渭河支流金陵河县功水文站预警指标分析

邰高曦，甘 丹，由宇军

(陕西省水文水资源勘测中心，陕西 西安 710068)

1 流域概况

1.1 河流概况

金陵河属渭河左岸一级支流，发源于陇山山脉南部的陈仓区新街镇赵家山，河道干流长56.0 km，平均比降7.2‰，流域面积427.1 km2，其中县功镇以上流域面积为332.3 km2。流域属千陇黄土低山丘陵地带，沟壑纵横，山脉迂回，上游宽阔，下游较窄呈带状，具有以县功镇为颈的“扫帚”状特点。县功镇以上有司川河和北川河两条较大支流，流域多年平均输沙模数为2 000～5 000t/ km2·a，平均含沙量5～9 kg/m3。

1.2 气象水文

金陵河流域地处暖温带大陆性季风气候区，多年平均气温12.9℃，最高气温41.6℃，最低气温-13.9℃；多年平均年降水量700 mm，平均径流深181.2 mm，多年平均径流量6 100万m3，平均流量1.93 m3/s。流域多年平均蒸发量550 mm，平均干燥指数1.2。全年盛行西风，平均风速1.2 m/s。

1.3 测站概况

县功水文站位于宝鸡宝鸡市陈仓区县功镇街道，地处东经107°04′00″，北纬34°31′20″。断面以上控制流域面积340 km2，主河道长度30.7 km，河道平均比降17.4‰。测站河段左岸建有人工浆砌石河堤，工程防洪标准为20 a一遇洪水，堤防级别为4级。该站是金陵河流域干流控制站，测验项目包括水位、流量、雨量，为金陵河下游防汛提供科学决策依据。

1.4 防护对象

金陵河流域共涉及陇县八渡，陈仓区新街、县功，金台区金河，渭滨区金陵街道办事处等4个县(区)7乡镇，46个村委会，340个村民小组，总耕地13.2万亩，总人口约5.5万人。下游沿岸有厂矿企事业单位53户，总人口约3.3万人。在金陵河市区段，宝鸡峡引渭干渠18孔大渡槽东西跨越金陵河，渡槽全长240 m。陇海铁路复线大桥和宝十路、宝虢路大桥并行跨越金陵河。金陵河市区段沿岸有宝鸡卷烟厂、石油机械厂、宝鸡水泵厂等10多家重要厂矿企业，有马营、群众路、店子街、金陵等4个街道办事处和龙泉中学等20多个事业单位。

图1 县功水文站流域图

2 水文分析计算

本次县功水文站以上断面不同频率洪水确定分别采用推理公式法、瞬时单位线法、面积比拟法和经验公式法进行分析计算，通过分析结合金陵河已有设计洪水计算成果，最终合理确定不同频率洪峰流量。

2.1 暴雨推求设计洪水

暴雨推求洪水的方法，分别采用推理公式法和瞬时单位线法进行汇流计算，参考《宝鸡市水文实用手册》，分别分析计算县功水文站不同频率洪峰流量，成果见表1和表2。

表1 推理公式计算成果表

表2 瞬时单位线计算成果表

2.2 面积比拟法

金陵河流域内没有国家基本水文站，参考对比临近流域千河千阳水文站。千阳水文站设立于1964年1月，位于宝鸡市千阳县城关镇，地处东经107°08′、北纬34°38′，集水面积2 935 km2，距河口44.3 km。千阳站建站至今已有54 a实测径流、泥沙、洪水资料，实测最大洪峰流量2 160 m3/s(2010年)，最小18.3 m3/s(1997年)。

根据千河千阳站1972-2019年48年实测洪水资料，加入1907、1954年调查洪水洪峰按不连续系列进行频率计算，计算时作为特大值处理，应用下列公式计算：

PM=M/(N+1)

(1)

式中：PM为历史洪水重现期；M为历史洪水排序，这里指1907、1954年洪水；N为从调查期起算的不完全样本系列(1907-2019)。

实测系列的经验频率用下式计算：

pm=m/(n+1)

(2)

