大沙河老古沟桥-武营桥段河道治理工程设计洪水分析

贾 鹏

(丹东市振安区农业农村发展服务中心，辽宁 丹东 118000)

1 流域及工程概况

大沙河为鸭绿江一级支流，河道起点位置为五龙山的陶家沟，由西北向东南流经五龙背、蛤蟆塘等，终点汇入鸭绿江干流[1]。大沙河径流面积220.94 km2，河道长度30.32 km，河道平均比降3.17‰。本次河道治理位于振安区楼房镇，楼房镇气候宜人，冬无严寒，夏无酷暑，全年日照总时数为2300 h～2530 h，镇内山脉隶属长白山系，与五龙背镇交界处的五龙山海拔669.4 m，系楼房镇也是振安区最高峰。治理范围是老古沟大桥下游至武营桥上游之间的左岸，武营桥以上大沙河集水面积188 km2，河道长度26.70 km，平均比降4.33‰。大沙河流域水系图见图1。

图1 大沙河流域水系图

2 水文基本资料

2.1 测站分布及基本资料

根据水文资料调查，大沙河流域附近现有2个水文站，分别为汤山城水文站和梨树沟水文站。汤山城水文站，集水面积199 km2，该站于1967年6月设立，1993年停测。梨树沟水文站位于爱河下游，距河口27 km，集水面积5629 km2，该站于1955年6月由水位站改为水文站[2]，观测至今，水文资料相对较全。

2.2 历史洪水调查

1979年为编辑“辽宁省历史洪水汇编”，辽宁省水电勘测设计院与辽宁省水文总站共同在爱河流域的梨树沟站附近进行了洪水调查，调查到1888年以来的6场大洪水，调查成果均较可靠。结合历史文献记载资料分析，爱河干流梨树沟站1888年洪水是1988年～2010年123年以来最大的一次洪水，1960年是仅次于1888年的第二位洪水，爱河梨树沟站特大洪水顺位和洪峰流量值见表1[3]。

表1 爱河梨树沟站特大洪水顺位和洪峰流量值表

丹东市水文站曾与1980年9月对汤山城河段进行了历史洪水调查，调查到1960年大洪水，调查成果较可靠，未调查到1888年及1937年洪水。汤山城站已调查到的特大顺位洪水和洪峰流量值见表2。

表2 汤山城站特大洪水顺位和洪峰流量值表

2.3 洪水资料的延长与插补

(1)梨树沟站

梨树沟站现有1955年～2018年共64 a实测连续洪峰系列，另有1937年～1945、1950年～1954年年最高水位资料。在以前的工作中，水文工作者对1937年～1945和1950年～1954年年最大洪峰流量资料进行过插补，本次设计依然采用原成果。插补后，梨树沟站具有1937年～1945年、1950年～2010年共70 a最大洪峰流量系列。

(2)汤山城站

汤山城站现有1967年～1992年共26 a实测连续洪峰系列，采用回归方程计算法利用同流域内其他各站的资料来延长汤山城站的资料系列。经计算，汤山城站与梨树沟站的Qm相关系数γ=0.46<0.85，与草河站的Qm相关系数γ=0.36<0.85，与龙湾站的Qm相关系数γ=0.09<0.85，相关关系均不好，故历史洪水仅推算至1960年。

2.4 洪水

2.4.1 暴雨洪水特征

丹东地区多年平均降雨量1028 mm左右，根据流域内雨量站统计分析，降水量年内分配不均，大部分降雨量集中在6月～9月份，降雨量约占全年总降水量的75%以上，暴雨多发生在7月～8月两月中，大沙河为山区性河流，强烈而集中的暴雨形成陡涨陡落的的洪水过程暴雨历时一般1 d～3 d，且大暴雨有70%的雨量集中于一天。

2.4.2 设计洪峰计算(图表法)

工程起点以上集雨面积188.00 km2，采用辽宁省水文资源勘测局1998年8月出版的《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》计算设计洪水。

由于大沙河流域暴雨和相应的变差系数较其等值线图查询数值偏大，因此采用丹东雨量站降雨资料对其进行修正，丹东雨量站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量分别见表3，丹东站最大1 h、6 h、一日、三日及年降雨量不同频率分析见表4。

表3 丹东站最大1 h、6 h、一日、三日降雨量表

表4 丹东站最大1小时、6小时、一日、三日及年降雨量不同频率分析

工程起点以上(武营桥)集水面积188 km2，采用图表法计算设计洪水，以P=10%设计洪峰计算。

①汇流时间计算采用以下计算公式

(1)

式中：L为河道长度，26.70 km；J为平均比降，4.33‰；参数x、y查《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》附表(3-1)分别为0.96、0.73。

