渭河下游河槽過洪能力數(shù)值計算推求方法探討

◎梁林江 石長偉

渭河“03”、“05”洪水后，渭河下游河道條件發(fā)生了較大的變化，主槽和灘地沖淤變化很大，河槽過洪能力普遍增大。而且隨著防汛搶險行政首長負(fù)責(zé)制的實施和落實，越來越多非專業(yè)人士直接參與到防汛搶險工作中。因此，探索數(shù)值分析計算推求渭河下游各河段河槽過洪能力，提供使用方便、技術(shù)可靠的方法，對防汛搶險工作有著重要的意義。

1 渭河下游水文站近年來河槽過洪能力分析

由于渭河下游咸陽～涇河口段心灘發(fā)育、河道分汊，有多股水流，涇河口以下河段曲流十分發(fā)育，系典型的自由曲流，主槽寬度比較一致，平水期河寬約300m～500m，曲流擺幅約為河寬的7～10倍，一般2000m～5000m不等[1]。因此，本文僅對渭河下游涇河口以下主槽單一的臨潼、華縣河段進(jìn)行分析論證。

1.1 各水文站2003年～2005年灘面高程變化

根據(jù)渭河下游2003年～2005年實測汛前汛后大斷面確定臨潼、華縣站灘面高程。2003年秋汛洪水過程全河段灘面淤積抬升，咸陽、臨潼、華縣站灘面分別抬升 0.50m、0.20m、0.30m；2004年洪水未漫灘；而2005年洪水過程中由于洪水含沙量低，盡管全面漫灘，但灘面沒有明顯淤高。

1.2 渭河下游水文站水位～流量關(guān)系確定

由于2004年渭河下游臨潼、華縣站最大流量僅為 1240m3/s、1050m3/s，所以不確定2004年臨潼、華縣站水位～流量關(guān)系。2003年、2005年各站水位流量關(guān)系分析表明，2003年各水文站汛后水位～流量關(guān)系一般較汛前平行下移，表明汛期河槽均有一定程度的的沖刷下降；渭河下游1000m3/s、2000m3/s、3000m3/s臨潼水文站的水位汛后較汛前分別下降 0.65m、0.50m、0.35m，華縣水文站水位汛后較汛前分別下降1.7m、1.45m、0.95m。可見，“03”洪水中華縣河段沖刷最為劇烈，而臨潼河段沖刷相對較少，呈現(xiàn)“下沖多、上沖少”的特點。2003年汛后臨潼、華縣水文站河道主槽斷面面積較汛前分別增大41m2、443m2，這一變化趨勢變化充分顯示了這一特點。

2005年臨潼、華縣站水位流量關(guān)系變化不大，但變化趨勢仍為沖刷降低。2005年汛后臨潼、華縣水文站河道主槽斷面面積較汛前分別增大99m2、208m2，主槽斷面面積變化都略有增大充分表明了“05”洪水過程河道主槽是沖刷的[2]。

1.3 各站主槽過洪能力確定

根據(jù)歷年臨潼、華縣水文站灘面高程，以及擬定的各站水位～流量關(guān)系分析確定各站河槽過洪能力，2003年汛后臨潼、華縣河槽過洪能力分別比汛前增大600m3/s、1220m3/s。2005年汛前臨潼站比2003年汛后增大50m3/s，華縣站主槽近洪能力增大30m3/s，變化較小。

2 典型斷面河槽水力因子變化

從渭河下游各河段過洪能力及河道特性，以及支流匯入情況考慮，可以把渭河下游涇河口以下部分劃分為兩個河段：高陵～臨潼河段和臨渭～華縣（或稱渭南以下）河段。

各河段選擇灘槽明顯，具有代表性的典型斷面進(jìn)行分析。經(jīng)分析比較，高陵～臨潼河段以臨潼站、渭淤17為典型斷面，渭南以下河段以華縣站、渭淤3為典型斷面。分析表明：2003年汛后各斷面面積普遍增大 41m2～1288m2，最大渭攔7增大 1288m2，其次為渭淤 17、華縣站，臨潼站增加較小，僅為41m2。河槽展寬17m～191m，渭攔 7水面寬增加最多為191m，其次為華縣站。平均水深最大為渭淤3斷面2.82m。河相系數(shù)變小，說明河槽展寬刷深。2004年汛前與2003年汛后相比，河槽面積略有減小，河槽寬度有增有減，但變化不大。2004年汛后與汛前相比，河槽面積有增有減，河槽寬基本未變。2005年汛前與2004年汛后相比，華縣站河槽面積減小 492m2，渭淤 3、17斷面有所增加，臨潼站變化不大，華縣站河槽寬減小11m。

3 典型斷面水力因素與過洪能力關(guān)系

3.1 公式的推求

為了方便防汛人員的使用，本次擬用率定公式法直接推求典型斷面的過洪能力。公式推導(dǎo)如下：

其中：A斷面過水面積；V為斷面平均流速；R為斷面水力半徑；J為河段主槽平槽時水面比降；n為河段主槽糙率。

對河道河型和主槽形態(tài)大體一致的較短河段來說，其主槽糙率n值的變化很小，而主槽水面比降J對于一段較短河長來說變化也很小。即對河型一致、主槽形態(tài)大體一致的較短河段的主槽來說J1/2/n接近于一個無量綱常數(shù)K。因此，為了數(shù)值計算推求主槽過洪能力，對于河型、主槽形態(tài)和河床組成基本一致的較短河段的主槽過洪能力可由下式求得：

