北沙河上游跑水還原及支流戈西河、馬峰河設計洪水計算

尹麗麗

(建平縣水資源辦公室，遼寧 建平 122400)

1 概 述

太子河發源于遼寧省新賓縣，太子河遼陽以上為上游山區、半山區河道，河槽多為“U”字形，河床質多為粒徑較粗的卵礫石，區間左岸有細河、蘭河和湯河三條較大支流匯入。太子河自遼陽以下進入沖積平原區，其左側為千山山前沖積扇，右側支流北沙河在小林子水文站上游匯入太子河。

太子河河道蜿蜒曲折。據1985年1/1萬河道地形圖統計，現有大彎道21處，形成遇彎必有險工的局面，目前太子河干流平均平灘流量為1540m3/s，平灘水深4.95m，主槽寬236m，寬深比1.47-6.88，屬蜿蜒型河道。太子河以主槽泄流為主，灘地流量及流速較小。根據河道斷面套繪，近年來除下游略有淤積外，沖淤變化很小。

北沙河河道全長117 km，流域面積為1618.27km2，北沙河自陳相屯以上，絕大部分為山地，由陳相屯至沙河堡進入丘陵區，自沙河堡以下，特別是過了長大鐵路橋以后則進入平原區。戈西河和馬峰河是北沙河的支流。

錦州-鄭州成品油管道工程遼寧段(撫順-錦州)共穿越大中小型河流29條河流共33處，小型穿越工程12處。29條河流中省管河流12條13處穿越，市管河流中沈陽市9條11處穿越，盤錦市河流4條5處穿越，遼陽市河流4條4處穿越。其中有戈西河和馬峰河。

戈西河流經遼陽燈塔市，在西鋒鎮后戈村匯入北沙河。流域面積128 km2，河長31.95 km，主槽寬度6-8m，河流比降1.2‰。共有堤防20.97 km，范圍從古城街道石橋村高速路至北沙河口。

馬峰河河流總長30.6km。管道穿越位置位于四方臺，兩岸均有堤防。馬峰河管道穿越位置位于四方臺，河流兩岸都是堤防，防洪標準是20a一遇。

2 水文資料情況

流域內有大東山堡、陳相屯、大堡等水文(水位)站3處，其中大東山堡站資料較長。另有下海浪、歪頭山、林盛堡、前河洪堡等雨量站11處，從1955年至今共有40多年雨量資料。大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上，集水面積1120.38km2。該站設立于1954年，現有1954年—2002年共48a觀測資料。陳相屯水文站位于北沙河上游的干流上，集水面積460.32km2，設立于1952年8月，1963年改為水位站，1992年該站撤消。大堡水文站位于北沙河支流十里河上，集水面積198.74km2，設立于1975年，1988年該站撤消。北沙河流域主要水文站資料年限見表1。

表1 北沙河主要站資料年限表

3 洪水分析

3.1 上游跑水還原

大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上，現有1954-2002年共48年觀測資料，水位資料年限較長。但是由于北沙河自長大鐵路橋進入平原區，大水時上游兩岸易跑水。在1989年編制《太子河堤防整治》報告工作中，遼寧省相關部門檢查流域特征及水文試驗、編制和調查數據，作為水文計算的基礎。并對大東山堡站個別大水年份上游跑水進行了還原。本次在《太子河堤防整治》工作的基礎上，對重要資料又進行了復核，對1981年和1995年上游跑水進行了還原。

本次采用降水-徑流關系、上下游水量平衡等多種方法進行了1981年和1995年上游跑水進行了還原計算。大東山堡站各跑水年洪水特性見表2。

表2 大東山堡站各跑水年洪水特性表

大東山堡站1962年4-12月該站為水位站，流量資料缺測。經分析大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰流量間相關關系較好(見圖1)，1962年大東山堡站最高洪水位發生在7月11日，為99.68m，按次相關關系插補洪峰流量為307m3/s，各時段洪量按峰量關系插補。大東山堡站峰量關系較好，見圖2。

