湯原縣鶴立河堤防水文計(jì)算及分析

呂 巖，郭承乾

(1.黑龍江省佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 佳木斯 154002)

湯原縣鶴立河堤防水文計(jì)算及分析

呂 巖1，郭承乾2

(1.黑龍江省佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 佳木斯 154002)

佳木斯市湯原縣鶴立河堤防現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)已不能達(dá)到其實(shí)際的堤防標(biāo)準(zhǔn)要求，故需對其加高處理，文章通過三江平原等值線圖法、水文比擬法、地區(qū)綜合法成果的分析比較，工程點(diǎn)處鶴立河設(shè)計(jì)洪水采用以地區(qū)綜合法推求的設(shè)計(jì)洪水成果。

鶴立河堤防；水文計(jì)算分析；等值線圖法；水文比擬法；地區(qū)綜合法

1 工程現(xiàn)狀

佳木斯市湯原縣鶴立河堤防按保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有實(shí)物指標(biāo)其防洪標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)為20a一遇，而現(xiàn)狀是有堤段防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為5a一遇，部分為民堤，需加高培厚。

鶴立河流域內(nèi)，現(xiàn)有人口20萬人，城鎮(zhèn)3個(gè)，村屯33個(gè)，耕地1.69萬 hm2。由于鶴立河流域缺乏相應(yīng)的水利工程，只是利用自籌資金來建設(shè)，一方面投入的資金非常有限，再加上已有工程當(dāng)初的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，因此在平水年份河流沒有形成大的災(zāi)害，但是在雨量大的年份，就回水造成河水出槽，漫過堤防，淹沒河流兩側(cè)的大片耕地，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重的制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和人民提高生活水平的需求，防洪形勢十分嚴(yán)峻。此段鶴立河堤防工程存在的問題為現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)低。

2 水文基本資料

鶴立河干流有新華水位站，1952年開始觀測水位，1959年施測流量，具有1959年—1961年3年流量資料及1952年—1988年水位觀測資料。鶴立河流域還有鶴崗、新結(jié)等氣象站。鄰近流域有華興、鶴立、寶泉嶺、梧桐鎮(zhèn)、鴨蛋河及都魯河等水文站。

各站資料系列及觀測項(xiàng)目見表1。

2.1 資料審查

各站水文測驗(yàn)及資料整編都是按照《水文測驗(yàn)試行規(guī)范》和水文測驗(yàn)手冊的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。各水文站均用流速儀施測流量，采用基本水尺斷面觀測水位。在測驗(yàn)方面，各站的測次配備、測驗(yàn)精度均能滿足規(guī)范要求，測次較多，觀測到了降水量、水位、流量的全過程，滿足了推流推沙的要求。在資料整編方面，能夠作到隨及在站整編。地區(qū)站基本做到一年3次階段審查，對定線、審線工作較為重視，保證了資料精度，達(dá)到刊印水平，測驗(yàn)成果精度較高，滿足本次設(shè)計(jì)要求[1]。

2.2 資料系列的插補(bǔ)

格節(jié)河鄰近流域?qū)崪y資料系列較長的測站有寶泉嶺、鶴立、鴨蛋河3處水文站，各水文站均有1996年、1997年實(shí)測流量資料。選取其年最大洪峰流量，建立Qm～F相關(guān)關(guān)系用來插補(bǔ)華興站1996年、1997年缺測年份洪峰流量。

3 洪 水

3.1 暴雨洪水特性

鶴立河處于北半球中高緯度，高空在西風(fēng)帶的控制下，夏季由于太平洋高壓的阻擋將海面暖濕氣流輸入本區(qū)，7、8月正好處在極地干冷氣團(tuán)與海洋暖濕氣團(tuán)交接而形成暴雨。每年發(fā)生大暴雨的次數(shù)不多，日雨量>100mm的降水來只有1次，>50mm的降水占總年數(shù)的50%。暴雨主要集中在7—8月份，最早為6月上旬，最晚為9月中旬。一次降雨時(shí)間多為3～7d，降雨多集中在1d之內(nèi)，多年平均最大1日降水60.5mm，多年平均最大3d降水89.2mm。

鶴立河具有典型的北方河流特性，一年中有2次汛期，即春汛和夏秋汛。春汛發(fā)生在4—5月，由融雪產(chǎn)生，春汛發(fā)生次數(shù)少且量級較??；夏秋汛發(fā)生在7月中下旬—8月，由降雨產(chǎn)生，夏秋汛發(fā)生頻率多且量級大。從新華站實(shí)測資料看，洪水一般為單峰型，上游洪水陡漲陡落，峰高量小，下游洪水峰小量大，一次洪水過程3～5d。洪水年際變化顯著，最大年洪峰流量是最小年洪峰流量的32倍。

