黃壁莊水庫下游河道洪水分析

門廣惠

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 300250）

1 問題的提出

流域上游已建大中型水庫后，下游地區(qū)的洪水受上游水庫調(diào)節(jié)下泄和區(qū)間來水的共同影響，水庫下泄洪水是否與區(qū)間洪水遭遇，洪水在河道的水量損失、坦化削峰，都將影響各河段的洪峰流量。因此，充分考慮水庫與區(qū)間洪水遭遇狀況、河道內(nèi)洪水損失等因素，做好水庫下游的設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算，直接關(guān)系到下游的防洪安全及上游水庫的運(yùn)行調(diào)度。本文對黃壁莊水庫下游河道洪水進(jìn)行分析。

2 水庫與區(qū)間洪水遭遇分析

1956年和1963年8月的大暴雨強(qiáng)度大、范圍廣，暴雨中心自南向北移動(dòng)，1956年暴雨中心位置較1963年位置偏西50～60km，1956年黃壁莊上下游暴雨均集中在8月2～4日，過程相遭遇，1963年黃壁莊上、下游暴雨集中在8月2～8日連續(xù)7d時(shí)間內(nèi)，上游主暴雨出現(xiàn)在8月4日，下游出現(xiàn)在8月4日和6日，下游主雨峰略滯后于上游，遭遇情況更為嚴(yán)重。

1996年8月暴雨過程強(qiáng)度大、歷時(shí)短，3d暴雨主要集中在一天的時(shí)間，如黃壁莊站最大24h雨量占3d雨量的98.7%，其短歷時(shí)暴雨為有資料記載的第1位。

黃壁莊上、下游站雨峰均集中在8月4日，上、下游暴雨同時(shí)發(fā)生。根據(jù)實(shí)測資料分析，區(qū)間最大洪峰流量發(fā)生在4日21時(shí)左右，而黃壁莊水庫泄量大于3300m3/s起始時(shí)間是4日20時(shí)，因此，1996年8月洪水區(qū)間洪水過程與黃壁莊水庫泄流過程相遭遇。

根據(jù)上述幾場大暴雨和洪水的資料分析，由于黃壁莊水庫在遇50年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的限泄時(shí)間長達(dá)50～70h，因此與區(qū)間洪峰相遭遇的可能性非常大，因此在計(jì)算洪水時(shí)應(yīng)按不利組合進(jìn)行疊加考慮。

3 洪水損失分析

滹沱河設(shè)計(jì)洪水應(yīng)由黃壁莊水庫下泄及黃壁莊至北中山區(qū)間洪水兩部分組成，但幾十年來北中山的實(shí)測洪水量都小于黃壁莊的下泄量，主要是由于滹沱河黃壁莊水庫以下為沙質(zhì)河床，河床滲透性強(qiáng)，洪水傳播過程中的損失水量較為明顯，同時(shí)河道的調(diào)蓄作用也是水量損失的原因之一。

3.1 河道滲漏損失條件分析

根據(jù)不同時(shí)期河北省地下水埋深等值線圖，黃壁莊水庫下游區(qū)域地下水埋深從20世紀(jì)60年代以來一直處于逐年下降趨勢。黃壁莊水庫下游區(qū)域地下水埋深變化如圖1。

圖1 地下水埋深變化圖

根據(jù)1980，1985，1990，1995年淺層地下水低水位期水位埋深及等值水位線圖分析，對于黃壁莊水庫下游滹沱河區(qū)域，1980年正定以上地下水埋深2m，正定～藁城段地下水埋深4～6m，藁城以下地下水埋深6～8m；1985年正定以上地下水埋深6～8m，正定附近地下水埋深15～20m，正定以下地下水埋深10～15m；1990年正定以上地下水埋深5～10m，正定附近地下水埋深20～30m，正定以下地下水埋深15～20m；1995年正定以上地下水埋深10～25m，正定附近地下水埋深25～35m，正定以下地下水埋深20～25m。隨著時(shí)間推移，地下水下降速度逐年增加，20年間，正定以上地下水埋深下降8～20m，正定附近受石家莊地下水漏斗影響，地下水埋深已發(fā)展到40m，正定以下下降14～20m。

據(jù)相關(guān)資料，黃壁莊下游存在一完整的地下水庫，水庫邊界清晰，北部邊界為滹沱河沖洪積扇與磁河沖洪積扇的扇間地帶，包氣帶以黏土為主；東界為地下水分水嶺；東南界以儲(chǔ)水沙層明顯變薄的交錯(cuò)沉積帶為界；西南邊界包氣帶以黏土為主；西北邊界為黃壁莊水庫主、副壩，面積400km2。滹沱河石家莊以上可形成11億m3的地下調(diào)蓄水庫。

