人类活动对西球站水文特性的影响分析

袁庆江

(嵊州市水文站,浙江 嵊州 312400)

1 问题的提出

长乐江两岸是嵊州市的主要粮食产区,人口密集,交通便利,在历届县委、县政府的领导下,通过近30 a的治水工程建设,基本改变了洪、旱灾害频繁的局面。从长乐镇到城关镇沿江两岸的7万多公顷农田基本实现旱涝保收、稳产高产目标,其蓄积的水资源保障了沿江两岸人民生产、生活用水量需求,促进了这一地区经济社会的快速发展。

为了研究涉水工程建设对河道水文特性的影响,在大规模水库和主要河道整治工程结束后,曹娥江流域水文勘测队立即恢复了停测多年的西球水文站,并在流域内开展了连续8 a的面上水文调查与定点水文观测,取得了大量第一手水文资料。本文旨在通过对工程前后水文资料的分析、比较,了解有关涉水工程建设对河道水文特性的影响及程度,供水利工程的规划、设计参考。

2 流域概况[1].

长乐江发源于东阳市西营乡火星尖,干流长69.4 km,较大支流有7条,西球水文站位于长乐江的下游,控制面积858 km2,断面以下3 650 m处与澄潭江汇合 (见图1)。为了开发利用流域的雨洪资源,至1990年,流域内已建成大型水库1座,中型水库3座,小 (1)型水库11座,小(2)型水库42座(串联水库只统计最下游的1座水库,库内库不作统计),水库总计控制集雨面积396 km2,占西球站集雨面积的46.2%,总库容1.71亿m3,正常库容共计1.26亿m3,防洪库容0.45亿m3。

3 涉水工程建设对西球站水文特性的影响

除大量兴建蓄水程外,从1977年起,从长乐镇太平桥到城关镇汇合口河道开始裁弯取直、两岸筑堤缩小滩地,河道整治使这一河段的河长从34 km缩短到27.2 km,新河道于1979年12月全线通水。为分析这些水利工程兴建前后水文特性的变化,已停测11 a的西球水文站于1980年重新恢复测流,并以1955—1970年和1980—1990年的实测流量、流域内降雨量和水库的蓄水等资料为基础,采用以下方法进行分析[2].。

图1 长乐江水系图

3.1 分析方法

(1)用1965年前水利工程影响较小时的西球站降雨、径流资料,按照暴雨中心位置分析出不同单位线[3].(以下称I型单位线),并根据实测降雨过程推算洪峰流量,精度见表1。

表1 西球站I型单位线推流误差统计表 (河道治理前)

(2)将西球站1980—1990年的实测较大的洪水流量过程进行还原[4].,就是把各类水库在每次洪水中的拦 (或蓄)泄水量过程演算至西球水文站,并与西球站的实测同时段叠加,还原成不受水库调节影响的流量。其中南山水库拦蓄的流量过程用马斯京根法演算到西球站,中小型水库用时段拦蓄水量换算成西球站的净雨深,然后用单位线推算流量过程。10 a中还原计算的洪水每年至少1次,以能确认年最大流量为最低要求。1981—1990年共还原计算洪水16次。10 a中每年的实测年最大流量与还原后的最大流量见表2,并按上述方法分析受水利工程影响后的单位线(以下称Ⅱ型单位线)。

表2 西球站实测年最大流量与还原后的最大流量对照表 m3/s

(3)用蓄满产流模型计算净雨深[5].,用I型、II型单位线和流域平均降雨量分别计算了1956—1990年每年的最大洪水流量。为了保证年最大,有些年份需要计算2～3次暴雨洪水,这样计算1场降雨就得到3种或4种,最少也有2种(停测期间)流量过程。西球站实测流量过程、还原后流量过程见图2。

图2 西球水文站1987年7月28日洪水流量过程线图

3.2 水文特性影响

通过以上分析,兴建水库、整治河道对水文特性的影响主要有以下几方面:

(1)水库对洪水的调节作用[6].。在前期比较干旱的情况下,由于水库蓄水较少,降雨初始阶段各类水库都拦蓄了其集水区内的几乎全部来水量,流入河道的只有发电和灌溉用的水量,随着累积雨量的增加,水库按集水面积与库容的反比关系逐个蓄满泄洪,当所有水库都达正常蓄水时,则只有防洪库容可以起调节作用。如果前期雨量充沛水库蓄水较多时,则对洪水的调节作用就较小。此时,小(2)型与小(1)型水库基本上不起调节作用。对暴雨洪水起调节作用的主要是南山水库,其次是中型水库。