表1 鶴立河及鄰近流域水文氣象測站系列表

3.2 單站設(shè)計(jì)洪水

由于鶴立河新華站實(shí)測水文資料為有小鶴立河水庫和五號(hào)水庫影響的非天然資料，而小鶴立河水庫無庫水位及泄流觀測資料，五號(hào)水庫無泄流觀測資料，無法進(jìn)行入庫洪水還原計(jì)算，因此新華站實(shí)測水文資料無法應(yīng)用。對鶴立河鄰近流域各站實(shí)測及歷史調(diào)查洪水，按年最大獨(dú)立選樣原則統(tǒng)計(jì)出最大流量和最大一、三、七日洪量，進(jìn)行各單站洪峰、洪量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算，選用Cs=2.25Cv的P—Ⅲ型曲線，盡量照顧點(diǎn)群趨勢，以大、中洪水的經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)與配合最好為原則進(jìn)行適線，確定各單站設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，以此求得各單站設(shè)計(jì)洪峰及各時(shí)段設(shè)計(jì)洪量，成果見表2。

3.2.1 成果的合理性檢查

峰量關(guān)系檢查：將本次推求的各站設(shè)計(jì)洪峰、洪量繪于各站峰量相關(guān)圖上，峰量關(guān)系線按同頻率點(diǎn)據(jù)外延后逐漸收斂并互不變叉，符合洪水峰量變化規(guī)律。參數(shù)與歷時(shí)關(guān)系：點(diǎn)繪各站各時(shí)段洪量均值和變差系數(shù)Cv值與歷時(shí)的關(guān)系，曲線光滑無拐點(diǎn)，洪水參數(shù)隨歷時(shí)的變化合理。

3.2.2 單站設(shè)計(jì)洪水成果對比分析及成果的選用

將本次各單站設(shè)計(jì)洪水成果與《黑龍江省鶴崗市小鶴立河水庫消險(xiǎn)擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)》成果作對比見表3。

表2 各站設(shè)計(jì)洪峰及各時(shí)段洪量成果表

3.3 控制斷面處天然設(shè)計(jì)洪峰流量

由于鶴立河新華站實(shí)測水文資料為有小鶴立河水庫和五號(hào)水庫影響的非天然資料，而小鶴立河水庫無庫水位及泄流觀測資料，五號(hào)水庫無泄流觀測資料，無法進(jìn)行入庫洪水還原計(jì)算，因此新華站實(shí)測水文資料無法應(yīng)用。因此采用3種方法計(jì)算鶴立河本次設(shè)計(jì)堤防段控制斷面設(shè)計(jì)洪峰，通過合理性分析，選擇較優(yōu)成果。本次本區(qū)段鶴立河堤防設(shè)計(jì)采用一個(gè)控制斷面的洪峰流量(堤防起點(diǎn)和終點(diǎn)區(qū)間沒有支流匯入，控制斷面采用本區(qū)段設(shè)計(jì)堤防上游起點(diǎn)處)，控制斷面控見水系圖中堤防工程所在位置，控制斷面處集水面積725km2。

3.3.1 三江平原等值線圖法

查《黑龍江省三江平原近期防洪工程可研水文分析報(bào)告》中洪水參數(shù)等值線圖查出的鶴立河堤防控制斷面以上流域重心的設(shè)計(jì)洪水參數(shù)Cp、Cv，作為本次鶴立河控制斷面處設(shè)計(jì)的洪峰洪量參數(shù)，求得鶴立河控制斷面處設(shè)計(jì)洪水成果見表4。

表3 各站設(shè)計(jì)洪水成果比較表

由表3可見，本次各站設(shè)計(jì)洪水成果與《黑龍江省鶴崗市小鶴立河水庫消險(xiǎn)擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)》平均相對誤差均在±3%以內(nèi)，原因是2006—2010年各站洪峰及各時(shí)段洪量趨于水平年，基本上與各站多年平均設(shè)計(jì)洪峰及各時(shí)段洪量接近，本次各站設(shè)計(jì)洪峰及各時(shí)段洪量成果采用本次設(shè)計(jì)成果。

表4 工程點(diǎn)處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3.3.2 水文比擬法

從水系圖上看，阿陵達(dá)河與鶴立河相鄰，兩流域自然地理及氣候條件基本相近，本次水文比擬法采用的參證站為鶴立站，按黑龍江省綜合的面積指數(shù)公式計(jì)算。計(jì)算公式為：