其中常系數(shù)K可由各水文站實測流量進(jìn)行率定，C為修正常數(shù)。

3.2 不同河段常系數(shù)K的率定

根據(jù)臨潼、華縣水文站2003～2005年實測流量成果，取各站水位接近平槽時的實測流量成果，點繪臨潼、華縣站流量Q與AR2/3關(guān)系進(jìn)行K值率定（見圖1，2）。從圖中看出，臨潼、華縣站實測流量與過水面積和平均水深（AR2/3）的相關(guān)關(guān)系很好，相關(guān)系數(shù)分別為R臨=0.86、R華=0.81；這充分說明前述分析中把J1/2/n概化為一個常數(shù)，在理論上是合理的，在實踐上正確可行的。

由圖1，2可以確定臨潼站K臨=0.5774、C臨=665.71，華縣站 K華=0.4787、C華=557.45，臨潼、華縣河段平槽時主槽的過洪能力可分別用下式計算：

其中：Q臨、Q華分別為臨潼、華縣斷面主槽過洪能力；其余符號意義同前。

3.3 臨潼、華縣河段過洪能力的驗證

由上述公式對2000年～2005年臨潼華縣的過洪能力進(jìn)行計算，求得該河段的主槽過洪能力，并與常規(guī)水位～流量關(guān)系圖解法求得的主槽過洪能力進(jìn)行比較。比較結(jié)果表明，一般情況下兩者相差小于15%，可以用來初步快速估算河段主槽的過洪能力。

3.4 各典型斷面過洪能力的推求

各典型斷面過洪能力依據(jù)上述公式推求，臨潼河段其它斷面用臨潼斷面公式⑶計算，華縣河段其它斷面用華縣斷面公式⑷計算，計算成果見表1。可以看出，同一河段由于受河灣和測量斷面與河道軸線交角的影響，相似河段不同斷面主槽過洪能力有一定變化，這是與水位～流量關(guān)系圖解法不同的。水位～流量關(guān)系圖解法由于做圖時參考了上下游斷面，推求的同一河段不同斷面主槽過洪能力基本相同，不能客觀反映不同斷面之間區(qū)別，但本次公式法顯示的差異，正是考慮和反映了斷面不同特點，克服了圖解法的不足。

表1 2005年臨潼、華縣河段典型斷面過洪能力計算成果表

表2 2006年臨潼、華縣河段典型斷面過洪能力估算成果表

4 2006年河槽過洪能力預(yù)估

統(tǒng)計分析2000年以來斷面非汛期斷面變化情況表明，在考慮河勢演變導(dǎo)致河勢與測量斷面交角變化的影響后，各年度非汛期斷面面積變化很小，一般在75m2以內(nèi)。因此，可以用2005年汛后斷面測量資料對2006年斷面變化及沖淤情況時行分析預(yù)估。

根據(jù)2000年以來斷面非汛期變化范圍，初步估算臨潼、華縣斷面2006年度非汛期斷面面積分別為 1598m2、1428m2。在估算斷面變化的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述公式⑶、⑷對相應(yīng)河段2006年各斷面主槽過洪能力進(jìn)行估算，估算成果見表2。

臨潼河段渭淤26、臨潼斷面、渭淤22斷面過洪能力分別為 3340m3/s、2910m3/s、3700m3/s，華縣河段渭淤 17、華縣斷面、渭淤3、渭攔7斷面過洪能力分別為 3830m3/s、2400m3/s、1590m3/s、2350m3/s。

由表2各典型斷面計算值為依據(jù)，結(jié)合實地查勘的河道具體情況，綜合分析認(rèn)為，2006年汛前臨潼、華縣河段主槽過洪能力分別為3500m3/s、2550m3/s。

5 結(jié)論與建議

⑴本次用常規(guī)的水位～流量圖解法和公式法對臨潼、華縣兩個斷面主槽過洪能力進(jìn)行了分析，并提出了基于圖解的公式法推求斷面主槽過洪能力的依據(jù)和公式，公式經(jīng)驗證有較好的適用性，可以用于生產(chǎn)實踐。

⑵由于本次公式推求有探索性質(zhì)，所用資料年限較少，為進(jìn)一步論證其可靠性和適用性，應(yīng)安排進(jìn)一步進(jìn)行深入研究，以期在庫區(qū)防汛工作中廣泛應(yīng)用。

⑶經(jīng)推求2006年臨潼、華縣河段主槽過洪能力分別為3550m3/s、2550m3/s。

⑷加強(qiáng)河道沖淤變化觀測，當(dāng)河道發(fā)生較大沖淤時應(yīng)及時對主槽過洪能力進(jìn)行分析和修正，以更好地指導(dǎo)防汛工作。陜西水利

[1]渭河下游曲流成因及其發(fā)展趨勢，中國科學(xué)院地理所，1964.3。

[2]石長偉等，渭河下游“05.10”洪水特性及其分析，2006.5.30。