圖1 大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰關系圖

圖2 大東山堡站峰量關系圖

大東山堡站個別大水年份跑水，經資料審查進行了還原計算，其他年份資料滿足規范要求。經插補、還原后，大東山堡站有1955-2002年48年流量資料，滿足洪水計算規范要求。

陳相屯站現有1953-1962年共10年同步水位水位、流量觀測資料。本次對陳相屯站基本水尺斷面進行了套繪，從河道斷面可以看出，沖淤變化不大，水位與流速的關系基本穩定。根據1953-1962年的實測資料，繪制了陳相屯站水位與流量的關系曲線，分析了各年的H-A關系和H-V關系，采用史蒂文斯法對水流流量關系曲線高水部分進行了外延。據此插補出陳相屯站1963-1992年的最高洪水位對應的洪峰流量序列。

焊接試驗：試件按規定組對后，用CO2氣體保護焊焊接拘束焊縫，焊接時嚴格控制了試件的角變形。拘束焊縫焊接24h后，完成試驗焊縫的焊接。對板厚32 mm的鋼板不預熱，對板厚50mm的鋼板預熱80℃，分別采用焊條電弧焊和氣體保護焊進行焊接試驗。

從陳相屯站1953-1992年的洪峰序列與大東山堡站洪峰系列相關分析看出，兩站間相關關系較好(見圖3)，其換算系數與《太子河堤防整治初設》中分析成果基本一致，這也說明本次采用水流流量關系法插補的陳相屯洪峰序列成果是合理的。

圖3 陳相屯-大東山堡站洪峰流量相關分析

3.2 歷史洪水

3.2.1 歷史洪水概況

北沙河流域首次洪水調查是在1958年，當時遼寧省水文總站編輯《洪水調查資料匯編》，附屬的大部分流量站，都做了洪水調查。1964年6月遼寧省水利水電勘測設計院對歷史洪水調查進行了復查，補充了1960年大水。通過調查，北沙河流域大洪水主要有1870年、1888年、1929年和1960年大洪水，陳相屯站1870、1929、1960年洪水洪峰流量分別為3160m3/s、1400m3/s、1400m3/s，大堡站1929、1888、1960年洪水洪峰流量分別為1060m3/s、959立m3/s、859m3/s。

1995年7月渾、太流域發生了特大洪水，遼寧省水文局在大水過后即進行了洪水調查。洪水過后，遼寧省水利水電勘測設計院也到實地進行了洪水調查，并對1995年洪水做了重點分析。通過對兩次洪水調查資料的分析，確定1995年陳相屯站洪峰值為3600m3/s，大堡站洪峰值為1280m3/s，大東山堡站洪峰值為4000-5000m3/s。

3.2.2 歷史洪水重現期分析

北沙河流域洪水從量值上看，1995年最大，1870年次之。各站歷史洪水順位情況見表3。

表3 北沙河大洪水順位表

北沙河流域特大洪水的重現期可以從以下幾個方面加以分析：

1) 北沙河是太子河支流，太子河文獻資料和洪水調查比較翔實，基本查清了自1810年以來的大洪水，自1810年以來，北沙河沒有記載其他有超過1870年洪水和1995年洪水的年份，故而，可以認為1995年洪水是自1810年以來最大的，其重現期接近200a。

2)北沙河位于太子河北側，西北側毗臨渾河，北沙河的特大暴雨洪水與渾河具有地區上的一致性。自1746年后文獻記載完整無缺。通過文獻考證，認為1746年、1810年、1870年洪水均≤1888年洪水。與清《東華續錄光緒朝卷九十》記載1888年洪水“詢之耆老，僉云此洪水實為百數年來所未有”，所述一致。故1995年、1888年洪水至少應是1746年以來的第一、二位洪水，因此確定1995年、1888年洪水分別為250a一遇的第一、二位洪水。該成果已通過水規總院的審查。北沙河洪水重現期應與渾河基本一致，并考慮自己的實際情況，為安全計，1995年洪水重現期選定為200a一遇[2-4]。