Qmp=Qm鶴立站(F控/F鶴立站)0.67

(1)

式中：Qmp、Qm鶴立站為分別為控制斷面處和鶴立站設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；F控、F鶴立站分別為控制斷面和鶴立站集水面積，km2。

水文比擬法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表5。

表5 工程點(diǎn)處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3.3.3 地區(qū)綜合法

根據(jù)鶴立河鄰近流域各站已推求的設(shè)計(jì)洪峰流量及鶴立河堤防控制斷面的流域面積，建立設(shè)計(jì)洪峰流量與面積相關(guān)線，據(jù)水庫壩址集水面積，查得相應(yīng)設(shè)計(jì)洪峰流量見表6。

3.3.4 不同方法計(jì)算成果對比

不同方法所求的大鶴立河堤防控制斷面處設(shè)計(jì)洪水成果見表6。

表6 鶴立河工程點(diǎn)斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果比較表

3.3.5 計(jì)算成果的合理性檢查及成果的選用

三江平原近期防洪除澇可研等值線圖，由于上游無實(shí)測點(diǎn)據(jù)，等值線的繪制和查算存在較多的人為因素,因此精度較低。據(jù)表6知，水文比擬法與地區(qū)綜合法推求的設(shè)計(jì)洪水成果比較接近，地區(qū)綜合法基本上反映了本地區(qū)流域自然地理、氣候條件、下墊面等各方面因素，因此本次工程點(diǎn)處鶴立河設(shè)計(jì)洪水采用以地區(qū)綜合法推求的設(shè)計(jì)洪水成果，鶴立河各工程點(diǎn)處天然設(shè)計(jì)洪水見表7。

表7 鶴立河工程點(diǎn)處天然斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

3.4 控制斷面處有水庫影響的設(shè)計(jì)洪峰流量

鶴立河上游大鶴立河和小鶴立河上均建有中型水庫。大鶴立河中上游建有五號(hào)水庫，五號(hào)水庫洪水調(diào)度原則采用分級控制，當(dāng)水庫發(fā)生20a一遇以下洪水時(shí)，水庫控制下泄流量100m3/s；當(dāng)水庫發(fā)生>20a且<50a一遇洪水時(shí)，水庫控制下泄流量169m3/s；當(dāng)水庫水位>50a一遇設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，開閘全力泄洪，但泄洪流量不超過自然洪峰流量。

小鶴立河中上游建有小鶴立河水庫，水庫洪水調(diào)度原則采用分級控制，采用水庫設(shè)計(jì)(P=2%)或校核(P=0.1%)洪水過程線，先按農(nóng)堤控制泄量下限值64m3/s削平頭下泄，當(dāng)超過P=5%防洪高水位170.65m后，再按農(nóng)堤控泄流量上限值107m3/s削平頭下泄，當(dāng)超過P=5%防洪高水位170.68m后，為確保水庫大壩安全，閘門全部開啟后，自由泄流，但水庫下泄流量應(yīng)小于最大入庫流量，一直下泄至庫水位降到水庫汛限水位為止。

根據(jù)兩水庫洪水調(diào)度原則，兩水庫下泄流量見表8。鶴立河控制斷面設(shè)計(jì)洪水分別考慮以兩水庫為主區(qū)間相應(yīng)洪水和區(qū)間為主兩水庫相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水兩種洪水組合形式，再根據(jù)兩水庫洪水調(diào)度原則求得水庫下泄流量(小鶴立河20a一遇洪水控制下泄流量取控泄流量上限值107m3/s)，與區(qū)間洪水組合求得鶴立河工程點(diǎn)控制斷面處有水庫影響的設(shè)計(jì)洪峰流量，見表8。

表8 鶴立河堤防處有水庫影響的設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

根據(jù)表8可知，區(qū)間為主兩水庫相應(yīng)求得的鶴立河堤防控制斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量較大，因此，考慮兩水庫影響的鶴立河堤防控制斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量采用區(qū)間為主兩水庫相應(yīng)計(jì)算成果。

[1]邢萬波,徐衛(wèi)亞,王凱,等.外秦淮河堤防水文失事風(fēng)險(xiǎn)分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006,34(03):262-266.

1007-7596(2014)03-0153-04

2013-08-14

呂巖(1982- )，女，山東萊陽人，工程師；郭承乾(1981-)，男，甘肅環(huán)縣人，工程師。

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