河流洪峰遭遇及錯(cuò)峰合理性探析

劉 智

(營口市水利勘測建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 營口 115000)

1 概況

大清河是遼東半島上的一條中型河流，發(fā)源于大石橋市建一鎮(zhèn)東大嶺，河道長99.0km，流經(jīng)大石橋市、蓋州市26個(gè)鎮(zhèn)(鄉(xiāng)、場)，在蓋州市鐵路橋下游分為南北兩支后，分別注入渤海[1]。流域總面積為1452km2。流域地處遼東半島西北部，東以大洋河為界，南鄰碧流河，北靠海城河。

大旱河位于營口市區(qū)東南部，距離營口市區(qū)約25km，距離蓋州市約10km，是大石橋市、蓋州市、老邊區(qū)及營口鹽場之間一條邊界河流[1]，流域面積為330km2，其中大石橋市境內(nèi)面積為201.3km2，占61%，蓋州市境內(nèi)面積為115.5km2，占35%，老邊區(qū)境內(nèi)面積13.2km2，占4%。流域地勢由東向西傾斜，哈大公路以東為丘陵平原區(qū)，面積243.74km2，占全流域面積的74%，哈大公路以西為平原澇區(qū)，10m等高線以下流域面積86.26km2，占全流域面積的26%。大旱河干流全長20km，左岸匯入支流16條，右岸有勝利河分洪道。大旱河出口與大清河北支交匯，最后流入渤海。

2 設(shè)計(jì)潮位

大清河河口段系感潮河段，為不規(guī)則半日潮，潮流速、潮流量隨潮水向上游推進(jìn)而減小[2]，影響范圍可至大清河干流的西海攔河閘、大旱河的營蓋公路橋。因此大清河在西海攔河閘以下1.687km的干流段、南北兩支流段水位主要受潮水控制；大旱河在營蓋公路橋以下段的水位也主要受潮水控制[3]。

2.1 潮位資料

遼東灣上營口地區(qū)有營口、四道溝兩個(gè)國家級潮位站和一個(gè)鲅魚圈海洋站，其中營口潮位站位于大遼河感潮河段最下游，距大遼河入?？?4km，洪水對潮位影響極小，資料系列長而且精度較好[4]；四道溝潮位站位于大遼河入?？谝阅?，該站建于1950年，資料系列較長，但由于受地震和其他因素的影響，水尺零點(diǎn)比較混亂，雖經(jīng)校正，但精度不高；鲅魚圈海洋站建于1975年，在1975—1985年只觀測波浪，不測潮位，1986年開始增測潮位資料?，F(xiàn)有測站的資料情況見表1。

表1 營口地區(qū)遼東灣上主要測站潮位資料年限表

2.2 設(shè)計(jì)潮位推求

2.2.1營口站設(shè)計(jì)潮位的推求

根據(jù)營口站1955—2018年共64年的年最高潮位資料，按P- Ⅲ型分布曲線進(jìn)行頻率分析計(jì)算確定。

根據(jù)營口站在CV=0.057，CS/CV=2.5、3.0、3.5幾種情況下最高潮位的理論頻率曲線，其中CS/CV=3.5時(shí)的經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與理論頻率曲線適線良好，由此可以推出營口站設(shè)計(jì)高潮位頻率分析成果見表2。

表2 營口潮位站年最高潮位頻率分析成果表

2.2.2四道溝站設(shè)計(jì)潮位的推求

根據(jù)四道溝潮位站1960—1985年共26年的年最高潮位資料，按P- Ⅲ型分布曲線進(jìn)行頻率分析計(jì)算[5]，得出在CV=0.058，CS/CV=2.5時(shí)經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與理論頻率曲線適線良好。由此推出不同頻率設(shè)計(jì)高潮位頻率分析成果見表3。

表3 四道溝站年最高潮位頻率分析成果表

2.2.3鲅魚圈海洋站設(shè)計(jì)潮位的推求

根據(jù)鲅魚圈海洋站1986—1998年按極值Ⅰ型分布曲線進(jìn)行頻率分析計(jì)算:

hp=h+λpn·S

(1)