由以上幾個方面分析，1995年洪水洪峰的重現期確定為200a一遇，其他幾場洪水洪峰的重現期分別為200a一遇的第2、3、4位。

大東山堡站峰量關系較好，1995年洪水各時段洪量重現期與洪峰重現期相同，也為200a一遇。陳相屯和大堡站1995年洪水較常年比1d洪量更為集中，但因缺乏考證資料，為安全計，其洪量重現期也確定為200a一遇[2-4]。

3.3 戈西河設計洪水計算

戈西河是排水河道，區間排水的洪峰流量，按排水模數和經驗公式計算，具體公式如下：

當p≤5%時：

Qp=Kp×0.66×F0.824

(1)

式中：F為面積，km2；Kp為頻率系數；Qp為設計流量，m3/s。

當p>5%時：

Qp=qp×F

(2)

式中：F為面積，km2；qp為排水模數；Qp為設計流量，m3/s。

在《北沙河流域防洪規劃》中，對戈西河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設計洪水進行了計算，本次又補充了p=1%頻率下的設計洪水，最后成果見表4。

3.4 馬峰河設計洪水計算

馬峰河是排水河道，區間排水的洪峰流量，按排水模數和經驗公式計算，具體公式如下：

當p≤5%時：

Qp=Kp×0.66×F0.824

(3)

式中：F為面積，km2；Kp為頻率系數；Qp為設計流量，m3/s。

當p>5%時：

Qp=qp×F

(4)

式中：F為面積，km2；qp為排水模數；Qp為設計流量，m3/s。

在《北沙河流域防洪規劃》中，對馬峰河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設計洪水進行了計算，本次又補充了p=1%頻率下的設計洪水，最后成果見表5。

表5 輸氣管線穿越馬峰河斷面最大組合洪峰流量表

4 結論及建議

4.1 結論

根據水文成果分析及水面線計算，經水文分析和水力計算，管道工程穿越柳壕河處P=5%設計流量為58.5m3/s，對應水位為21.7m；管道工程穿越新開河處P=5%設計流量為331.70m3/s，P=10%設計流量為331.70m3/s，對應水位分別為40.3m和38.8m；管道工程穿越戈西河處P=5%設計流量為46m3/s，對應水位為22.14m；管道工程穿越馬峰河處P=5%設計流量為60m3/s，對應水位為21.29m[5-8]。

4.2 建議

1)管道采用大開挖方式穿越堤防，破壞了堤防與河道底部的原有防滲層，在洪水期容易形成滲漏通道并進而產生管涌，威脅堤防的安全。全部開挖斷面都采用防滲黏土并按《堤防工程設計規范》中壓實度要求回填，同時為了保護黏土不被洪水沖刷，黏土表面還需要防沖結構。針對管線穿越堤防與河道的具體情況，并根據現場的地質條件，建議對管線穿越堤防的局部區域采取防滲措施。在堤防段回填完成后，對堤防的臨水面修建護砌與防沖護腳，要求防護標準不低于原堤防的防護標準。

2)對于現狀無堤，河道范圍無明確界限的河流，建議以河槽兩岸高坎外50m為本次管道穿河范圍。

3)河道內管道埋深應統一按河道最深點高程減去相應河道規劃防洪標準對應的設計洪水流量下沖刷深度設計以保證管道的安全運行。考慮到管道的重要性，最好按20a沖刷深設計[9-10]。

5 結 語

管道采用大開挖法穿越堤防，會破壞原有的防滲土層，在洪水期容易形成滲漏通道并進而產生管涌，威脅堤防的安全。目前戈西河、馬峰河兩岸有堤防，新開河左岸有堤防，管道施工會給堤防帶來不利影響。