滹沱河河床附近，自上而下為連續(xù)砂、礫石、卵石層，局部夾黏性土透鏡體，上部以細(xì)砂、中粗砂為主，厚度5～22m，之下以礫石、卵石為主，厚度3～8m，入滲條件較好。

地下水埋深增加，特殊的區(qū)域水文地質(zhì)條件，為滹沱河河道洪水損失提供了有利條件。

3.2 實(shí)際洪水損失分析

滹沱河設(shè)計(jì)洪水由黃壁莊水庫下泄及黃壁莊至北中山區(qū)間洪水兩部分組成，但幾十年來北中山的實(shí)測洪水都小于黃壁莊的事實(shí)表明，該河道的調(diào)蓄作用和輸水損失不容忽視。因此，從實(shí)測大洪水年份洪水損失情況，對滹沱河河道洪水損失進(jìn)行分析。

在黃壁莊、北中山水文站同步觀測系列中，1955，1956，1963，1996年4場大洪水，1988年為近年來黃壁莊水庫正常溢洪道泄洪時(shí)間較長的一次較小洪水（約相當(dāng)于10年一遇），為了分析黃壁莊水庫下泄洪水與黃壁莊～北中山區(qū)間洪水的遭遇情況，以及洪水在滹沱河河道中的損失和洪峰坦化情況，選擇上述年份逐年進(jìn)行分析。

1955年豐水期唯一沒有跑水的一年，黃壁莊水庫未建，資料較完整。上游黃壁莊站7日13時(shí)出現(xiàn)洪峰流量3820m3/s，2.5h后正定測得洪峰3620m3/s，盡管有4條小河匯入，但洪峰仍減小200m3/s，11h后北中山站出現(xiàn)洪峰流量1830m3/s?？紤]區(qū)間入流，黃壁莊～北中山洪峰削減52%；3d洪量黃壁莊4.06億m3，正定4.22億m3，北中山3.03億m3。 考慮區(qū)間入流，正定～北中山3d洪量削減28%，不考慮區(qū)間入流，黃壁莊～北中山3d洪量削減25%。

1956年黃壁莊未建庫，8月4日10時(shí)出現(xiàn)洪峰13100m3/s，3h后正定出現(xiàn)洪峰12500m3/s（雖然有區(qū)間小河入流，但仍減少600m3/s），考慮區(qū)間入流洪峰584m3/s，黃壁莊～正定區(qū)間洪峰減少1184m3/s，削減9%；3d洪量黃壁莊為17.43億m3，正定為17.72億m3（增加了0.29億m3），考慮區(qū)間入流0.68億m3，黃壁莊～正定區(qū)間純損失水量為0.39億m3，削減量為2%。正定～北中山之間決口跑水較為嚴(yán)重，8月3日北堤在藁城、無極縣莊里漫決，6日封堵，部分水經(jīng)磁河入潴龍河，4日北堤又在深澤西趙莊決口，8月14日堵閉，部分水入清南平原，由于決口地方較多，各單位雖進(jìn)行了一些調(diào)查工作，但都無法準(zhǔn)確還原水量。北中山8月5日1時(shí)出現(xiàn)洪峰6150m3/s，3d洪量為10.5億m3， 黃壁莊～北中山洪峰削減53%，3d洪量削減41%。但由于未考慮區(qū)間入流及決口漫溢損失，該成果偏大。

1963年黃壁莊水庫已投入運(yùn)用，根據(jù)實(shí)測資料黃壁莊3d下泄水量為12.13億m3，北中山實(shí)測3d水量為9.95億m3，經(jīng)過計(jì)算，區(qū)間產(chǎn)流量為2.31億m3，由于滹沱河北岸無極縣牛辛莊決口漫溢，過水日期為8月6～9日，漫溢水流經(jīng)磁河入潴龍河，據(jù)1964年水利電力部水文局編制的《海河流域南運(yùn)河、子牙河、大清河水系1963年8月洪水調(diào)查報(bào)告》估算4d漫溢量2.49億m3。據(jù)此分析3d總漫溢量約2.33億m3。由此計(jì)算3d洪量由黃壁莊到北中山削減15%。

1988年水不算大，但沒有跑水，資料較完整。黃壁莊最大下泄流量700m3/s，黃壁莊6d下泄水量加區(qū)間產(chǎn)流量為4.22億m3。北中山站實(shí)測洪峰流量為400m3/s，6d洪量為2.23億m3。由此可見洪峰削減43%，6d洪量削減47%。

