辽宁省草河行洪能力分析研究.pdf

研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷北辽宁省草河行洪能力分析研究刘玉龙（辽宁省水利事务服务中心，沈阳110003）DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2023186摘要：对辽宁省草河流域基本情况进行梳理，通过水文计算对草河流域开展设计暴雨洪水分析；通过平面和横向演变，对草河河道演变趋势进行了分析；在总结现状堤防修建情况的基础上，对草河现状行洪能力进行复核，对堤防现状行洪能力进行分析，识别河流防洪薄弱环节；确定河流有关特征水位，提出河流防洪措施建议。关键词：行洪能力；薄弱环节；特征水位；河势演变；草河；辽宁省中图分类号：P731文献标识码：A文章编号：1673-9264（2024）03-76-05收稿日期：2023-05-11作者信息：刘玉龙，男，高级工程师，E-mail：。刘玉龙.辽宁省草河行洪能力分析研究J.中国防汛抗旱，2024，34（3）：76-80.LIU Yulong.Analysis and research on flood carrying capacity of Caohe River in Liaoning ProvinceJ.China Flood&Drought Management，2024，34（3）：76-80.（in Chinese）0 引言辽宁省已基本形成由大中型水利枢纽和堤防组成的防洪工程体系和由洪水预报预警、调度等手段组成的非工程措施，在防御大洪水中发挥了重要作用，但辽宁省主要河流仍存在防洪薄弱环节。开展中小河流行洪能力研究，分河段确定河道现状行洪能力、平滩流量、堤脚流量和警戒水位、保证水位等，识别河流薄弱环节，进而联合水库科学调度、充分发挥现有防洪工程体系的作用、形成较完备的防洪减灾决策体系是十分必要的。本文以辽宁省草河为例，分析其行洪能力，为中小河流流域系统治理和防汛工作提供支撑。1 基本情况草河是鸭绿江支流爱河的最大支流，发源于本溪县草河掌镇刘胡岭，流经草河城镇、弟兄山镇、刘家河镇、鸡冠山镇，在凤山乡小岭后附近纳金家河，在草河乡门家堡子附近纳南大河后，于草河乡花家堡子注入爱河，如图1所示。草河全长144.0 km，流域面积2 216.01 km2，整个流域形状呈上宽下窄的扇形。草河干流防洪保护区保护目标主要包括丹东凤城城市段、上游农村段、下游农村段，防洪体系以堤防、现状高地为主，干流现状堤防长18.19 km，防洪标准为10年一遇至30年一遇。草河流域在凤城市草河乡保卫村设有草河水文站，集水面积1 865 km2。2 设计暴雨洪水分析2.1 设计暴雨洪水分析思路和主要控制点本次设计暴雨洪水分析思路和基本假定。假定计算区图1 草河流域示意图76研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTMar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷域降水均匀分布；假定面降水与洪水同频；假定前期影响雨量为定数。草河流域干流水文站和主要控制点包括：头道沟汇入前断面、二道沟汇入前断面、郑家堡断面、张家堡断面、林东沟汇入前断面、五道岭沟汇入前断面、金家河汇入前断面、金家河汇入后断面、南大河汇入前断面、草河水文站及草河河口。2.2 设计面暴雨推求根据辽宁省降水特性分析，一次降雨过程持续时间多数为12 d，最长为3 d，大暴雨历时一般为24 h，故本次分析草河流域暴雨历时确定为24 h。本次设计面暴雨推求假定雨洪同频。防洪断面或区间24 h设计面暴雨采用 辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法 计算，即由等值线图查得降水参数，通过点面折减得到不同重现期的设计面暴雨。