河流洪峰遭遇及错峰合理性探析

刘 智

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

1 概况

大清河是辽东半岛上的一条中型河流，发源于大石桥市建一镇东大岭，河道长99.0km，流经大石桥市、盖州市26个镇(乡、场)，在盖州市铁路桥下游分为南北两支后，分别注入渤海[1]。流域总面积为1452km2。流域地处辽东半岛西北部，东以大洋河为界，南邻碧流河，北靠海城河。

大旱河位于营口市区东南部，距离营口市区约25km，距离盖州市约10km，是大石桥市、盖州市、老边区及营口盐场之间一条边界河流[1]，流域面积为330km2，其中大石桥市境内面积为201.3km2，占61%，盖州市境内面积为115.5km2，占35%，老边区境内面积13.2km2，占4%。流域地势由东向西倾斜，哈大公路以东为丘陵平原区，面积243.74km2，占全流域面积的74%，哈大公路以西为平原涝区，10m等高线以下流域面积86.26km2，占全流域面积的26%。大旱河干流全长20km，左岸汇入支流16条，右岸有胜利河分洪道。大旱河出口与大清河北支交汇，最后流入渤海。

2 设计潮位

大清河河口段系感潮河段，为不规则半日潮，潮流速、潮流量随潮水向上游推进而减小[2]，影响范围可至大清河干流的西海拦河闸、大旱河的营盖公路桥。因此大清河在西海拦河闸以下1.687km的干流段、南北两支流段水位主要受潮水控制；大旱河在营盖公路桥以下段的水位也主要受潮水控制[3]。

2.1 潮位资料

辽东湾上营口地区有营口、四道沟两个国家级潮位站和一个鲅鱼圈海洋站，其中营口潮位站位于大辽河感潮河段最下游，距大辽河入海口14km，洪水对潮位影响极小，资料系列长而且精度较好[4]；四道沟潮位站位于大辽河入海口以南，该站建于1950年，资料系列较长，但由于受地震和其他因素的影响，水尺零点比较混乱，虽经校正，但精度不高；鲅鱼圈海洋站建于1975年，在1975—1985年只观测波浪，不测潮位，1986年开始增测潮位资料。现有测站的资料情况见表1。

表1 营口地区辽东湾上主要测站潮位资料年限表

2.2 设计潮位推求

2.2.1营口站设计潮位的推求

根据营口站1955—2018年共64年的年最高潮位资料，按P- Ⅲ型分布曲线进行频率分析计算确定。

根据营口站在CV=0.057，CS/CV=2.5、3.0、3.5几种情况下最高潮位的理论频率曲线，其中CS/CV=3.5时的经验频率点与理论频率曲线适线良好，由此可以推出营口站设计高潮位频率分析成果见表2。

表2 营口潮位站年最高潮位频率分析成果表

2.2.2四道沟站设计潮位的推求

根据四道沟潮位站1960—1985年共26年的年最高潮位资料，按P- Ⅲ型分布曲线进行频率分析计算[5]，得出在CV=0.058，CS/CV=2.5时经验频率点与理论频率曲线适线良好。由此推出不同频率设计高潮位频率分析成果见表3。

表3 四道沟站年最高潮位频率分析成果表

2.2.3鲅鱼圈海洋站设计潮位的推求

根据鲅鱼圈海洋站1986—1998年按极值Ⅰ型分布曲线进行频率分析计算:

hp=h+λpn·S

(1)

式中，λpn—与频率P及资料年数n有关的系数;S—潮位系列的均方差。

根据式(1)计算出鲅鱼圈海洋站频率设计高潮位，频率分析成果见表4。

表4 鲅鱼圈海洋站年最高潮位频率分析成果表

2.2.4设计潮位分析确定

以上三个站潮位分析计算结果表明：四道沟站各频率潮位计算结果与营口站基本一致；因鲅鱼圈海洋站资料不足20年，按现有资料分析得出的20年一遇设计潮位比营口潮位站资料分析成果偏小，但相差不大。故本次海堤工程设计潮位以营口站潮位分析结果为准，20年一遇最高水位为3.12m。

3 设计洪水计算

3.1 大清河洪水计算

大清河流域水文气象资料不多，现有水文站1个，雨量站3个，汛期雨量站2个，都是国家站网；水库观测站2个，属于地方站网。国家站的资料都已经整编刊印。

大清河流域的历史洪水调查工作进行过多次，其中比较系统的有两次：第一次是1958年由辽宁省水文总站组织在望宝山上游河段沈屯附近进行的洪水调查；另一次是1979年营口市、县水利局共同进行的在望宝山、石门水库、三道岭水库的洪水调查。这两次洪水调查成果经过洪水汇编综合分析，在《辽宁省洪水调查资料》中刊印，成果可靠。各河段历史洪水调查结果见表5。

表5 大清河历史洪水调查成果表

大清河流域设计洪水按照水库枢纽工程及防洪工程设计需要，分别求出石门水库、望宝山、汪户屯、白果共4个控制点的设计洪水。

望宝山站、石门水库有实测资料及调查到的历史洪水，直接进行频率计算，推求设计洪峰、洪量；汪户屯、白果无实测资料，采用与望宝山站面积比的方法进行推求。

3.1.1望宝山站、石门水库设计洪水计算

洪峰采用年最大值法，即每年挑选出一个年最大洪峰流量。洪量根据大清河流域洪水特性，一次洪水过程在3日内完成，所以选择3日作为洪量的控制时段，洪量按连续最大值法选用[6]。采用绘线读点补矩法，按照1958—1996年39年系列，计算中考虑历史洪水。

