適線情況，并考慮區(qū)之間的相互關(guān)系確定，湯山城站頻率曲線圖見圖2，洪峰頻率分析成果及采用成果見表6。

圖2 湯山城站洪峰頻率曲線圖

表6 湯山城站洪峰頻率分析成果表

目前大沙河流域水資源還未有較大規(guī)模的開發(fā)利用，產(chǎn)生各年洪水的流域和河道的產(chǎn)流和匯流條件沒有明顯改變，實測洪水資料具有較好一致性。

在湯山城站上游實測資料系列年份未發(fā)生決口、潰堤、改道等致使流域的洪水形成條件發(fā)生明顯改變的情況。因此，洪水資料系列具有較好的一致性，可不作修正。為提高資料系列的代表性，湯山城站洪峰流量資料加入調(diào)查歷史洪水，并對特大洪水進(jìn)行處理，使湯山城站的實測資料具有較好的可靠性、一致性和代表性。

大沙河洪峰流量采用湯山城站設(shè)計洪峰流量乘以面積比的2/3次方計算。設(shè)計洪峰流量成果見表7。

表7 洪峰頻率計算成果表

3 成果合理性分析及采用

3.1 成果合理性

(1)點繪大沙河鄰近的愛河流域各站設(shè)計峰、量與面積關(guān)系，可以看出設(shè)計洪水成果符合地區(qū)分布規(guī)律，見圖3。

圖3 愛河流域各站設(shè)計峰、量、面積關(guān)系

(2)湯山城站位于丹東市振安區(qū)湯山城鎮(zhèn)飲馬河上，距離較近，集水面積與工程處以上集水面積相差較小。因此工程采用與湯山城站面積比法比較合適。

3.2 成果采用

本堤防工程位于流域上游河段，河道比降大，洪水過程更加集中，偏安全考慮，采用(圖表法)成果是合理的。另外，1998年版《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》是在1964年《遼寧省無資料地區(qū)中小河流設(shè)計洪水計算方法》，1975年出版的《遼寧省水文圖集》《遼寧省水文手冊》，1982年出版的《遼寧省暴雨洪水查算圖表》等的基礎(chǔ)上，總結(jié)遼南地區(qū)的“81.7”洪水，遼渾太河的“85.8”“86.8”洪水，遼西地區(qū)的“94.7”洪水，遼渾太地區(qū)的“95.7”洪水，及鴨綠江的特大暴雨洪水編制出版的。這一成果考慮了面上的平衡，在遼寧省無資料地區(qū)被廣泛采用，均取得了滿意的成果，本設(shè)計采用圖表法計算成果，干流洪峰流量為1070 m3/s。

3.3 設(shè)計洪水過程線

根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》中洪水過程線為強(qiáng)烈而集中的暴雨形成陡漲陡落的單峰過程線，峰現(xiàn)時間為第30 h。不同頻率設(shè)計洪水過程線成果見表8和圖4。

表8 設(shè)計洪水過程線 單位：m3/s

圖4 大沙河設(shè)計洪水過程線

4 結(jié)論與建議

根據(jù)近年來對丹東地區(qū)水利工程水文分析的經(jīng)驗，對中小流域山區(qū)河流，采用遼寧省無資料方法水文分析成果與已建工程實際觀測吻合較好，在觀測資料不充分的情況下，為安全起見，采用無資料計算方法可以滿足工程需要，該成果將為大沙河干流河道治理工程中治導(dǎo)線劃分及堤防設(shè)計提供重要參考依據(jù)。本工程于2017年開工，2018年完建，河道治理后提高了沿河兩岸的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保證了兩岸及下游人民的生命財產(chǎn)安全。