2.3 设计洪水推求草河流域暴雨发生在69月，大暴雨多在78月，造成草河暴雨的天气系统有台风、气旋（江淮、华北、黄海气旋）、副热带高压边缘的辐合扰动和高空槽等，特大暴雨往往由2种以上天气过程遭遇而成。草河为山区性河流，强烈而集中的暴雨会形成陡涨陡落的洪水过程。不同断面设计洪水推求方法不同，300 km2以下控制断面的设计洪水采用 辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法 及草河水文站面积比的2/3次方推求并进行对比分析，其他控制断面采用草河水文站面积比的2/3次方推求。2.4 不同量级降水对应的洪水推求已知各洪水频率（P）设计面暴雨及各重现期设计洪水成果，依据暴雨与洪水同频的假定，若某一量级的面降水在2个重现期面降水量之间，内插相邻重现期的洪水，得到不同量级降水对应的洪水，并记录不同量级降水对应的重现期。草河各断面设计洪水及流域设计面暴雨成果见表1、表2。断面头道沟断面二道沟断面郑家堡断面张家堡断面林东沟断面五道岭沟断面金家河汇入前金家河汇入后南大河断面草河水文站草河河口设计面暴雨面积/km212.032.6143.0268.0407.0573.0707.01 767.01 860.01 865.02 230.0不同洪水频率洪峰流量/（m3s-1）P=2%197.0384.01 027.01 564.02 065.02 594.02 986.05 499.05 689.05 700.06 422.0236.1P=3.3%175.0341.0913.01 390.01 835.02 305.02 654.04 887.05 055.05 065.05 706.0211.6P=5%147.0286.0766.01 166.01 540.01 934.02 227.04 100.04 242.04 250.04 788.0191.1P=10%110.0214.0572.0872.01 151.01 446.01 664.03 065.03 171.03 177.03 579.0156.9P=20%74.1144.0386.0588.0776.0975.01 123.02 067.02 139.02 143.02 414.0122.4P=50%31.260.9163.0248.0328.0411.0474.0872.0902.0904.01 018.076.3表1 草河各断面设计洪水流量成果表3 河势演变分析3.1 平面演变分析对2000年、2012年及2020年草河河道进行平面套绘，根据河道平面变化，分析草河的演变规律，并定性分析两河的演变趋势，如图2 所示。根据草河的平面演变特性可将草河自上游至下游大致分为2段：第1段为河源至凤城城区上边界，河弯众多，河道弯曲系数达1.9，河宽较窄，平均河宽约40 m。河道在山谷中穿行，两岸受山体约束，平面形态稳定。第2段为凤城城区上边界至河口，河道相对于上表2 草河流域设计暴雨成果表项目设计面暴雨频率P=2%236.1P=3.3%211.6P=5%191.1P=10%156.9P=20%122.4P=50%76.3mm77研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷游段较顺直，河道弯曲系数为1.2，河道有所拓宽，平均河宽约250 m。受两岸堤防及山体控制，河道平面摆动较小；2000年和2012年主槽平均宽度均约为 150 m，由于在河道内取料修建两岸城区段堤防，致使主槽拓宽，2020年主槽平均宽度拓宽至大约250 m。3.2 横向演变分析由于缺少草河历年河道大横断资料，无法进行河道横向套绘分析和纵向套绘分析，目前可以借鉴分析的资料仅有草河水文站的多年断面测量结果。将草河水文站的历年横断面进行套绘分析，草河水文站横断面河道横向无摆动，演变主要表现在纵向上，如图3所示。19852010年，河道主槽演变较小，演变主要为河道滩地的下切，1994年和2010年河道滩地较1985年下切了约0.6 m。