近60年來長豐河河道演變規(guī)律研究及趨勢分析

王春陽

(甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 成縣 742500)

1 基本概況

長豐河[1]系嘉陵江一級支流，成縣城區(qū)以上稱為青泥河，以下為長豐河，發(fā)源于西秦嶺南麓的西和縣馬元鄉(xiāng)，流經(jīng)隴南市西和縣、天水市娘娘壩鎮(zhèn)，于隴南市徽縣胡廣店子村與麻沿河相遇，從成縣黃渚鄉(xiāng)三渡水村入境，穿越北部山林區(qū)，經(jīng)徽成盆地成縣城區(qū)，自成縣宋坪鄉(xiāng)馬家河村出甘肅境，到達陜西省略陽縣白水江鎮(zhèn)匯入嘉陵江。河流全長150.5 km，全流域面積1 800 km2。甘肅境內河流長88.3 km，占全長的58.7%。

成縣水文站始建于1958年，位于東經(jīng)105°45′18″，北緯33°43′32″，為長豐河、南河匯合后的控制站。集水面積1 502 km2，該斷面洪水主要由暴雨形成。為復式尖瘦型洪水過程。一般洪水持續(xù)2～3 d，屬陡漲陡落山溪性河流。下游300 m處有飛龍峽電站進水口，受電站進泄水閘門開閉和洪水漲落、斷面沖淤多種影響，Z～Q關系呈多條臨時曲線或繩套，中高水Z～Q關系基本穩(wěn)定。歷年水位流量關系曲線趨勢基本一致。流域內植被較好，泥沙相對不大，歷年單斷沙關系為單一線。測驗河段順直，河道呈寬淺“U”型河谷，河床質主要由礫石、卵石夾砂組成。由于今年來多為枯水年份，河道來水量、來沙量較小。

2 水文特征

長豐河徑流主要由降雨形成，具有年際變化較大、年內分配不均的特點。據(jù)成縣水文站1959-2019年共60年實測資料統(tǒng)計，多年平均徑流量為2.664億 m3,最大年徑流量6.812億 m3(1967年),最小年徑流量0.631億 m3(2002年),最大值和最小值分別為平均值的2.6倍和0.24倍；汛期5-10月徑流量約占年徑流量的77.7%,枯水期12-3月徑流量僅占年徑流的13.6%。歷年實測最大流量為1 300 m3/s(1964年7月21日)。

該流域地處南方水汽向甘肅省輸送的主要通道之內，是甘肅省內主要暴雨區(qū)之一，全省暴雨中心最大6 h雨量≥100 mm的十幾場暴雨中，實測最大值190.9 mm就發(fā)生在成縣。流域內洪水主要由暴雨形成，暴雨特性決定著洪水的特性。該流域的暴雨最早出現(xiàn)在4月，最遲到10月，但降雨總量和強度較大的暴雨一般發(fā)生在7-9月。暴雨有兩種形式：夏季為短時驟降的強雷陣雨，夏末初秋為連陰雨天氣過程中遇冷空氣加強雨量突然增大形成的暴雨，成災程度以后者為重。據(jù)有關氣象資料分析，歷史上最大的幾次暴雨，都出現(xiàn)于陰雨持續(xù)時段，降雨量可達250 mm左右，如1968年8月1-4日大暴雨，城關鎮(zhèn)255.3 mm,小川鎮(zhèn)226.0 mm,黃渚鎮(zhèn)248.4 mm。

流域的大洪水多發(fā)生在7-9月，據(jù)成縣站近60年的實測資料統(tǒng)計，年最大洪峰流量發(fā)生在7-9月的共有37場，占總場數(shù)78.6%,該流域洪水單峰居多，具有洪峰高，陡漲陡落的特點，總歷時一般為2 d。復式洪峰洪水總歷時一般為3 d，主峰歷時約為24 h左右，這種峰型的洪水極易造成嚴重災害。

暴雨對流域強烈的侵蝕作用產(chǎn)生大量泥沙，長豐河流域泥沙具有年際變化大、年內分配不均勻、河流泥沙多為懸移質的特點。據(jù)該站近45 a的實測懸移質泥沙資料統(tǒng)計，多年平均含沙量為3.09 kg/m3，多年平均懸移質年輸沙量為100.4萬 t，最大為563.6萬 t，最小為0.16萬 t,最大值為最小值的3 523倍，泥沙主要集中在汛期，其中6-9月輸沙量占年總量的84.0%, 11-3月輸沙量僅占年輸沙量的0.14%。

3 地質特征

場地鉆探資料顯示，河床至隔水底板之間，大體可分三個基本地層：最上部是以圓礫為主的潛水含水層，中間為淤泥質粉質粘土局部隔水層，下部是卵石承壓含水層，底部是由泥巖構成的隔水底板。主要結論：(1)場地上部第四紀沖、洪積層及基底的第三系泥巖中均未發(fā)現(xiàn)構造、斷裂現(xiàn)象存在，屬穩(wěn)定性場地，適宜進行工程建設；(2)場地地下水對混凝土結構無腐蝕性；(3)成縣抗震設防烈度為VI度，設計地震基本加速度值為0.2g,場地屬中軟土，場地類別為II類，屬對建筑物抗震有利地段；(4)成縣最大凍土深20 cm,場地上部土屬不凍脹土。在鉆探所達深度范圍內，各地層主要地質特征依次為：

1)圓礫Q42al+pl,呈次渾圓或亞圓狀，骨架顆粒成分以變質砂巖、灰?guī)r及石英為主，透水性較強，屬上部主要含水層，厚4.10～8.40 m。

2)中砂Q42al,土質均一，主要由長石、石英、云母礦物顆粒組成。層厚為1.20 m,埋深9.00 m。

3)淤泥質粉質粘土Q4al，土質較勻一，含蝸牛殼、云母片及較多植物腐根，透水性弱，為局部隔水層。層厚為3.80～7.30 m,埋深4.40～12.00 m。

4)卵石Q4al+pl，呈次渾圓狀，土質不均，以變質砂巖、板巖、灰?guī)r及石英巖為主，層厚6.70～7.50 m,埋深11.20～14.00 m.