式中：pm为实测洪水重现期；m为实测系列中的排序；n为实测系列长度(1972-2019)。

计算结果与2014年千河防洪工程可研结果基本一致，比2000年千河可研计算结果稍偏大。由于本次计算系列延长至2019年，包含了2010年和2013年大洪水，并考虑了上游段家峡水库削峰的影响，其计算结果合理、可靠。千阳站洪峰流量频率计算成果采用本次计算值。利用千阳站实测流量计算成果进行面积比拟，见表3。

表3 面积比拟法计算成果表

2.3 经验公式法

按照《宝鸡市水文实用手册》，渭河以北地区经验公式如下：

Qp=0.009F0.742×J0.324×H6p1.301

(3)

式中：Qp为设计频率为P的洪峰流量(m3/s)；F为设计流域面积(km2)；J为主河道平均比降(‰)；H6p为设计频率为6 h的暴雨量(mm)。

经计算，县功水文站以上流域不同重现期洪峰流量见表4。

表4 经验公式法设计洪水计算成果表

2.4 频率计算成果的确定

上述暴雨推求设计洪水、面积比拟法、经验公式法三种法分别对县功水文站以上流域不同频率设计洪水进行了推求，见表5。

表5 设计洪水计算成果表

从表5可以看出，三种计算洪水的方法计算成果相差较大。设计暴雨推求设计洪水适用于面积范围在150～500 km2；经验公式法适用于面积范围在10～150 km2，10 km2以下计算成果供参考；面积比拟法适用于面积差不超过20%。暴雨推求设计洪水综合考虑了流域降雨、形状和地形等因素，具有较高的可信度，是设计洪水推求的常用方法。

将本次暴雨推求设计洪水推理公式法计算成果同“宝鸡市金台区金陵河重点段防洪工程”中寺沟村段、十八孔桥至宝十桥段洪水计算成果进行比较(见表6)，将寺沟段10 a一遇、十八孔桥至宝十桥段100 a一遇换算至县功断面分别为516 m3/s、1 380 m3/s，与本次计算洪水计算成果基本一致，本次洪水的计算成果基本合理。

表6 设计洪水计算成果对比表

3 预警指标的确定

3.1 预警流量

县功水文站断面下游金陵河重点防护对象包括：翟家坡村、玉池村、金河工业园区、金河尚居以及金陵河宝鸡市区段，目前这些河段均已建成人工浆砌石河堤，建设标准分别为10～100 a一遇。按照金陵河历史洪水情况和本地区防汛特征值，按照防洪工程有关规定和标准的要求，河道预警水位要低于防洪堤顶高程。

结合上下游防护对象、重点防汛区域、测验断面情况及近些年县功站洪水情况，县功镇河段现状堤防级别为5级，防洪能力为20 a一遇，本次预警流量参考县功站2 a一遇设计洪水流量205 m3/s，最终确定为200 m3/s。

3.2 预警水位

本测验河段基本顺直，上游500 m、下游250 m处各有一弯道，河段控制较好。河道右岸为无堤防河段，左岸建有人工浆砌石河堤，河道宽约45.0 m。河床由沙粒石组成，杂草丛生。

本次预警水位的确定采用宝鸡水文局2020年4月实测的县功水文站实测大断面进行推求，高程基准采用测站的85基准基面。大断面图2。

图2 县功水文站基本断面图

断面水位流量关系的计算采用明渠均匀流公式法计算。即根据实测的大断面资料，用均匀流曼宁公式计算水位流量关系：

(4)

式中：Q为过水断面流量(m3/s)；A为过水断面面积(m2)；n为河床糙率；R为过水断面水力半径(m)；I为水面比降(‰)。

过水断面面积A根据实测断面资料计算；比降采用实测枯水比降4.85‰、糙率选用0.040，县功水文站水位流量关系线见图3。

图3 县功水文站水位流量关系曲线图

依据上文确定的县功水文站预警流量为200 m3/s，推求县功水文站预警水位为725.53 m。

3.3 预警雨量

结合《山洪灾害分析评价技术要求》和《山洪灾害分析评价技术指南》技术规定中预警指标确定方法，按照金陵河流域特性及汇流时间、预警雨量按照3 h、6 h二种历时预警时段确定。预警雨量的推求，采用预警流量对应的同频雨量作为不同预警时段的临界雨量。