3.3 河道演变趋势分析草河为典型的山区河道，河道在山谷中穿行，受两岸山体约束，河道平面演变很小。同时由于河床组成颗粒较大，抗冲刷能力强，加之拦河坝、漫水桥等拦跨河建筑物的存在使得草河河道的横纵向演变会进一步变缓。凤城城区段以下由于修建堤防取料造成主槽拓宽，河道演变受人为干扰较大，堤防现已建成，河道将会以缓慢回淤为主。总体上，草河河道演变缓慢，河势较为稳定。4 河道行洪能力分析4.1 现状行洪能力复核本次草河现状行洪能力复核计算范围为草河河源至河口，河长144.0 km；地形资料采用 2020 年实测的河道断面资料，计算采用横断面共 146 个；根据实地查勘，草河现状如图 4 所示，结合草河河床形态、河床组 成及河流弯曲情况，参考 水力计算手册，河道糙率取综合糙率 0.0280.032。本次行洪能力复核 2年一遇、5年一遇、10 年一遇、20 年一遇、30 年一遇、50 年一遇洪水设计流量，共计6个组合，水力计算上边界来流采用头道沟断面相应频率流量，下边界起点水位采用爱河、草河入汇口草河掌镇郑家堡草河城村夏家堡子陈家村张家堡凤城城区本溪县凤城市凤城市南大河砬子沟河草河金家河草河草河草河草河头道沟河套峪河四棵树河大庙沟河教家河杨家老堡河双泉寺河茨林子河南沟河河口2020年主槽2012年主槽2000年主槽县界堤防北图2 草河河道平面套绘图9598101104100020030040045035025015050累加距/m高程/m1985年1994年2010年图3 草河水文站横断面套绘图图4 草河河道现状图78研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTMar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷水位流量关系插值水位作为起点水位。计算方法采用一维恒定流数学模型计算，即 MIKE11河流模型（水动力学模型）。4.2 堤防行洪能力现状分析河源凤城城市段涉及本溪县和凤城市农村段，仅右岸弟兄山镇陈家村有一段堤防，堤长2 km，规划防洪标准为20年一遇，经复核，现状防洪标准不到5年一遇。其余无堤段规划防洪标准10年一遇，涉及村屯共80个，其中已达标村屯35个，未达标村屯45个。凤城城市段两岸现状均有堤防，主城区段规划防洪标准为30年一遇，其余段为20年一遇，堤防现状均已达标。凤城城市段河口规划防洪标准为10年一遇，左岸现状有连续堤防，右岸无堤，两岸均已达到规划防洪标准。草河行洪能力现状基本情况见表3，其中，左岸河源夏家堡子堤段、右岸河源陈家村堤段和教家滚水坝新民砬子沟堤段，因区间汇入支流较多，设计流量变化较大。岸别左右河段河源夏家堡子夏家堡子草河大桥草河大桥河口河源陈家村陈家村教家滚水坝教家滚水坝新民砬子沟新民砬子沟主城区上边界主城区段凤城城市段下边界河口防洪标准10年一遇20年一遇10年一遇10年一遇20年一遇10年一遇20年一遇30年一遇10年一遇设计流量/（m3s-1）1103 0654 2423 5791101 4461 9341 4463 0654 2425 0553 579堤防建设情况无有有无有无有有无警戒流量/（m3s-1）1 3001 5004001 3001 3001 500保证流量/（m3s-1）582 8574 2423 579611 2516064311 6024 2425 0553 579是否达标否是是否否否是是是表3 草河行洪能力现状基本情况表4.3 薄弱环节段分析根据草河行洪能力复核成果，草河防洪薄弱环节主要为草河右岸弟兄山镇陈家村段堤防。本段堤防堤长2 km，规划防洪标准为20年一遇，相应设计流量1 934 m3/s，经复核，由于下游拦河坝阻水，现状过流能力仅为606 m3/s，防洪标准不到5年一遇。同时，草河无堤段有45个村屯位置偏低，受洪水威胁严重。5 特征水位确定5.1 特征水位确定方法警戒水位按河段确定，通常不分岸别，主要参照岸滩情况及堤防状况确定。