白云溪小流域 “16·07尼伯特”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水調(diào)查分析

呂小帥，陳美丹，劉光保

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)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(jīng)118°23＇～119°12＇之間。發(fā)源于白云鄉(xiāng)樟洋村桃?guī)X的白云溪是清涼溪左岸一級(jí)支流，和漁溪在清涼鎮(zhèn)匯集，經(jīng)永泰縣城所在地城峰鎮(zhèn)注入大樟溪。本次白云溪調(diào)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?qū)僦衼啛釒В呵镩L，夏冬短，氣候溫?zé)釢駶櫋Ａ饔蚨嗄昶骄邓? 650 mm。影響流域洪水的主要天氣系統(tǒng)是鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨。其中6月～9月臺(tái)風(fēng)帶來的大暴雨，是造成本流域洪水的主要原因。根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)分析，1956年～2005年間永泰縣受臺(tái)風(fēng)影響概率為92%，平均每年約3個(gè)臺(tái)風(fēng)，5月～11月均有臺(tái)風(fēng)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(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特” 7月3日08時(shí)在美國關(guān)島以南的西北太平洋洋面上生成，7月5日加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；8日05時(shí)50分在臺(tái)灣省臺(tái)東沿海登陸；9日13時(shí)45分在石獅登陸(10級(jí)，25m/s，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí))，后繼續(xù)向西北方向移動(dòng)；10日03時(shí)在寧化縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓。其北側(cè)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(xiàn)大到特大暴雨。

該次熱帶氣旋在永泰縣東北區(qū)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(shí)。清涼溪流域的85%區(qū)域均在暴雨中心，且短歷時(shí)暴雨呈現(xiàn)從上游向下游遞減的趨勢(shì)。

為研究本次暴雨的降水過程，調(diào)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(shí)間在7月9日2時(shí)左右， 13時(shí)左右結(jié)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(diào)查分析

清涼溪上除河口處設(shè)有太平口水文站，其支流漁溪、白云溪上均無實(shí)測水文資料。為確定白云溪調(diào)查斷面位置 “16·07”洪水的洪峰流量，依據(jù)有關(guān)規(guī)范，只能通過現(xiàn)場查勘、訪問、洪痕調(diào)查、實(shí)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(diào)查

經(jīng)實(shí)地查勘，在“16·07”洪水中，調(diào)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(jù)電廠廠長講述，“廠房全部進(jìn)水，洪水?dāng)y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(diào)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(hào)橋墩被沖走，洪痕高程194.95 m。據(jù)橋邊農(nóng)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(dǎo)致水漲的特別高，河道洪水漲至坎下30 cm的樣子”；根據(jù)58歲的電廠廠長、65歲的岳昌開、80歲的老農(nóng)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(jì)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(jù)2016年8月的洪水調(diào)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(shí)用堰泄流能力計(jì)算，沖刷部分(堰頂長39.7 m)按照薄壁堰泄流能力計(jì)算，依據(jù)溢洪道、拱壩泄洪的相關(guān)規(guī)范[2- 3]，嶺下攔水壩的泄流能力計(jì)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(shù)；ε為側(cè)向收縮系數(shù)，取1； σm為淹沒系數(shù)，取1。計(jì)算嶺下壩斷面的泄流能力曲線如圖3，依據(jù)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(xué)曼寧公式法

采用水力學(xué)曼寧公式計(jì)算調(diào)查斷面位置的洪峰流量，計(jì)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(diào)查斷面“16·07”洪痕為183.87 m，根據(jù)實(shí)測斷面計(jì)算對(duì)應(yīng)洪痕下的過水面積為173 m2，進(jìn)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(jù)實(shí)際調(diào)查情況，調(diào)查斷面所在河段洪痕明顯，斷面比較規(guī)整；因此，確定采用比降—面積法恒定非均勻流流量公式計(jì)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(jì)算成果見表1。

