羅紋河暴雨洪水特性及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

郭 華

(渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，陜西 渭南 714000)

1 流域概況

羅紋河為渭河右岸一級(jí)支流，發(fā)源于秦嶺北麓，由小夫峪和譚峪兩條河流匯合而成，地處陜西省華縣西部，源頭高程2 000 m左右，山區(qū)河段坡陡、流程短，出峪后降至500 m左右，然后穿越山前洪積扇區(qū)，高程再度降低到340 m左右，此后以平緩比降匯入渭河。上游河段比降較大，發(fā)生洪水時(shí)，常挾帶大量礫、卵石推移質(zhì)，多堆積于羅紋河山前洪積扇一帶，下游河段受渭河倒灌淤塞，尾閭河段均形成地上“懸河”。羅紋河沿途流經(jīng)少華、畢家等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在畢家鄉(xiāng)東吳村西北匯入渭河，河道全長33.8 km，入渭口斷面以上流域面積91.7 km2。全流域河床平均比降47.0‰，總落差1 589 m。

2 暴雨洪水特性分析

羅紋河洪水多由局地暴雨和大范圍強(qiáng)降水形成，大范圍強(qiáng)降水特點(diǎn)是降水歷時(shí)長、分布均勻、籠罩面積大。局地暴雨特點(diǎn)是降水歷時(shí)短，強(qiáng)度大，籠罩面積小。其中，后者是南山支流大洪水的主要來源。一般情況一次暴雨歷時(shí)約24 h左右，主雨峰約3～6 h，一次降水量為100～200 mm。每年暴雨最早發(fā)生于4月，最遲發(fā)生于10月，強(qiáng)度大的暴雨多發(fā)生在7-9月份。由于羅紋河河陡流短，匯流較快雨停峰現(xiàn)的情況較為普遍。

渭河下游南山支流洪水每年最早出現(xiàn)在4-5月份，其峰量較小，大洪水一般均發(fā)生于7-9月份，但10月份也有出現(xiàn)洪水的情況，此時(shí)峰量一般較小，洪水總量較大。據(jù)羅夫堡水文站洪水資料顯示，該站洪水過程大多為孤立峰，一次洪水過程約2-3 d，主峰持續(xù)時(shí)間約12 h左右。渭河下游發(fā)生大洪水時(shí)常倒灌南山支流，引起支流出口段發(fā)生淤積。

3 流域參證站及水文資料選用

羅紋河流域無水文測站，而在羅紋河流域東14 km的羅夫河上設(shè)有羅夫堡水文站。該站位于華陰市敷水鎮(zhèn)羅夫堡村，站址以上控制流域面積122 km2，流域周邊高程400～2 100 m，兩條河流同屬南山支流，位于同一暴雨區(qū)內(nèi)，下墊面條件極為相似，羅夫堡水文站可作為羅紋河洪水分析的參證站。

羅夫堡站現(xiàn)有1955-2005年共計(jì)51年完整的實(shí)測洪峰資料及1901年的歷史調(diào)查洪水。

經(jīng)過原鐵道部設(shè)計(jì)總局第二設(shè)計(jì)院1956年洪水調(diào)查和1972年省水文總站對(duì)羅夫河歷史洪水進(jìn)行復(fù)查，最終確認(rèn)發(fā)生于1901年的洪水量級(jí)為490 m3/s，另外1911年和1922年兩場洪水洪痕指認(rèn)不清，難于具體測算，但可知羅紋河1911年洪水量級(jí)大于1922年而小于1901年洪水，最終確定1901年洪峰流量為三次歷史洪水中最大量級(jí)，最終調(diào)查歷史洪水成果較可靠，可在工程設(shè)計(jì)中直接參考使用。

4 渭河干流設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算分析

由于支流洪水受入渭口渭河洪水影響很大，研究支流洪水必須先分析渭河洪水，而渭河洪水又受其水沙條件影響，在這方面黃委會(huì)進(jìn)行過多次分析研究。其中，1989年黃委會(huì)設(shè)計(jì)院在編制《陜西省三門峽庫區(qū)渭洛河治理規(guī)劃》(洪水分析部分)過程中，提出兩套長短系列的分析計(jì)算成果(長系列資料到1985年，短系列資料到1969年)，該成果已通過了水利部規(guī)劃總院的審查。

1999年5月黃委會(huì)設(shè)計(jì)院在延長系列和考證歷史洪水的基礎(chǔ)上，又對(duì)渭河主要站的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，其結(jié)果與1989年比較偏小，考慮到七十年代后渭河無大洪水出現(xiàn)，故設(shè)計(jì)渭河下游華縣站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果采用黃委會(huì)設(shè)計(jì)院1989年成果，見表1。