1996年8月洪水，采用調(diào)整后的黃壁莊水庫下泄過程及北中山實(shí)測流量進(jìn)行分析，1996年洪水黃壁莊水庫最大下泄流量為5700m3/s，最大3d下泄水量為10.22億m3，北中山水文站實(shí)測洪峰流量為4240m3/s，最大3d洪量為5.94億m3，經(jīng)計(jì)算，正定以上區(qū)間產(chǎn)峰為1500m3/s，黃壁莊～北中山區(qū)間相應(yīng)3d產(chǎn)流量為1.09億m3?？紤]1996年黃壁莊至北中山區(qū)間決口16處，其中藁城12處，無極4處，過流時(shí)間為8月5～10日，省水文局估算漫溢水量約2.49億m3。相應(yīng)最大3d還原水量為2.0億m3。由此分析可得3d洪量黃壁莊～北中山削減30%；洪峰流量削減35%（未考慮決口洪峰值）。

綜上分析表明，從20世紀(jì)50～90年代，幾場大中洪水典型中，盡管洪水特性的豐枯不同，地下水位亦有較大變化，在考慮黃壁莊～北中山區(qū)間決口漫溢還原后，北中山的實(shí)測洪水都小于黃壁莊水庫下泄量。各典型年洪量損失幅度為15%～47%，其中1963年最小為15%。實(shí)測大洪水年中，1963年和1996年區(qū)間洪水都大于50年一遇洪水，洪水標(biāo)準(zhǔn)越高，損失比例相應(yīng)越小。同時(shí)考慮到1963，1996年洪水黃壁莊水庫下泄3300m3/s情況下，在河道中行洪時(shí)間加長，損失必定增加的因素，以及現(xiàn)狀下墊面地下水漏斗越演越烈的事實(shí)，設(shè)計(jì)情況下（50年一遇）選用1963年損失量勢必偏小，而取1963，1996年實(shí)際損失的中間值20%～25%比較安全可信。

設(shè)計(jì)條件下黃壁莊～北中山區(qū)間流量損失是分析的重要環(huán)節(jié)。在典型年中，黃北區(qū)間洪峰流量損失系數(shù)比較可靠的是1955，1988年，分別為52%、43%。由于分析洪峰損失年份較少，且量的損失比峰的損失小，因此借用量的損失計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果偏于安全。綜合分析，50年一遇洪水過程按入流總水量的20%～30%計(jì)算是合理的。

4 分段設(shè)計(jì)流量

分段流量的推求采用改進(jìn)的馬斯京根法，即加入洪水損失的演進(jìn)方法。其計(jì)算方法是在常規(guī)演進(jìn)方法基礎(chǔ)上根據(jù)地形條件按河段加入損失水量。常規(guī)馬斯京根法計(jì)算公式為：

式中 I為河段上段面入流量；O為河段下段面出流量；W為河段的槽蓄量；K為槽蓄系數(shù)，具有時(shí)間因次；x為流量比重因子，無因次；Q′為示儲(chǔ)流量；t為時(shí)間。

黃壁莊水庫至滹沱河控制站北中山的設(shè)計(jì)洪水按區(qū)間洪水匯入情況和演進(jìn)、損失情況進(jìn)行分析。

黃壁莊至北中山河段設(shè)計(jì)洪水復(fù)核成果如表3。

表3 分河段設(shè)計(jì)洪水成果 單位：m3/s

5 結(jié)語

黃壁莊水庫下游河道的設(shè)計(jì)洪水，是確定下游滹沱河河道治理工程規(guī)模的主要依據(jù)，如果計(jì)算偏小，不利于防洪安全；偏大會(huì)導(dǎo)致工程規(guī)模加大，造成浪費(fèi)。在分析水庫下游洪水與區(qū)間洪水遭遇的基礎(chǔ)上，充分考慮了洪水入滲及攔蓄削峰等因素，提出了黃壁莊水庫下游河道各段設(shè)計(jì)洪水流量，可作為河道參考依據(jù)，設(shè)計(jì)洪水分析思路對類似建庫河道下游設(shè)計(jì)洪水分析也具有一定借鑒作用。

［1］詹道江，葉守澤.工程水文學(xué)［M］.北京：中國水利電力出版社，2000.

［2］邱大洪.工程水文學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［3］雒文生.河流水文學(xué)［M］.北京：中國水利電力出版社，1992.

［4］費(fèi)永法.歷史特大洪水對設(shè)計(jì)洪水頻率曲線參數(shù)及設(shè)計(jì)值的影響［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1999（4）.

［5］石家莊城市水資源規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組.河北省石家莊市南水北調(diào)城市水資源規(guī)劃報(bào)告［R］.2001.