1999年由辽宁省水利水电勘测设计研究院编制的《石门水库除险加固工程初步设计报告》中的系列与本次还原系列一致，所以本文直接采用报告中已经审批通过的石门水库、望宝山站的计算成果。

3.1.2汪户屯、白果及控制站区间设计洪水计算

根据望宝山站实测资料推求的设计值，采用面积比拟法，以望宝山站设计洪峰、洪量直接推求各控制点及区间的洪峰、洪量。

洪峰计算公式：

Q1=(F1/F2)2/3·Q2

(2)

洪量计算公式：

W1=(F1/F2)·W2

(3)

区间洪水过程线以望宝山站1969年实测洪水过程线为典型洪水，按照同频率放大法，首先按照三日洪量比值进行放大[7]，以区间设计洪峰成果作为控制进行洪水过程线修匀，修匀过程中保证洪水三日洪量不变。

3.1.3防洪控制点地区洪水组成计算

根据大清河流域现状及防洪要求，各控制点设计洪水有两种可能情况组合：①区间与控制点发生同频率洪水，上游水库为相应洪水；②上游水库与控制点发生同频率洪水，区间为相应洪水。第一种情况洪水组合对下游防洪最为不利，因此，本次洪水组成按洪水发生在区间、上游石门水库发生相应洪水计算，其中三道岭水库的集雨面积算到区间里。

根据流域控制点站天然设计洪水及各控制点站区间设计洪水成果[8]，经过相应计算，得出上游水库同频率相应洪水，分别对石门水库不同频率进行相应洪水调洪演算，得出上游水库相应洪水泄水过程线，经过错峰时段计算，再与下游各控制点站区间洪水过程线进行组合计算，即可得出各控制点站不同频率现状组合洪水。

3.1.4大清河设计洪水计算成果

大清河流域防洪控制点地区洪水组合成果见表6。

表6 大清河流域防洪控制点地区洪水组合成果表 单位：m3/s

3.2 大旱河设计洪水计算

干流洪水计算主要为各支流洪水错峰逐级组合[9]，形成各段洪峰流量值。按照逐级错峰计算，至大旱河口处洪水组合计算过程线成果见表7。

表7 大旱河口组合洪水

经计算，大旱河口20年一遇设计洪峰流量为1225m3/s。

3.3 大清河、大旱河洪峰遭遇情况

大清河、大旱河为两个相邻流域，大清河北支与大旱河口在距河口4.4km处汇合，两个流域按照同一场降雨形成洪水过程，并按照汇流、产流、洪水传播历时进行洪峰遭遇情况分析。

3.3.1山区汇流历时τ1计算

按照辽宁水文Ⅳ区进行计算τ1=X·(L/J0.5)Y，其中X=0.78，Y=0.71，L为计算河长，J为河床比降。

(1)大旱河上游淤泥河山区洪水汇流历时

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

(2)大清河白果以上山区洪水汇流历时

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

3.3.2洪水传播历时τ2计算

(1)大旱河洪水传播历时由表7中的计算成果知τ2=36.06-30=6.06h。

(2)大清河洪水传播历时即为由白果传播至下游南、北支分叉处的时间。

由表6可知，白果控制点20年、50年一遇组合洪峰传播至南、北支分叉口处的时间分别为4.9h、4.6h。

3.3.3洪水产流、传播总历时τ总计算

大旱河τ总=τ1+τ2=1.86+6.06=7.92h

大清河τ总20=τ1+τ2=9.59+4.9=14.49h

τ总50=τ1+τ2=9.59+4.6=14.19h

3.3.4大旱河、大清河洪峰错峰时间差计算

τ差20=大清河τ总20-大旱河τ总=14.49-7.92=6.57h

τ差50=大清河τ总50-大旱河τ总=14.19-7.92=6.27h

3.3.5大旱河、大清河错峰时间差合理性分析

2012年8月4日营口地区大旱河、大清河同期遭遇一场大洪水，两条河决口时间差约8h，说明两个流域洪峰同时遭遇的可能性不大，按照以上洪水产流、汇流、传播规律计算时间差值，两个洪峰按照6h错峰是比较合理的。

4 结语

两流域在地理位置、地形地貌及降水方面基本相似。经试算，大清河在5%洪水情况下，其南支过流量为1550m3/s，北支过流量为1430m3/s，南北支分流比约为5.4∶4.6。

大清河洪峰流量经南、北支分叉口分流后，北支分流量与大旱河口错峰6h的洪峰流量150m3/s相叠加，北支在大旱河口以后过流量为1580m3/s。

按上述方法继续向大清河上游推算水面线，至西海拦河闸下游断面对应P=5%水位为6.27m，P=2%水位为7.18m，均小于正在进行批复的拦河闸加固初设报告中同频率下游水位，即P=5%水位6.73m，P=2%水位7.55m。