表1 調(diào)查斷面位置洪水流量計(jì)算

由上述公式計(jì)算得出洪峰流量Qs=637 m3/s。

3.5 實(shí)測暴雨推理公式法

調(diào)查斷面位置的流域集水面積為60.5 km2，根據(jù)《福建省暴雨徑流查算圖表》[4]，對(duì)小于200 km2的流域，推薦采用推理公式推算洪水。根據(jù)集水區(qū)域以上流域內(nèi)各雨量站的實(shí)測雨量資料，流域時(shí)段降水過程采用泰森多邊形方法求得，雨量站點(diǎn)采用流域內(nèi)及附近的白云、北山、嶺下3個(gè)站。穩(wěn)滲參考《福建省暴雨徑流查算圖表》的凈雨強(qiáng)度與穩(wěn)定入滲相關(guān)表，取用4.5 mm/h。

推理公式洪峰流量計(jì)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(shí)間，h。

流域匯流時(shí)間

(6)

式中，L為河長，km；J為河道平均坡降；m2為匯流系數(shù)。

通過圖解法求解得調(diào)查斷面位置的洪峰流量為705 m3/s。

3.6 水量平衡法

調(diào)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(tái)風(fēng)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(jì)算調(diào)查斷面流量。

白云溪干流下游河段有跨河7孔漿砌石實(shí)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(tái)風(fēng)洪水影響，其中3號(hào)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(diào)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(duì)其造成影響，調(diào)查橋址處洪痕高程為194.95 m。

通過實(shí)測嶺下橋、青蘭橋斷面，采用橋涵水位壅高公式試算相應(yīng)洪峰流量，與推理公式法成果進(jìn)行比較，從水量平衡角度分析推算調(diào)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(shí)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(diào)查斷面位置成果采用678 m3/s。

3.7 洪峰流量確定及重現(xiàn)期

上述5種方法的調(diào)查斷面位置受“尼伯特”臺(tái)風(fēng)影響的洪峰流量成果匯總?cè)绫?所示。

由表3可知，調(diào)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(shè)有太平口水文站，設(shè)立于1958年，控制集雨面積244 km2。本次太平口站實(shí)測到洪峰水位55.58 m，洪峰流量1 560 m3/s，是有實(shí)測資料記錄以來的第一大。福建省水文總站等單位對(duì)大樟溪流域主要測站河段曾進(jìn)行過多次較為詳細(xì)的歷史洪水調(diào)查，根據(jù)洪水調(diào)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(duì)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(xiàn)期按1877年以來的第1位考證，為重現(xiàn)期為140 a，1909年、2016年并列第2.5位，重現(xiàn)期56 a，1934年洪水重現(xiàn)期35 a。采用P-III型曲線進(jìn)行頻率適線分析，計(jì)算太平口站年最大設(shè)計(jì)洪水成果。太平口站50年一遇設(shè)計(jì)洪峰1 530 m3/s，100年一遇設(shè)計(jì)洪峰1 780 m3/s。

太平口站2016年洪峰流量1 560m3/s，洪水重現(xiàn)期接近50年一遇。調(diào)查斷面河段，從洪水調(diào)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(diào)查斷面位置“16·07”洪水的重現(xiàn)期在50～100 a之間，但更接近于50 a。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)收集的“16·07”暴雨洪水水文資料調(diào)查分析得：本次暴雨特點(diǎn)是強(qiáng)度大、降雨量集中、暴雨地段集中，短歷時(shí)暴雨從上游向下游遞減趨勢(shì)明顯。受流域暴雨、地形及植被影響，洪水形成歷時(shí)短，洪峰大，陡漲緩落。突降的暴雨，陡漲的洪水使得本次“尼伯特”臺(tái)風(fēng)破壞影響嚴(yán)重。

通過分析洪水成因、推算洪峰流量、重現(xiàn)期等初步結(jié)論，可為流域防汛減災(zāi)、工程設(shè)計(jì)和建設(shè)等提供重要的參考價(jià)值；并建議增加山區(qū)小流域洪水的檢測設(shè)施，建立雨情、水情監(jiān)測站點(diǎn)及數(shù)據(jù)信息庫，提高對(duì)山區(qū)小流域洪水的防御能力和預(yù)警能力。