式中，λpn—與頻率P及資料年數(shù)n有關(guān)的系數(shù);S—潮位系列的均方差。

根據(jù)式(1)計(jì)算出鲅魚圈海洋站頻率設(shè)計(jì)高潮位，頻率分析成果見表4。

表4 鲅魚圈海洋站年最高潮位頻率分析成果表

2.2.4設(shè)計(jì)潮位分析確定

以上三個(gè)站潮位分析計(jì)算結(jié)果表明：四道溝站各頻率潮位計(jì)算結(jié)果與營口站基本一致；因鲅魚圈海洋站資料不足20年，按現(xiàn)有資料分析得出的20年一遇設(shè)計(jì)潮位比營口潮位站資料分析成果偏小，但相差不大。故本次海堤工程設(shè)計(jì)潮位以營口站潮位分析結(jié)果為準(zhǔn)，20年一遇最高水位為3.12m。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1 大清河洪水計(jì)算

大清河流域水文氣象資料不多，現(xiàn)有水文站1個(gè)，雨量站3個(gè)，汛期雨量站2個(gè)，都是國家站網(wǎng)；水庫觀測站2個(gè)，屬于地方站網(wǎng)。國家站的資料都已經(jīng)整編刊印。

大清河流域的歷史洪水調(diào)查工作進(jìn)行過多次，其中比較系統(tǒng)的有兩次：第一次是1958年由遼寧省水文總站組織在望寶山上游河段沈屯附近進(jìn)行的洪水調(diào)查；另一次是1979年?duì)I口市、縣水利局共同進(jìn)行的在望寶山、石門水庫、三道嶺水庫的洪水調(diào)查。這兩次洪水調(diào)查成果經(jīng)過洪水匯編綜合分析，在《遼寧省洪水調(diào)查資料》中刊印，成果可靠。各河段歷史洪水調(diào)查結(jié)果見表5。

表5 大清河歷史洪水調(diào)查成果表

大清河流域設(shè)計(jì)洪水按照水庫樞紐工程及防洪工程設(shè)計(jì)需要，分別求出石門水庫、望寶山、汪戶屯、白果共4個(gè)控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水。

望寶山站、石門水庫有實(shí)測資料及調(diào)查到的歷史洪水，直接進(jìn)行頻率計(jì)算，推求設(shè)計(jì)洪峰、洪量；汪戶屯、白果無實(shí)測資料，采用與望寶山站面積比的方法進(jìn)行推求。

3.1.1望寶山站、石門水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

洪峰采用年最大值法，即每年挑選出一個(gè)年最大洪峰流量。洪量根據(jù)大清河流域洪水特性，一次洪水過程在3日內(nèi)完成，所以選擇3日作為洪量的控制時(shí)段，洪量按連續(xù)最大值法選用[6]。采用繪線讀點(diǎn)補(bǔ)矩法，按照1958—1996年39年系列，計(jì)算中考慮歷史洪水。

1999年由遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院編制的《石門水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中的系列與本次還原系列一致，所以本文直接采用報(bào)告中已經(jīng)審批通過的石門水庫、望寶山站的計(jì)算成果。

3.1.2汪戶屯、白果及控制站區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)望寶山站實(shí)測資料推求的設(shè)計(jì)值，采用面積比擬法，以望寶山站設(shè)計(jì)洪峰、洪量直接推求各控制點(diǎn)及區(qū)間的洪峰、洪量。

洪峰計(jì)算公式：

Q1=(F1/F2)2/3·Q2

(2)

洪量計(jì)算公式：

W1=(F1/F2)·W2

(3)

區(qū)間洪水過程線以望寶山站1969年實(shí)測洪水過程線為典型洪水，按照同頻率放大法，首先按照三日洪量比值進(jìn)行放大[7]，以區(qū)間設(shè)計(jì)洪峰成果作為控制進(jìn)行洪水過程線修勻，修勻過程中保證洪水三日洪量不變。

3.1.3防洪控制點(diǎn)地區(qū)洪水組成計(jì)算

根據(jù)大清河流域現(xiàn)狀及防洪要求，各控制點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水有兩種可能情況組合：①區(qū)間與控制點(diǎn)發(fā)生同頻率洪水，上游水庫為相應(yīng)洪水；②上游水庫與控制點(diǎn)發(fā)生同頻率洪水，區(qū)間為相應(yīng)洪水。第一種情況洪水組合對下游防洪最為不利，因此，本次洪水組成按洪水發(fā)生在區(qū)間、上游石門水庫發(fā)生相應(yīng)洪水計(jì)算，其中三道嶺水庫的集雨面積算到區(qū)間里。