计算得到汇流时间为6.18 h。

②计算1 h、6 h、24 h、三日的设计面雨量及n1p、n2p值

暴雨和相应的变差系数可由其等值线图查得：

P三P面=301.7 mm，CV三=0.60KP，KP三=1.77

P24P面=232.7 mm，CV24=0.60，KP24=1.77

P6P面=144.2 mm，CV6=0.58，KP6=1.75

P1P面=56.5 mm，CV1=0.54，KP1=1.71

由以上结果求得，点面折减系数KF=0.97，n1p、n2p值计算如下：

③计算τ历时设计面雨量及面暴雨强度ip

当τ=6.18 h时，PτP面=P24P面×24n2P-1×6n1P-n2P×τ1-n1P=147.59 mm；

④查附表(3-2)，jP=0.85，α三P=0.72，α(三-24)P=0.35。

⑤10 a一遇的洪峰流量：

QP=0.278φP·iP·F=1060.19 m3/s。

⑥计算洪量：W三P=0.1×αP×P三P面×F=4084万m3；

W(三-24)P=0.1×α(三-24)P×(P三P面-P24P面)×F=454万m3；

W24P=W三P-W(三-24)P=3630万m3。

⑦洪水过程线

Q10%=Qp+Q0=1060.19+7.88=1068.07 m3/s。

武营桥上游和上游炮守营支流位置中间计算参数见表5。

2.4.3 设计洪峰计算(实测资料频率分析法)

(1)历史洪水重现期的确定

汤山城站未调查到1888年历史洪水，按1960年洪水为1960年以来最大值，则其洪水考证期为51 a，按1888年以来第二大值，则其洪水重现期为62 a。考虑到1960年洪水较大，有些地区甚至出现较1888年洪水大的情况，因此，本次设计按62 a计算。

表5 计算参数表

(2)洪水频率分析

汤山城水文站1967年～1992年共26 a实测洪水资料统计，饮马河洪水多呈单峰型，涨洪时间较短，从开始起涨到峰顶一般经历2 d左右，但退水时间较长[4]，其水量主要集中于3 d时间内。

本次设计采用《三湾水利枢纽及输水工程可行性研究》中的成果，对汤山城站洪水进行分析和计算。将实测洪水与历史洪水一起组成一个不连续的系列，采用统一处理法计算[5]，其中为首的a项特大洪水采用频率次序统计量的数学期望公式如下：

(2)

实测期n内的一般洪水，采用下述公式计算：

(3)

矩法样本估计的洪峰均值，采用下述公式计算：

(4)

根据以上对洪水重现期的确定，对汤山城站洪峰Qm频率计算。统计结果表明，汤山城站洪峰CS参数取2.5CV较合适，线形按P-Ⅲ型曲线[6]。汤山城站CV参数根据适线情况，并考虑区之间的相互关系确定，汤山城站频率曲线图见图2，洪峰频率分析成果及采用成果见表6。

图2 汤山城站洪峰频率曲线图

表6 汤山城站洪峰频率分析成果表

目前大沙河流域水资源还未有较大规模的开发利用，产生各年洪水的流域和河道的产流和汇流条件没有明显改变，实测洪水资料具有较好一致性。

在汤山城站上游实测资料系列年份未发生决口、溃堤、改道等致使流域的洪水形成条件发生明显改变的情况。因此，洪水资料系列具有较好的一致性，可不作修正。为提高资料系列的代表性，汤山城站洪峰流量资料加入调查历史洪水，并对特大洪水进行处理，使汤山城站的实测资料具有较好的可靠性、一致性和代表性。

大沙河洪峰流量采用汤山城站设计洪峰流量乘以面积比的2/3次方计算。设计洪峰流量成果见表7。

表7 洪峰频率计算成果表

3 成果合理性分析及采用

3.1 成果合理性

(1)点绘大沙河邻近的爱河流域各站设计峰、量与面积关系，可以看出设计洪水成果符合地区分布规律，见图3。

图3 爱河流域各站设计峰、量、面积关系

(2)汤山城站位于丹东市振安区汤山城镇饮马河上，距离较近，集水面积与工程处以上集水面积相差较小。因此工程采用与汤山城站面积比法比较合适。

3.2 成果采用

本堤防工程位于流域上游河段，河道比降大，洪水过程更加集中，偏安全考虑，采用(图表法)成果是合理的。另外，1998年版《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》是在1964年《辽宁省无资料地区中小河流设计洪水计算方法》，1975年出版的《辽宁省水文图集》《辽宁省水文手册》，1982年出版的《辽宁省暴雨洪水查算图表》等的基础上，总结辽南地区的“81.7”洪水，辽浑太河的“85.8”“86.8”洪水，辽西地区的“94.7”洪水，辽浑太地区的“95.7”洪水，及鸭绿江的特大暴雨洪水编制出版的。这一成果考虑了面上的平衡，在辽宁省无资料地区被广泛采用，均取得了满意的成果，本设计采用图表法计算成果，干流洪峰流量为1070 m3/s。

3.3 设计洪水过程线

根据《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》中洪水过程线为强烈而集中的暴雨形成陡涨陡落的单峰过程线，峰现时间为第30 h。不同频率设计洪水过程线成果见表8和图4。

表8 设计洪水过程线 单位：m3/s

图4 大沙河设计洪水过程线

4 结论与建议

根据近年来对丹东地区水利工程水文分析的经验，对中小流域山区河流，采用辽宁省无资料方法水文分析成果与已建工程实际观测吻合较好，在观测资料不充分的情况下，为安全起见，采用无资料计算方法可以满足工程需要，该成果将为大沙河干流河道治理工程中治导线划分及堤防设计提供重要参考依据。本工程于2017年开工，2018年完建，河道治理后提高了沿河两岸的防洪标准，保证了两岸及下游人民的生命财产安全。