北汝河大陈（襄城）水文站历年洪水特性分析

2020-09-22

治淮 2020年8期

一、流域概况

1.北汝河流域概况

北汝河系淮河流域沙河上游的一级支流，干流发源于豫西伏牛山区嵩县外方山跑马岭，流经河南嵩县、汝阳、汝州、宝丰、郏县、襄城、叶县等县市，在襄城县丁营乡崔庄村岔河口汇入沙河，总流域面积6080km2。

北汝河从源头至前坪均属山区，前坪至汝州段河道流经盆地区域，卵石河床，坡度极陡，断面平浅宽广，洪峰流量高，历时短，流速大，冲刷力强（冲刷盆地，拓宽河槽）。紫罗山以上山区河道，河宽一般在200～1000m之间，河床质为卵石夹砂，河底比降10‰～3.3‰；紫罗山至郏县河槽骤然变宽，河道最大宽度达2～2.5km，河床质为砂及卵石，河底比降2.5‰～1.7‰；郏县以下入襄县境内为冲积平原，比降变缓为1/2700，河道转化为弯曲型河道，河道最窄处仅100～200m。近期当地群众在两岸修建了很多生产堤，削弱了自然滞洪作用。

2.大陈（襄城）水文站概况

大陈（襄城）水文站属国家重要水文站，位于东经113°34′，北纬33°49′，是淮河流域沙颍河水系北汝河的干流控制站（见图1）。该站设立于1953年，原名为襄城水文站。1979年1月襄城水文站下迁至大陈闸上，并更名为大陈水文站。流域面积由5440km2变为5550km2。测验河段顺直，为人工开挖河床，基本水尺断面，流速仪测流断面设在闸上游310m处，闸下水尺断面设在闸下190m处，闸上游约3km处左岸原有一干渠，现已封堵，闸上游约6km处左岸有北分水闸一座，右岸原有南进水闸一座，现已封堵。下游600m处河道弯曲，河床为砂粘土，冲淤变化不大。常年使用流速仪法测流。

3.大陈（襄城）站水文特征要素分析

大陈（襄城）站多年平均降水量为743.2mm，最大年降水量为1264.4mm，发生在1964年。多年平均径流量7.36亿m3。1955年、1971年调查到1913年、1932年、1943年三场较可靠的洪水，洪峰流量分别为3100m3/s、3020m3/s、3020m3/s。历年实测最大洪峰流量为3910m3/s，发生在1982年8月。

二、洪水特性分析

1.资料断面一致性分析

1979年1月襄城水文站下迁至大陈闸以后，测流断面控制流域面积增加了2%，但迁站前后流域平均降水量变化不大，从1953—2018多年平均降水量等值线图上可以看出，迁站前后流域降水量都在同一个范围内，降水分布比较均匀，且流域下垫面条件比较一致，产汇流条件比较接近。因此，为了使资料系列具有一致性，对资料进行还原，经统计，襄城水文站共有27年段系列资料，而大陈水文站有40年的场系列资料。为了减少资料还原的误差，确保实测资料的高利用率，现将襄城水文站实测洪峰流量资料采用水文比拟法还原至大陈水文站资料。

式中：

QD、QX—大陈站、襄城站的流量，以m3/s 计；

图1 大陈水文站位置图

图2 大陈（襄城）水文站实测洪峰流量频率曲线图

FD、FX—大陈站、襄城站的流域面积，以km2计。

2.大陈（襄城）水文站洪峰流量分析

通过对大陈（襄城）水文站1953—2018年共计66年实测最大洪峰流量进行分析，得出不同级别洪峰流量。

大陈（襄城）水文站实测最大洪峰流量大于3500m3/s的共2次，分别发生在1982年、1983年；洪峰流量在3000～3500m3/s之间的共3次，分别发生在1956年、1957年、1975年；洪峰流量在2000～3000m3/s之间的共11次；洪峰流量在1000～2000m3/s之间的共10次；洪峰流量500～1000m3/s之间的共9次；洪峰流量小于500m3/s的有40次，占系列总长度的60.1%，其中2016年最大洪峰流量最小，仅为22.6m3/s。

3.洪峰流量频率分析

经验频率按计算得出。频率曲线的统计参数（均值、变差系数Cv、偏态系数Cs），均按矩法公式计算求得，取Cs=2.5Cv。本文采用大陈（襄城）水文站1953—2018年历年年径流量作为系列资料进行参数统计，以计算的统计参数作为初始值，用皮尔逊-III型曲线进行适线。适线时以理论频率曲线与经验频率点拒拟合较好为原则，并要考虑曲线的中下部点据。