根據(jù)流域控制點(diǎn)站天然設(shè)計(jì)洪水及各控制點(diǎn)站區(qū)間設(shè)計(jì)洪水成果[8]，經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算，得出上游水庫同頻率相應(yīng)洪水，分別對石門水庫不同頻率進(jìn)行相應(yīng)洪水調(diào)洪演算，得出上游水庫相應(yīng)洪水泄水過程線，經(jīng)過錯(cuò)峰時(shí)段計(jì)算，再與下游各控制點(diǎn)站區(qū)間洪水過程線進(jìn)行組合計(jì)算，即可得出各控制點(diǎn)站不同頻率現(xiàn)狀組合洪水。

3.1.4大清河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

大清河流域防洪控制點(diǎn)地區(qū)洪水組合成果見表6。

表6 大清河流域防洪控制點(diǎn)地區(qū)洪水組合成果表 單位：m3/s

3.2 大旱河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

干流洪水計(jì)算主要為各支流洪水錯(cuò)峰逐級組合[9]，形成各段洪峰流量值。按照逐級錯(cuò)峰計(jì)算，至大旱河口處洪水組合計(jì)算過程線成果見表7。

表7 大旱河口組合洪水

經(jīng)計(jì)算，大旱河口20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1225m3/s。

3.3 大清河、大旱河洪峰遭遇情況

大清河、大旱河為兩個(gè)相鄰流域，大清河北支與大旱河口在距河口4.4km處匯合，兩個(gè)流域按照同一場降雨形成洪水過程，并按照匯流、產(chǎn)流、洪水傳播歷時(shí)進(jìn)行洪峰遭遇情況分析。

3.3.1山區(qū)匯流歷時(shí)τ1計(jì)算

按照遼寧水文Ⅳ區(qū)進(jìn)行計(jì)算τ1=X·(L/J0.5)Y，其中X=0.78，Y=0.71，L為計(jì)算河長，J為河床比降。

(1)大旱河上游淤泥河山區(qū)洪水匯流歷時(shí)

τ1=X·(L/J0.5)Y=0.78×(8.85/6.80.5)0.71=1.86h

(2)大清河白果以上山區(qū)洪水匯流歷時(shí)

τ1=X·(L/J0.5)Y=0.78×(45.3/1.750.5)0.71=9.59h

3.3.2洪水傳播歷時(shí)τ2計(jì)算

(1)大旱河洪水傳播歷時(shí)由表7中的計(jì)算成果知τ2=36.06-30=6.06h。

(2)大清河洪水傳播歷時(shí)即為由白果傳播至下游南、北支分叉處的時(shí)間。

由表6可知，白果控制點(diǎn)20年、50年一遇組合洪峰傳播至南、北支分叉口處的時(shí)間分別為4.9h、4.6h。

3.3.3洪水產(chǎn)流、傳播總歷時(shí)τ總計(jì)算

大旱河τ總=τ1+τ2=1.86+6.06=7.92h

大清河τ總20=τ1+τ2=9.59+4.9=14.49h

τ總50=τ1+τ2=9.59+4.6=14.19h

3.3.4大旱河、大清河洪峰錯(cuò)峰時(shí)間差計(jì)算

τ差20=大清河τ總20-大旱河τ總=14.49-7.92=6.57h

τ差50=大清河τ總50-大旱河τ總=14.19-7.92=6.27h

3.3.5大旱河、大清河錯(cuò)峰時(shí)間差合理性分析

2012年8月4日營口地區(qū)大旱河、大清河同期遭遇一場大洪水，兩條河決口時(shí)間差約8h，說明兩個(gè)流域洪峰同時(shí)遭遇的可能性不大，按照以上洪水產(chǎn)流、匯流、傳播規(guī)律計(jì)算時(shí)間差值，兩個(gè)洪峰按照6h錯(cuò)峰是比較合理的。

4 結(jié)語

兩流域在地理位置、地形地貌及降水方面基本相似。經(jīng)試算，大清河在5%洪水情況下，其南支過流量為1550m3/s，北支過流量為1430m3/s，南北支分流比約為5.4∶4.6。

大清河洪峰流量經(jīng)南、北支分叉口分流后，北支分流量與大旱河口錯(cuò)峰6h的洪峰流量150m3/s相疊加，北支在大旱河口以后過流量為1580m3/s。

按上述方法繼續(xù)向大清河上游推算水面線，至西海攔河閘下游斷面對應(yīng)P=5%水位為6.27m，P=2%水位為7.18m，均小于正在進(jìn)行批復(fù)的攔河閘加固初設(shè)報(bào)告中同頻率下游水位，即P=5%水位6.73m，P=2%水位7.55m。