白云溪小流域 “16·07尼伯特”台风暴雨洪水调查分析

2018-09-18吕小帅陈美丹刘光保

水力发电 2018年6期

吕小帅，陈美丹，刘光保

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

1 流域概况

永泰县位于福建东部，福州西南部，东接闽侯、福清；西临德化、尤溪；南接莆田、仙游；北与闽清相连。介于北纬25°39＇～26°05＇，东经118°23＇～119°12＇之间。发源于白云乡樟洋村桃岭的白云溪是清凉溪左岸一级支流，和渔溪在清凉镇汇集，经永泰县城所在地城峰镇注入大樟溪。本次白云溪调查断面位置以上流域面积60.5 km2，河长18.2 km，河床平均坡降2.49 %。

白云溪流域属中亚热带，春秋长，夏冬短，气候温热湿润。流域多年平均降水量1 650 mm。影响流域洪水的主要天气系统是锋面雨和台风雨。其中6月～9月台风带来的大暴雨，是造成本流域洪水的主要原因。根据气象统计分析，1956年～2005年间永泰县受台风影响概率为92%，平均每年约3个台风，5月～11月均有台风影响，以7月～9月最多，占82.4%[1]。

2 暴雨洪水成因

2016年第1号台风“尼伯特” 7月3日08时在美国关岛以南的西北太平洋洋面上生成，7月5日加强为超强台风；8日05时50分在台湾省台东沿海登陆；9日13时45分在石狮登陆(10级，25m/s，强热带风暴级)，后继续向西北方向移动；10日03时在宁化县境内减弱为热带低压。其北侧雨带在福建制造了大范围特大暴雨，福州闽清梅溪、永泰清凉溪上游出现大到特大暴雨。

该次热带气旋在永泰县东北区滞留约4 h，其中清凉溪流域降雨过程主要集中在9日07～11时。清凉溪流域的85%区域均在暴雨中心，且短历时暴雨呈现从上游向下游递减的趋势。

为研究本次暴雨的降水过程，调查研究工作人员收集了清凉溪白云溪流域雨量站降水过程(见图1)。由降水过程可看出，白云流域本次降水开始时间在7月9日2时左右， 13时左右结束。其中1、3、6 h降水均以北山为最大，分别为100.0、244.5、287.0 mm。

图1 白云、北山、岭下站7月8日～9日降水过程

3 无资料小流域洪水调查分析

清凉溪上除河口处设有太平口水文站，其支流渔溪、白云溪上均无实测水文资料。为确定白云溪调查断面位置 “16·07”洪水的洪峰流量，依据有关规范，只能通过现场查勘、访问、洪痕调查、实际断面测量的方式推求洪峰流量。洪峰流量推算的河段示意见图2。

图2 洪峰流量推算的河段示意

3.1 洪痕调查

经实地查勘，在“16·07”洪水中，调查断面上游岭下拦水拱坝，坝顶大部分溢流表孔被冲毁(图略)，坝址断面洪痕高程197.28 m；上游樟梅水电站厂房被淹没至二楼窗户中间，据电厂厂长讲述，“厂房全部进水，洪水携带的泥沙石块在厂房中堆的很高，洪水来的快、大，把他的汽车也冲走了”。目前厂房的洪痕也还十分明显(图略)；调查断面下游白云溪干流岭下桥，为7孔拱桥，本次洪水造成3号桥墩被冲走，洪痕高程194.95 m。据桥边农民岳昌开讲述，“这么多年我家第一次被淹到，主要很多漂浮物把桥孔部分堵塞导致水涨的特别高，河道洪水涨至坎下30 cm的样子”；根据58岁的电厂厂长、65岁的岳昌开、80岁的老农讲述，他们几十年来都没有见过这么大的洪水。

3.2 堰流公式法

计算断面上游有岭下拦水拱坝，坝顶高程194.5 m，弧长为55.2 m，厚2.8 m，为自由溢流式坝。受“尼伯特”洪水影响，坝顶被冲出长约40 m，高1 m的口子。根据2016年8月的洪水调查，坝址位置的洪痕高程为197.28 m。

考虑未冲刷部分(堰顶长15.5 m)按照实用堰泄流能力计算，冲刷部分(堰顶长39.7 m)按照薄壁堰泄流能力计算，依据溢洪道、拱坝泄洪的相关规范[2- 3]，岭下拦水坝的泄流能力计算如

(1)

式中，Q为过堰流量；B为溢流堰宽度；g为重力加速度；H为作用水头；m1为流量系数；ε为侧向收缩系数，取1； σm为淹没系数，取1。计算岭下坝断面的泄流能力曲线如图3，依据洪痕高程197.28 m推算洪峰流量为680 m3/s。

图3 岭下拦水坝泄流能力曲线

3.3 水力学曼宁公式法

采用水力学曼宁公式计算调查断面位置的洪峰流量，计算公式为

(2)