(2)水库对枯水流量的影响。枯水期由于农田灌溉和发电的需要水库大量放水,灌溉水量中一部分通过田间和渠道渗漏回归河道,使西球站的枯水流量大大增加,根据1981—1990年10 a的资料统计,枯水期流量明显增加,水库调蓄作用使西球站10 a中的月径流分配明显比未建库时期均匀。

(3)河道整治对径流过程的影响。长乐江在整治前河道弯曲,水流平缓,河道中沙滩多,洪水时两岸河漫滩宽,滩地上多竹林树木,两岸堤坝无统一防洪标准,较大洪水时漫堤溃堤多,分洪滞洪水量多,经整治后两岸堤防有了统一标准,河道变成按设计断面和设计坡度开挖的人工河,成为渠化河道。整治后河道顺直弯曲少,河宽缩小,河底及岸壁平整,因此糙率大大减小,治理前西球站的高水糙率n值为0.048左右,整治后n值从通水初期的0.028左右到现有的0.023左右,由于河槽接近矩形,其 n值也接近常数,高中低水位时变化不大。由于治理后流速增大,洪水传播时间缩短,西球站的汇流时间从治理前的14 h减小到现在的8 h。

河道整治后由于洪水时原河道漫滩没有了,槽蓄量减少,对洪水的调节能力大大减弱,涨洪历时缩短,洪峰流量加大。从表4中可以看出,1956—1990年的35 a中,年最大洪峰流量平均增加了21.0%。由于暴雨的时空分布不同,移动方向不同,影响的程度也不相同。如1962年和1989年的2次较大洪水,前者由于雨量在面上的分布比较均匀,降雨历时较长。根据计算比较,治理后其洪峰流量只增加了15.2%;而1989年9月16日的洪水,流域平均雨量在9月15日23时至 16日2时的3 h内占次雨量的48.6%,降雨历时短且集中,暴雨中心随着台风从上游向下游移动,因此其洪峰流量因河道治理而增加了57.7%。河道整治前后西球站各年最大流量对照结果见表4。

3.3 径流资料使用

如果流域产流和汇流条件没有发生变化,水文站的断面实测流量满足一致性要求,设计洪水推求就比较简单。类似长乐江那样受人类活动严重影响流域的设计洪水,必须针对影响因素,采用相应方法将实测流量还原后进行水文分析计算,才能推求得可靠的设计洪水成果。如果流域内因水库拦蓄水量较多使水文站断面实流测量偏小,须把建库后拦蓄水量过程演算到指定断面与实测流量叠加获得洪峰流量系列;如果河道进行了堤防、裁湾等整治,则因糙率减小、河长缩短、洪水归槽等使得洪峰流量加大,洪水传播时间缩短,必须把整治前的实测资料通过汇流演算还原成现状河道的洪水过程和洪峰流量系列。否则将影响工程安全。

4 结 语

兴建水库和整治河道将对所在流域的水文特性造成明显影响。洪水期已建水库的调蓄作用消减了下游河道的洪峰流量,枯水期水库的调蓄作用加大了河道的枯水流量,

径流的年内分配更加均匀;河道整治特别是两岸筑堤、裁弯取直使得河床糙率减小、河长缩短、洪水归槽,造成河道槽蓄能力减小、洪峰流量增加、洪水传播时间缩短。类似地区水文资料的一致性要求明显得不到满足,直接利用实测资料进行水文分析存在较大安全风险。因此,必须针对影响因素,采用相应方法将实测流量还原后进行水文分析计算,才能推求得可靠的设计洪水成果。

[1].谢雨明.嵊州市水利志 [M]..杭州:浙江大学出版社,2004.

[2].黄振平.水文统计原理 [M]..南京:河海大学出版社,2002.

[3].曹贵才.水文预报 [M]..北京:水利电力出版社,1994.

[4].林益东,孙保沭,林丽蓉.工程水文学 [M]..南京:河海大学出版社,2003.

[5].芮孝芳.径流形成原理 [M]..南京:河海大学出版社,2004.

[6].李益民,段佳美.水库调度[M]..北京:中国电力出版社,2003.