5)強風化泥巖E,紅褐色，硬至堅硬，主要由粘土礦物組成，透水性弱，為該地區(qū)含水層的隔水底版，埋深18.40～18.70 m。

在勘察深度內場地存在兩層地下水，分別位于圓礫層和卵石層中，基本特征如下：

1)圓礫層：屬第四系孔隙水，埋深0.4～0.8 m,含水層厚度4.10～8.40 m,滲透系數(shù)86.1～103.3 m/d。主要受長豐河河河水、大氣降水和工農(nóng)業(yè)及生活排水補給。水位呈季節(jié)性變化，地表水與地下水交替十分強烈。地下水水化學類型為HCO3、SO4-Ca型水，pH值為7.46,礦化度389.00 mg/L。

2)卵石層：屬第四系孔隙承壓水，含水層厚度6.70～7.50 m,透水系數(shù)約100～120 m/d.地下水主要受長豐河河水、大氣降水補給。該層含水量大，水位也呈季節(jié)性變化。水位埋深11.20～14.0 m,揭穿后地下水水頭高出地面0.60～0.80 m。地下水水化學類型為HCO3-Ca型水，礦化度為316.00 mg/L。

4 河道演變歷史分析

為了能夠更加直觀的分析該河段歷史演變規(guī)律，本次套匯該站近20 a的大斷面圖(見圖1)，利用成縣水文站斷面變化特性進行分析，具有很強的代表性。按照規(guī)范的規(guī)定，通過分析成縣水文站斷面沖於變化來推測長豐河天然情況下的沖於變化可行的。大斷面沖淤變化計算表見表1。

圖1 成縣水文站1970-1990年大斷面套繪圖

表1 成縣水文站1970-1990年大斷面沖淤變化計算表

從表1看出，在這20 a間，該河段累計淤積面積為21.33 m2,占該時期年平均過水面積的6.77%,測驗河段主河槽略有淤積，河床整體變化很小，多年來比較穩(wěn)定。

5 河道近期演變規(guī)律分析

近年來，因河道內采砂船大量采砂，原有河床及河道形態(tài)遭到嚴重破壞，河床下切，形成沙丘和深潭，兩岸河堤基礎和一些橋梁基礎裸露，枯水期河水在沙丘間曲折穿行。利用成縣水文站2000-2019年實測資料，對天然情況下河道近期演變進行分析。套繪該站2000年、2005年和2008年、2012年、2015年、2019年實測大斷面資料，計算各年在歷史最高水位996.12 m下的過水斷面面積，見表2及圖2。

圖2 成縣水文站2000-2019年大斷面套繪圖

表2 成縣水文站2000-2019年大斷面沖淤變化計算表

從表2中看出，在2000-2019年間，2000-2005年是淤積狀態(tài)，2005-2015年是沖刷狀態(tài)，10 a累計沖刷面積為30.9 m2,2019年以后呈淤積狀態(tài)，淤積面積43.0 m2，2000-2008年沖刷面積2.08 m2，占平均過水面積的0.65%，2009-2019年多年淤積值為2.26 m2，淤積比例-12.2%。整體來說，沖刷和淤積變化不大，河床相對穩(wěn)定。天然情況下河道主河槽總體上呈沖淤交替變化，且變化面積不大，行洪能力基本不受影響，兩岸較為穩(wěn)定。但為保證河道斷面形態(tài)穩(wěn)定，應強化護岸、護坡、固灘等工程措施，及對兩岸沖淤的防護工程。

6 河道演變趨勢分析

6.1 趨勢分析

點繪該站多年平均流量變化趨勢圖，計算其線性回歸方程為y=-0.095 5x+198.06，年平均流量系列總體為逐年減小的趨勢[2],用坎德爾秩次相關法、斯波曼秩次相關法、線性趨勢回歸法[3]等三種方法對減小趨勢進行顯著性檢驗，年平均流量呈現(xiàn)逐年減小趨勢比較顯著，檢驗情況統(tǒng)計見表3，變化趨勢見圖3。

圖3 成縣站多年平均流量演變趨勢圖

表3 成縣水文站多年平均流量趨勢檢驗表

6.2 跳躍分析

有序聚類分析法能夠有效的判斷長系列資料跳躍量。按照有序聚類分析法的計算公式，將該站平均流量長系列資料依次帶入計算，識別出跳躍發(fā)生在1968年，從而確定該站多年平均流量屬兩個系列，其中1959-1968年屬同一系列；1969-2019年屬同一系列。按照計算結果得到跳躍前均值：13.0 m3/s,跳躍后均值：7.1 m3/s,跳躍量：-5.9 m3/s，并且取a=0.05對跳躍是否顯著進行了檢驗，跳躍點前后均值差異顯著，檢驗情況見表4。

表4 成縣水文站多年年平均流量跳躍檢驗表

7 結語

長豐河河道整體趨于穩(wěn)定，縱橫斷面變化不大。從河道近幾年的變化規(guī)律及趨勢分析來看，隨著多年平均流量的顯著減小，河道沖刷也在趨于減小，為該河段進行項目建設提供技術依據(jù)；由于長豐河洪水主要來源于上游暴雨，當汛期來臨時，洪水挾帶泥沙造成河道擁堵的現(xiàn)象時有發(fā)生。建議在必要情況下，應對河道進行不定期清淤。