依据大陈（襄城）水文站1953—2018年实测洪水资料作频率分析，得大陈（襄城）水文站实测洪峰流量频率曲线（见图2）。经分析1982年、1983年分别出现最大洪峰流量3910m3/s、3600m3/s，相当于20年一遇的大洪水，1961年、2010年分别出现最大洪峰流量2500m3/s、2540m3/s，相当于10年一遇大洪水。

大陈（襄城）水文站66年实测年最大洪峰流量平均值为1122.8m3/s，大于平均值的年份有23年，占系列总长度的35%，小于平均值的年份有43年，占系列总长度的65%。说明该站发生洪涝灾害的频率不高。

表1 大陈（襄城）水文站1953—2018年实测洪峰流量适线频率计算表

表2 大陈（襄城）水文站1953—2018年年径流量分级表

采用皮尔逊-III型曲线适线计算分析，Cv=1.00，Cs=2.50，计算结果见表1。

三、历年年径流量分析

1.历年年径流量统计分析

通过对北汝河大陈（襄城）水文站1953—2018年的年径流量进行分析：最大年径流量为28.89亿m3，发生在1964年；其次为22.77亿m3，发生在1983年；年径流量在15亿～20亿m3的共4次；年径流量在10亿～15亿m3的共12次；年径流量在5亿～10亿m3的共20次；年径流量小于5亿m3的共28次。

2.历年年径流量丰平枯水平年分析

根据计算出的大陈（襄城）水文站1953—2018年的年径流量系列，用皮尔逊-III型曲线进行适线，最终选定参数：平均值为7.36亿m3，变差系数Cv=0.84，偏态系数Cs=2.1。查频率曲线得大陈（襄城）P=50%的年径流量为5.39亿m3，P=75%的年径流量为3.0亿m3，P=95%的年径流量为1.71亿m3，见表2。

绘制1953—2018年大陈（襄城）年径流量分布柱状图（见图3），经分析，丰水年占12.1%，偏丰年占25.8%，平水年占21.2%，偏枯年占31.8%，枯水年占9.1%。

北汝河流域雨水情年际变化较大，存在连续3年的丰水年、连续4年的枯水年，其中1954—1956年、1982—1984年为连续的丰水年，2013—2016年为连续的枯水年。丰水年与枯水年频繁交替出现。

四、洪水成因分析

图3 1953—2018年大陈（襄城）年径流量分布柱状图

北汝河属沙颍河水系，受季风影响，暴雨多集中在汛期，一般发生在6—9月份，其中7月下旬到8月上中旬为主雨期。其暴雨形成受天气系统、地理位置和地形等因素影响。本区产生暴雨的天气系统主要有低压槽、冷锋面、切变线、涡切变和台风等。西南低涡切变线东移是北汝河流域暴雨的主要天气成因之一，1982年大暴雨就是这种天气系统造成的。台风与台风倒槽形成的暴雨主要特征是范围较小，历时较短但降水强度却非常大，如1975年8月由于3号台风深入内陆，形成强烈低压系统进入本流域上游，形成罕见的特大暴雨洪水。此外从大尺度地形特点上看，北汝河处于伏牛山区，东西走向，西南高，东北低，出口地段形成朝东开口的喇叭状豁口，山前呈弧形分布丘陵岗地和喇叭口地形容易激发中小尺度系统的产生和加强，在地形辐合抬升作用下产生大暴雨。

北汝河流域洪水主要由暴雨形成，其洪水径流特性与暴雨特性和流域地形特征紧密相关。北汝河紫罗山以上为山丘区河道，是暴雨多发地区，因地面及河道坡降陡，洪水汇流迅速，峰高势猛。紫罗山至大陈站为浅山、丘陵区，河道比降变小，洪水流速减缓，陡涨缓落，峰高量大。一次洪水总历时一般3～5 天。如1982年8月1日，受副热带高气压长期滞留的影响，伏牛山、太行山前发生特大洪水，北汝河襄城站实测洪峰流量3910m3/s，也为建国以来北汝河最大洪水。大陈站最大洪峰流量年际变化较大，如2016年实测最大洪峰流量为22.8m3/s，年最大洪峰流量极值比高达171。