式中，A为过流断面面积；I为河道比降；R为水力半径；n为糙率。调查断面“16·07”洪痕为183.87 m，根据实测断面计算对应洪痕下的过水面积为173 m2，进而推算出该断面的洪峰流量为749 m3/s。

3.4 比降—面积法

根据实际调查情况，调查断面所在河段洪痕明显，断面比较规整；因此，确定采用比降—面积法恒定非均匀流流量公式计算洪峰流量。即

(3)

(4)

式中，n为河道糙率；Am为比降中断面水道断面面积，m2；Ru、Rm、RL为比降上、中、下断面的水力半径，m。计算成果见表1。

表1 调查断面位置洪水流量计算

由上述公式计算得出洪峰流量Qs=637 m3/s。

3.5 实测暴雨推理公式法

调查断面位置的流域集水面积为60.5 km2，根据《福建省暴雨径流查算图表》[4]，对小于200 km2的流域，推荐采用推理公式推算洪水。根据集水区域以上流域内各雨量站的实测雨量资料，流域时段降水过程采用泰森多边形方法求得，雨量站点采用流域内及附近的白云、北山、岭下3个站。稳渗参考《福建省暴雨径流查算图表》的净雨强度与稳定入渗相关表，取用4.5 mm/h。

推理公式洪峰流量计算公式

(5)

式中，Qm为洪峰流量，m3/s；h为造峰雨，mm；F为流域面积，km2；τ为汇流时间，h。

流域汇流时间

(6)

式中，L为河长，km；J为河道平均坡降；m2为汇流系数。

通过图解法求解得调查断面位置的洪峰流量为705 m3/s。

3.6 水量平衡法

调查断面位置所在白云溪干流下游河段及北山支流上各有一座桥，在本次台风洪水下，都有不同程度的桥梁雍水。本次通过桥梁雍水公式反推干、支流的洪水流量，并与推理公式法比较后确定干、支流洪水，然后按水量平衡法计算调查断面流量。

白云溪干流下游河段有跨河7孔浆砌石实腹式拱桥(即岭下桥)，桥面高程166.35 m，桥底板高程165.55 m。受本次台风洪水影响，其中3号桥墩被洪水冲走，第2、3桥跨拱桥脱落，其他桥墩部分冲刷。调查桥址处洪痕高程165.60 m。

北山支流上有跨河单孔石拱桥(即青兰桥)，桥面高程约195.59 m，桥底板高程194.10 m。本次洪水并未对其造成影响，调查桥址处洪痕高程为194.95 m。

通过实测岭下桥、青兰桥断面，采用桥涵水位壅高公式试算相应洪峰流量，与推理公式法成果进行比较，从水量平衡角度分析推算调查断面位置洪水成果如表2。

表2 各河段流量成果及水量平衡分析 m3/s

从表2可见，青兰桥断面两种方法推算成果比较接近，相差10%左右，岭下桥断面两方法成果差异较大。从清凉溪河口太平站 “16·07”实测最大流量1 560 m3/s来看，岭下桥断面梁雍水公式法成果偏大。因此，水量平衡法推算的调查断面位置成果采用678 m3/s。

3.7 洪峰流量确定及重现期

上述5种方法的调查断面位置受“尼伯特”台风影响的洪峰流量成果汇总如表3所示。

由表3可知，调查断面流量介于637～749 m3/s间，可初步判断为700 m3/s左右。

白云溪汇入清凉溪后，清凉溪干流上设有太平口水文站，设立于1958年，控制集雨面积244 km2。本次太平口站实测到洪峰水位55.58 m，洪峰流量1 560 m3/s，是有实测资料记录以来的第一大。福建省水文总站等单位对大樟溪流域主要测站河段曾进行过多次较为详细的历史洪水调查，根据洪水调查资料[5]，太平口站1877年、1909年、1934年3场历史洪水，以1877年洪水(2 100 m3/s)最大，1909年洪水(1 570 m3/s)略大于1934年(1 460 m3/s)，与本次洪峰1 560 m3/s十分接近。

表3 各方法洪峰流量对比 m3/s

采用太平口站1958年～2016年历年最大洪峰系列，1877年历史洪水重现期按1877年以来的第1位考证，为重现期为140 a，1909年、2016年并列第2.5位，重现期56 a，1934年洪水重现期35 a。采用P-III型曲线进行频率适线分析，计算太平口站年最大设计洪水成果。太平口站50年一遇设计洪峰1 530 m3/s，100年一遇设计洪峰1 780 m3/s。

太平口站2016年洪峰流量1 560m3/s，洪水重现期接近50年一遇。调查断面河段，从洪水调查被访问者的年龄来看，年龄介于55岁～80岁之间，均表述未见过这么大的水。因此可确定调查断面位置“16·07”洪水的重现期在50～100 a之间，但更接近于50 a。