凤县安河防洪工程设计洪水计算分析

2016-08-18郑太林

地下水 2016年4期

关键词：凤县水文暴雨

郑太林

(陕西省地下水管理监测局，陕西西安 710003)

凤县安河防洪工程设计洪水计算分析

郑太林

(陕西省地下水管理监测局，陕西西安 710003)

针对陕西省凤县安河两岸居民聚集、土坡垮塌淤积河道影响行洪等问题，为准确掌握防洪工程设计断面水位流量关系，便于采取合理防洪工程建设加固措施提高河道的防洪标准，确保河道行洪安全。在初步设计阶段，根据防洪治理河道的暴雨洪水特性，结合参证站52年逐月降雨资料和洪水数据，对治理河段河道洪水进行水文比拟等方法推算设计洪水。分析结果表明：洪水分析计算成果与历史洪水记录值相一致，计算成果比较合理可靠，为堤防工程优化设计、防汛预警和调度管理提供科学的决策依据。

参证站；水文比拟；设计洪水；防洪治理；水位流量关系

安河属嘉陵江的一级支流，自东向西流经凤县的河口镇面，在凤州镇汇入嘉陵江。凤县安河防洪工程，地跨河口、凤州两镇，分为河口镇、凤州镇两段，治理堤防总长度为7km。沿河两岸居民点密集、工矿企业沿河分布，宝太公里顺河而上，是凤县主要工矿经济带。安河流域位于秦岭南坡，山峦起伏，两岸地势高低不平，河道比降较大，洪水频发，天然岸坎为河漫滩及一级阶地前缘，岸坡由砂壤土及卵砾石组成。由于河床地质条件的复杂多样，现状河堤层次不齐，缺乏统一规划建设，河岸大多为土坡，经常垮塌淤积河道影响行洪，目前河堤均达不到国家规定的10 a一遇洪水设防标准。为防洪工程规划设计、施工建设和运营管理及预警等提供详实的决策依据，通过历史洪水及洪痕调查，水文地质调查，对设计洪水建立模型规进行律性分析，经多种方法分析计算，以获得适合流域条件和工程特性的设计洪水计算成果。

1　概况

安河发源于河口镇夫子岭，在凤州镇汇入嘉陵江。流域面积406.8 km2，干流长度45.1 km，平均比降13.7‰。流域内植被较差，水土流失相对较大。安河支流众多，水系分布较为对称。

安河流域属秦岭山地暖温带气候区，气候温和湿润，雨量充沛，多年平均降雨量615.6 mm。降雨时空分配极不均衡，主要集中在7、8、9三个月，占年降雨量的57.5%。

防洪工程上游河口镇段，控制流域面积225 km2，河道长度16 km，河道平均比降28.4‰；下游凤州镇段，控制流域面积406.8 km2，河道长度45.1 km，河道平均比降13.7‰。

工程治理河段地层区划属秦岭南麓与汉中盆地之间，南秦岭山脉的北部，出露的地层主要为第四系(Q)、中生界(Mz)、古生界(Pz)堆积物。安河位于凤州盆地的东部，河谷较宽，河谷与山顶相对高差200～700 m。受安河地质构造大断裂的影响，两侧支流发育，冲沟较多。在河道谷底坡面，松散堆积物及黄土复盖较为多见，是泥石流的多发区。

2　参证站选取及资料评价

嘉陵江干流上设有凤州站和茨坝站两个水文站，在凤县双石铺镇设有凤县气象站。凤州站1984年1月设立，该站控制流域面积688 km2；茨坝站1958年9月设立，原名东坡水文站(1981年1月1日迁址)，控制流域面积为2 752 km2，均观测降雨、径流、泥沙、洪水资料系列，测站基准断面河床由卵石及泥沙组成，冲淤变化不大。

凤县气象站位于凤县双石铺镇。距离治理河段约15 km，气候条件相似，有1960-2012年气象要素观测资料，多年平均气温11.4℃，极端最高气温37.5℃，极端最低气温-18.3℃。多年平均水面蒸发量1 306.5 mm，干燥指数1.16，多年平均风速1.8 m/s。

3　降雨径流特征

安河流域降雨时空分配极不均衡，具有明显的季节性特征。夏、秋季降水量大，而冬、春季干旱少雨，夏秋季降水频繁雨量大。降水主要集中在6～9月，四个月降水量占年降水量的69.5%，11～3月，五个月降水量占年降水量的5.54%。降水量年际变化大，凤县雨量站年最大年降水量972.4 mm(1981年)，年最小降水量为400.2 mm(2002年)，两者相差2.43倍。