表1 渭河下游華縣站設(shè)計(jì)洪峰成果表

5 羅紋河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

對(duì)于羅夫河羅夫堡站的洪水，以往有關(guān)單位曾進(jìn)行過多次分析研究。1989年黃委設(shè)計(jì)院曾編制了《陜西省三門峽庫區(qū)渭洛河治理規(guī)劃》，對(duì)羅夫河羅夫堡站的洪水作過分析計(jì)算，本次推薦成果簡稱“1989年成果”，此次計(jì)算結(jié)果通過了水利部規(guī)劃總院的審查。1999年5月黃委會(huì)設(shè)計(jì)院和陜西省三門峽庫區(qū)勘測設(shè)計(jì)院共同編制了《陜西省三門峽庫區(qū)渭洛河下游治理防洪續(xù)建工程初步設(shè)計(jì)》，其“水文泥沙分析專題報(bào)告”中羅夫河羅夫堡站的洪水亦作過分析計(jì)算。2005年5月，陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院在編制《三門峽庫區(qū)陜西返遷移民防洪保安近期工程建設(shè)可行性研究報(bào)告》過程中，對(duì)羅夫河羅夫堡站的設(shè)計(jì)洪水推薦采用“1989年成果”。本次在進(jìn)行羅夫河羅夫堡站洪水分析時(shí)，將羅夫堡實(shí)測洪峰系列延長至2005年，并加入調(diào)查歷史洪水重新進(jìn)行頻率計(jì)算，并與歷次洪水計(jì)算成果分析比較，合理確定羅夫河羅夫堡站的設(shè)計(jì)洪水。

依據(jù)羅夫堡1955-2005年洪峰流量資料系列，按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006)，以年最大值選擇，并加入調(diào)查歷史洪水，按不連續(xù)系列進(jìn)行頻率分析。洪水經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計(jì)算，均值及變差系統(tǒng)Cv采用矩法計(jì)算，理論頻率偏態(tài)系數(shù)Cs按經(jīng)驗(yàn)取Cv的倍數(shù)通過適線確定。實(shí)測連序系列的經(jīng)驗(yàn)頻率和調(diào)查歷史洪水經(jīng)驗(yàn)頻率按下式計(jì)算按式(1)和式(2)計(jì)算；

(1)

(2)

式中：Pm、PM分別為連續(xù)系列經(jīng)驗(yàn)頻率和調(diào)查歷史洪水經(jīng)驗(yàn)頻率；m、M分別為連序系列大洪水及調(diào)查歷史洪水按大小遞減排列的序號(hào)；n、N分別代表連序系列年數(shù)及不連續(xù)系列年數(shù)。

均值和變差系數(shù)Cv的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中：Qm、Qmj分別代表特大值和連續(xù)系列變量；a、n分別代表特大值個(gè)數(shù)和實(shí)測系列個(gè)數(shù)；τ為從n項(xiàng)連續(xù)系列中抽出的特大洪水個(gè)數(shù)。

根據(jù)矩法計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，適線的原則為：盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)的中心位置，側(cè)重于考慮上部和中部的大水?dāng)?shù)據(jù)。歷史洪水重現(xiàn)期有變動(dòng)范圍時(shí)，定線時(shí)應(yīng)作適當(dāng)考慮。經(jīng)適線，求得羅夫堡站設(shè)計(jì)洪水成果，見表1。1999年黃委設(shè)計(jì)院在編制《陜西省三門峽庫區(qū)渭、洛河治理規(guī)劃》(洪水分析部分)過程中，也對(duì)該站的實(shí)測資料也進(jìn)行過分析，其成果和《可研報(bào)告》成果并列見表2。

表2 羅夫堡站洪峰流量歷次設(shè)計(jì)成果比較表

從表2可看出，三次計(jì)算成果比較接近，相差較小，本次和可研與1999年相比，資料系列有所延長，即包含了七十年代的豐水時(shí)段和八十年代后的枯水時(shí)段，同時(shí)延長了歷史洪水考證期，對(duì)重現(xiàn)期作了修訂，計(jì)算成果與1999年和可研成果相比稍小，考慮到規(guī)劃成果已經(jīng)陜西省水利廳、黃委會(huì)及國家計(jì)委審批，建議采用黃委會(huì)設(shè)計(jì)院1999年成果。

表3 羅紋河設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

羅紋河流域設(shè)計(jì)流量計(jì)算采用面積比擬公式推求，計(jì)算公式為：

(5)

式中：Qp設(shè)、Qp羅分別為羅紋河流域和羅夫堡站的頻率為P的設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；F設(shè)、F羅為羅紋河全流域和羅夫堡站的流域面積(km2)；n為面積比擬指數(shù)，采用0.67。

依據(jù)式(5)，求得羅紋河的設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表3。依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)并結(jié)合《可研報(bào)告》，最終可選用羅紋河堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為相應(yīng)河段20 a一遇(P=5%)洪水，相應(yīng)洪峰流量按206 m3/s計(jì)算。

6 結(jié)語

國家和陜西省十分重視渭洛河下游治理工作，始終把保障防洪安全作為渭洛河下游治理的首要任務(wù)。羅紋河作為三門峽庫區(qū)渭河南岸的一級(jí)支流，2003年及2005年渭河兩次大洪水，使當(dāng)?shù)匾泼裨馐芰藝?yán)重的洪澇災(zāi)害，財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。通過對(duì)流域歷史洪水進(jìn)行調(diào)查，對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，可以對(duì)羅紋河綜合治理工作提供科學(xué)的理論支撐。