白云溪小流域 “16·07尼伯特”臺風暴雨洪水調查分析

2018-09-18 07:46:28呂小帥陳美丹劉光保

水力發電 2018年6期

呂小帥，陳美丹，劉光保

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

1 流域概況

永泰縣位于福建東部，福州西南部，東接閩侯、福清；西臨德化、尤溪；南接莆田、仙游；北與閩清相連。介于北緯25°39＇～26°05＇，東經118°23＇～119°12＇之間。發源于白云鄉樟洋村桃嶺的白云溪是清涼溪左岸一級支流，和漁溪在清涼鎮匯集，經永泰縣城所在地城峰鎮注入大樟溪。本次白云溪調查斷面位置以上流域面積60.5 km2，河長18.2 km，河床平均坡降2.49 %。

白云溪流域屬中亞熱帶，春秋長，夏冬短，氣候溫熱濕潤。流域多年平均降水量1 650 mm。影響流域洪水的主要天氣系統是鋒面雨和臺風雨。其中6月～9月臺風帶來的大暴雨，是造成本流域洪水的主要原因。根據氣象統計分析，1956年～2005年間永泰縣受臺風影響概率為92%，平均每年約3個臺風，5月～11月均有臺風影響，以7月～9月最多，占82.4%[1]。

2 暴雨洪水成因

2016年第1號臺風“尼伯特” 7月3日08時在美國關島以南的西北太平洋洋面上生成，7月5日加強為超強臺風；8日05時50分在臺灣省臺東沿海登陸；9日13時45分在石獅登陸(10級，25m/s，強熱帶風暴級)，后繼續向西北方向移動；10日03時在寧化縣境內減弱為熱帶低壓。其北側雨帶在福建制造了大范圍特大暴雨，福州閩清梅溪、永泰清涼溪上游出現大到特大暴雨。

該次熱帶氣旋在永泰縣東北區滯留約4 h，其中清涼溪流域降雨過程主要集中在9日07～11時。清涼溪流域的85%區域均在暴雨中心，且短歷時暴雨呈現從上游向下游遞減的趨勢。

為研究本次暴雨的降水過程，調查研究工作人員收集了清涼溪白云溪流域雨量站降水過程(見圖1)。由降水過程可看出，白云流域本次降水開始時間在7月9日2時左右， 13時左右結束。其中1、3、6 h降水均以北山為最大，分別為100.0、244.5、287.0 mm。

圖1 白云、北山、嶺下站7月8日～9日降水過程

3 無資料小流域洪水調查分析

清涼溪上除河口處設有太平口水文站，其支流漁溪、白云溪上均無實測水文資料。為確定白云溪調查斷面位置 “16·07”洪水的洪峰流量，依據有關規范，只能通過現場查勘、訪問、洪痕調查、實際斷面測量的方式推求洪峰流量。洪峰流量推算的河段示意見圖2。

圖2 洪峰流量推算的河段示意

3.1 洪痕調查

經實地查勘，在“16·07”洪水中，調查斷面上游嶺下攔水拱壩，壩頂大部分溢流表孔被沖毀(圖略)，壩址斷面洪痕高程197.28 m；上游樟梅水電站廠房被淹沒至二樓窗戶中間，據電廠廠長講述，“廠房全部進水，洪水攜帶的泥沙石塊在廠房中堆的很高，洪水來的快、大，把他的汽車也沖走了”。目前廠房的洪痕也還十分明顯(圖略)；調查斷面下游白云溪干流嶺下橋，為7孔拱橋，本次洪水造成3號橋墩被沖走，洪痕高程194.95 m。據橋邊農民岳昌開講述，“這么多年我家第一次被淹到，主要很多漂浮物把橋孔部分堵塞導致水漲的特別高，河道洪水漲至坎下30 cm的樣子”；根據58歲的電廠廠長、65歲的岳昌開、80歲的老農講述，他們幾十年來都沒有見過這么大的洪水。

3.2 堰流公式法

計算斷面上游有嶺下攔水拱壩，壩頂高程194.5 m，弧長為55.2 m，厚2.8 m，為自由溢流式壩。受“尼伯特”洪水影響，壩頂被沖出長約40 m，高1 m的口子。根據2016年8月的洪水調查，壩址位置的洪痕高程為197.28 m。

考慮未沖刷部分(堰頂長15.5 m)按照實用堰泄流能力計算，沖刷部分(堰頂長39.7 m)按照薄壁堰泄流能力計算，依據溢洪道、拱壩泄洪的相關規范[2- 3]，嶺下攔水壩的泄流能力計算如

(1)

式中，Q為過堰流量；B為溢流堰寬度；g為重力加速度；H為作用水頭；m1為流量系數；ε為側向收縮系數，取1； σm為淹沒系數，取1。計算嶺下壩斷面的泄流能力曲線如圖3，依據洪痕高程197.28 m推算洪峰流量為680 m3/s。

圖3 嶺下攔水壩泄流能力曲線

3.3 水力學曼寧公式法

采用水力學曼寧公式計算調查斷面位置的洪峰流量，計算公式為

(2)