本次警戒水位综合考虑滩唇高程、堤脚高程和堤内滩地地面高程等因素，河段警戒水位采用80%断面上滩流量对应观测点的水位为河段警戒水位。保证水位确定方面，有堤段保证水位应为其堤顶高程减掉堤顶超高后的数值，无堤段保证水位应为滩地重要保护目标如居民区等地面高程减掉 0.5 m 波浪爬高后的数值。堤段保证水位应为其代表段堤防能够安全下泄的最小洪峰流量所对应的观测点处水位，即本堤段所有堤防在观测点超过此水位前均可保证其防洪安全。如果仅是某个断面所在位置较短、河段的堤顶高程不足，造成该断面保证流量小于设计值，由于可通过堤防养护、汛期抢险等措施提高该段行洪能力，因此不以该断面的保证流量作为该河段的保证流量。5.2 特征水位确定结果根据草河水力计算成果，得到各计算断面水位流量关系图，各观测点防汛特征水位及相应流量确定成果见表4。结合各断面实测断面资料，确定各断面警戒水位及对应流量，根据控制河段内各断面警戒流量成果，综合确定河段警戒流量，并利用此警戒流量反查观测点断面水位流量关系线，最终确定河段警戒水位。保证水位确定方法与警戒水位确定方法基本相同，区别在于河段保证流量应取该河段各计算断面的最小保证流量，进而反查观测点断面水位流量关系线，最终确定河段保证水位。注：“”表示不设置警戒流量。79研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Mar.2024 NO.3 VOL.342024年3月 第3期 第34卷6 结论与建议近年来，受气候变化等不利因素影响，中小河流流域降雨集中，暴雨洪水常发。应及时开展中小河流行洪能力分析，识别流域防洪薄弱环节，为流域系统治理和防汛工作提出有效措施。建议加快实施草河堤防欠高段加高培厚，提高流域防洪能力；补充建设水文基础设施，强化预报预警能力；对不达标村屯加强预警预报，加大巡查力度，及时组织临河居民撤离，确保安全。大洪水过后、河段防洪工程和河道地形发生较大变动后，要组织人员对河道防洪能力进行复核校正，保证防汛指挥决策数据准确。参考文献1 辽宁省水文水资源勘测局.辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法R.1999.2 耿延博.爱河行洪能力及“2021 07”暴雨洪水分析J.东北水利水电，2022，40（1）：50-53.3 徐世明.辽宁沈阳市区域沉降河道行洪能力分析J.中国防汛抗旱，2021，31（6）：64-66，70.4 周宇红.爱河流域水文特性分析J.城市道桥与防洪，2010（2）：61-62，9.5 李炜.水力计算手册（第二版）M.北京：中国水利水电出版社.2006.6 张利，石凤君，柴洁，等.河道现状行洪分析及防汛特征水位确定的探讨J.水利科技与经济，2013，19（12）：77-78.7 冯金鹏，王凯，殷丹，等.岫岩县大洋河行洪能力分析及洪水风险图研究J.水土保持应用技术，2017（3）：11-13.8 钱睿智，王永东，薛军，等.淮河入江水道新民滩控制线行洪能力变化分析J.中国防汛抗旱，2022，32（7）：58-60，65.9 吴晓东，刘炜伟，任晨曦，等.沂沭泗水系新沭河下段现状行洪能力分析J.中国防汛抗旱，2020，30（12）：39-43.编辑 田亚男行政区划本溪县凤城市观测点草河掌镇1号桥下向前桥下小塔子桥下草河（二）站河段河源本溪与凤城界本溪与凤城界五道岭沟五道岭沟凤城城区上边界凤城城区段（左岸全段、右岸主城区以上段）凤城市右岸主城区段凤城城区下边界河口岸别左右左右左右左右右左右河长/km52.3729.7845.463.571.868.75警戒水位/m55.0555.0555.05警戒流量/（m3s-1）1 3001 3001 300保证水位/m339.61164.40110.2058.1358.8657.18保证流量/（m3s-1）804315724 2505 0653 579表4 草河特征水位观测点及其对应特征水位成果表注：“”表示无堤河段不设置警戒水位和警戒流量，其保证水位和保证流量取所在村屯最低水位和最低流量。80