安河河川径流主要由降水补给形成，因此径流量的年际变化与降水量极为相似。由于受季风气候的影响，降水量年际变化大，具有夏季降水量大而集中，冬季降水量小的特点。

根据凤州站统计资料，安河全流域多年平均年径流总量为1.06亿 m3。

4　暴雨分析计算

4.1暴雨洪水特性

安河流域暴雨主要受西伸的西太平洋副热带高压及中高纬度西风槽的影响形成。暴雨天气系统以孟加拉水汽入流为主，多出现在7、8、9月，暴雨特点是笼罩面积大，历时较长，强度大。据气象资料统计，近几年来先后出现暴雨18次，其中大暴雨就有6次，特别是“81.8”暴雨，强度大，时间长，范围广，灾情最为严重。

安河流域的洪水每年最早出现在4～5月份，其峰量较小，大洪水一般均发生于7～9月份，但10月份也有出现洪水的情况，此时洪量一般较小。安河河道比降较大，洪水陡涨陡落，一次暴雨形成一个洪峰，形成陡涨陡落的洪峰，一次洪水过程一般1～3 d，其主峰段约12 h左右。

4.2暴雨计算

图1　茨坝站～凤州站洪峰流量相关图

5　洪水计算

防洪工程上游控制流域面积占总55.31%，沿途支沟汇流面积均小于4 kmm2，仅占下游控制断面面积的1%，因此，支沟洪水不再分别计算，计算各断面洪峰流量以治理起点和治理终点洪峰流量进行内插计算。

凤州水文站位于治理河段下游嘉陵江干流，集水面积与治理河段相差不大，能较好反应治理河段的洪水情况，设计采用凤州水文站进行水文比拟法计算，同时采用推理公式法计算，综合对比分析，合理选用治理河段设计洪水成果。

5.1水文比拟法

凤州站实测洪水资料较茨坝站短，为提高设计洪水计算精度，利用下游茨坝水文站长系列资料来插补、延长凤州站洪水系列。在相关插补延长计算时，考虑1992年形成年最大暴雨量的中心地在凤县以外的下游段，凤州、茨坝两站同一场暴雨洪水流量相差7.4倍，相关极不同步，相关分析时，将这一年舍掉。同时又考虑到1981洪水调查成果翔实可靠，纳入系列，参与相关计算。相关系数r=0.98。相关方程为：Q风=Q3379Q茨+52.386

根据凤县志，公元1009-1989年的980年间，发生特大洪水灾害4次，分别为1009、1808、1933、1981年，嘉陵江凤州水文站历史调查洪水最大为1 640 m3/s(1981年)经过综合分析，重现期确定为150 a一遇。

图2　凤州站年最大洪峰流量频率曲线

由插补延长的凤州站实测资料系列，加特大洪水处理，均值、变差系数Cv值与历时关系分析，随着年份的逐渐增加，Cv值逐渐趋于稳定；差积曲线为双峰型组成洪水系列的丰、枯历时较短，具有很好的代表性。用插补延长后的凤州站洪水资料加特大洪水，按不连续系列处理，并采用P-Ⅲ曲线进行适线，统计计算成果见表2，频率曲线见图2。

表2　凤州站不同频率洪水计算成果表

图3　凤州镇磨湾村断面Qt～t和Qτ～τ关系曲线

采用凤州水文站面积比拟法计算各断面不同频率洪峰流量结果如表3所示。

表3　水文比拟法计算各断面洪水成果表

5.2推理公式法

得到不同频率下的洪水成果，如表4所示。

表4　推理公式法计算洪水成果表

两种方法计算洪水成果见表5所示。

表5　洪水成果汇总表

5.3洪水计算成果选用

由表5可以看出：暴雨推求洪水法计算结果较大，水文比拟法计算结果较小，汇流面积越小二者洪水计算结果越接近，这也符合暴雨推求洪水法实用于小流域洪水计算的特征。

2012年9月在桥位附近进行洪水调查，调查到安河凤州镇宝凤公路桥处1990年7月6日洪峰流量为685 m3/s，为近年来最大洪峰流量，其重现期约为50 a；根据《陕西省洪水调查资料》，1981年8月21日安河马鞍山处发生洪峰流量473 m3/s，按面积比拟推算到凤州镇宝凤公路桥处洪峰流量为553 m3/s，其重现期约为25 a。根据1990年、1981年调查洪水，采用凤州站参数，计算得安河凤州镇宝凤公路桥处10 a一遇洪峰值为328 m3/s。经对比分析，水文比拟法计算结果与洪水调查较为接近。

《宝鸡市实用水文手册》审批于1988年，其暴雨均值、产汇流参数仅统计到八十年代中期，未考虑九十年代及两千年后的枯水年，因此，暴雨推求洪水法计算结果偏大。

安河各防洪断面与凤州站距离较近，气候条件和下垫面情况相同，且凤州站资料系列经延长后具有52 a洪水资料，其系列代表性较好，因此，以凤州站为参证站，采用水文比拟法计算各断面的洪水成果较为合理。