式中，A為過流斷面面積；I為河道比降；R為水力半徑；n為糙率。調查斷面“16·07”洪痕為183.87 m，根據實測斷面計算對應洪痕下的過水面積為173 m2，進而推算出該斷面的洪峰流量為749 m3/s。

3.4 比降—面積法

根據實際調查情況，調查斷面所在河段洪痕明顯，斷面比較規整；因此，確定采用比降—面積法恒定非均勻流流量公式計算洪峰流量。即

(3)

(4)

式中，n為河道糙率；Am為比降中斷面水道斷面面積，m2；Ru、Rm、RL為比降上、中、下斷面的水力半徑，m。計算成果見表1。

表1 調查斷面位置洪水流量計算

由上述公式計算得出洪峰流量Qs=637 m3/s。

3.5 實測暴雨推理公式法

調查斷面位置的流域集水面積為60.5 km2，根據《福建省暴雨徑流查算圖表》[4]，對小于200 km2的流域，推薦采用推理公式推算洪水。根據集水區域以上流域內各雨量站的實測雨量資料，流域時段降水過程采用泰森多邊形方法求得，雨量站點采用流域內及附近的白云、北山、嶺下3個站。穩滲參考《福建省暴雨徑流查算圖表》的凈雨強度與穩定入滲相關表，取用4.5 mm/h。

推理公式洪峰流量計算公式

(5)

式中，Qm為洪峰流量，m3/s；h為造峰雨，mm；F為流域面積，km2；τ為匯流時間，h。

流域匯流時間

(6)

式中，L為河長，km；J為河道平均坡降；m2為匯流系數。

通過圖解法求解得調查斷面位置的洪峰流量為705 m3/s。

3.6 水量平衡法

調查斷面位置所在白云溪干流下游河段及北山支流上各有一座橋，在本次臺風洪水下，都有不同程度的橋梁雍水。本次通過橋梁雍水公式反推干、支流的洪水流量，并與推理公式法比較后確定干、支流洪水，然后按水量平衡法計算調查斷面流量。

白云溪干流下游河段有跨河7孔漿砌石實腹式拱橋(即嶺下橋)，橋面高程166.35 m，橋底板高程165.55 m。受本次臺風洪水影響，其中3號橋墩被洪水沖走，第2、3橋跨拱橋脫落，其他橋墩部分沖刷。調查橋址處洪痕高程165.60 m。

北山支流上有跨河單孔石拱橋(即青蘭橋)，橋面高程約195.59 m，橋底板高程194.10 m。本次洪水并未對其造成影響，調查橋址處洪痕高程為194.95 m。

通過實測嶺下橋、青蘭橋斷面，采用橋涵水位壅高公式試算相應洪峰流量，與推理公式法成果進行比較，從水量平衡角度分析推算調查斷面位置洪水成果如表2。

表2 各河段流量成果及水量平衡分析 m3/s

從表2可見，青蘭橋斷面兩種方法推算成果比較接近，相差10%左右，嶺下橋斷面兩方法成果差異較大。從清涼溪河口太平站 “16·07”實測最大流量1 560 m3/s來看，嶺下橋斷面梁雍水公式法成果偏大。因此，水量平衡法推算的調查斷面位置成果采用678 m3/s。

3.7 洪峰流量確定及重現期

上述5種方法的調查斷面位置受“尼伯特”臺風影響的洪峰流量成果匯總如表3所示。

由表3可知，調查斷面流量介于637～749 m3/s間，可初步判斷為700 m3/s左右。

白云溪匯入清涼溪后，清涼溪干流上設有太平口水文站，設立于1958年，控制集雨面積244 km2。本次太平口站實測到洪峰水位55.58 m，洪峰流量1 560 m3/s，是有實測資料記錄以來的第一大。福建省水文總站等單位對大樟溪流域主要測站河段曾進行過多次較為詳細的歷史洪水調查，根據洪水調查資料[5]，太平口站1877年、1909年、1934年3場歷史洪水，以1877年洪水(2 100 m3/s)最大，1909年洪水(1 570 m3/s)略大于1934年(1 460 m3/s)，與本次洪峰1 560 m3/s十分接近。

表3 各方法洪峰流量對比 m3/s

采用太平口站1958年～2016年歷年最大洪峰系列，1877年歷史洪水重現期按1877年以來的第1位考證，為重現期為140 a，1909年、2016年并列第2.5位，重現期56 a，1934年洪水重現期35 a。采用P-III型曲線進行頻率適線分析，計算太平口站年最大設計洪水成果。太平口站50年一遇設計洪峰1 530 m3/s，100年一遇設計洪峰1 780 m3/s。

太平口站2016年洪峰流量1 560m3/s，洪水重現期接近50年一遇。調查斷面河段，從洪水調查被訪問者的年齡來看，年齡介于55歲～80歲之間，均表述未見過這么大的水。因此可確定調查斷面位置“16·07”洪水的重現期在50～100 a之間，但更接近于50 a。