(1)假定流域前期降雨很少(土壤较干Pa=0.2Im)、中等(一般Pa=0.5Im)、很多(较湿Pa=0.8Im)三种情况下。计算三种土壤情况(较干、一般、较湿)下，不同频率(20%、10%、5%、2%、1%)设计洪水洪峰流量值。

(2)点绘三种不同土壤前期降雨情况下(较干、一般、较湿)多个频率(20%、10%、5%、2%、1%)设计洪峰值Qm，p与对应频率P的关系曲线Qm，p～P。

(3)根据预警流量在三种不同土壤前期降雨情况下(较干、一般、较湿)的Qm，p～P曲线上查出预警流量对应的频率，在预警雨量与预警流量同频率的假定下，认为该频率P就是预警雨量的频率P预。

(4)点绘不同时段多个频率雨量值与其相应频率的关系曲线，在不同时段暴雨频率曲线上查出对应于预警雨量频率P预的不同时段的雨量值。

确定县功水文站以上流域雨量预警指标为：较干：3 h雨量43.0 mm；6 h雨量49.0 mm；一般湿润：3 h雨量29.8 mm；6 h雨量34.1 mm；较湿3 h雨量26.0 mm；6 h雨量31.1 mm。

4 合理性分析

(1)参照金陵河历史洪水灾害：1937年8月8日，金陵河八里村同家崖断面洪峰流量达932 m3/s(调查值)。1988年8月8日，金陵河发生了历史罕见的特大暴雨洪水(“88·8”洪水)，洪水到达县功镇时洪峰流量为918 m3/s，由于下游沿河桥梁及垃圾场(堆)的阻水蓄洪溃坝，造成洪水进入市区时在宝平路收容所断面流量高达1 660 m3/s，宝十桥断面达1 150 m3/s。1996年7月27日凌晨，金陵河宝十桥洪峰流量615 m3/s。2010年8月1日，陈仓区县功镇降雨量接近100 mm，短时强降雨致使金陵河水暴涨，在县功镇段出现了540 m3/s的洪峰流量。本次确定了县功水文站预警流量200 m3/s基本是合理的。

(2)从县功水文站实测大断面图可知，该断面河堤高程728.24 m，高于初步确定的预警水位值2.69 m，高于本次计算的20 a一遇设计洪水位1.16 m，其对比分析结果见表7。

表7 堤防工程高程与预警水位对比分析表

由表7可知，县功水文站控制断面左岸堤顶高程与本次初步确定的预警水位差值为2.71 m，预警流量下洪水不会对堤防产生安全威胁。同时本次计算的堤防设计洪水位低于堤顶高程1.16 m也是合理的。

(3)参照相近流域千河千阳水文站警戒流量400 m3/s，其相应的频率为2～5 a一遇，因此县功水位站预警指标采用2 a一遇基本是合理的。

(4)县功水文站2017年建成运行以来，最大流量为2020年8月16日157 m3/s，未超过警戒流量。

5 结语

(1)本次县功水文站预警指标的分析工作，通过前期对流域基础资料、实测降雨长系列资料、历史洪水资料、已有设计洪水成果、山洪灾害等资料的收集基础上，通过实地流域踏勘及实测河段断面、比降等，采用多种方法计算分析的基础上，综合考虑历史洪水灾害等情况，科学合理的确定了县功水文站预警流量200 m3/s、预警水位725.53 m、预警雨量指标为：较干：3 h雨量43.0 mm；6 h雨量49.0 mm；一般湿润：3 h雨量29.8 mm；6 h雨量34.1 mm；较湿3 h雨量26.0 mm；6 h雨量31.1 mm。

(2)虽然县功水文站预警指标的确定采用了流域实测雨量资料，由于汇流参数随着近些年流域下垫面的变化以及人类活动、水利工程的影响可能存在偏差，同时由于河道冲淤变化较大，预警水位随着河段冲淤产生变化，造成洪水频率计算、预警雨量指标的确定存在一定误差，需在今后的工作中进一步深入研究金陵河产汇流规律演变，及时修正预警指标。