青川县竹园镇防洪堤基于“20090716”洪水的影响评估

张丽虹

(杭州市水利规划设计研究院，浙江杭州 310016)

1 流域概况

四川省青川县竹园镇防洪堤包括陈家坝、竹园坝、梁沙坝和史家坝四段，全长9.31 km，该工程是青川县灾后恢复重建的重点工程，是竹园镇及新区重要的基础设施之一.

“20090716”洪水是竹园镇历史罕见洪水，降雨持续时间长达57 h，洪水来势凶猛，由于竹园防洪堤正在建设中，尚未发挥防洪作用，造成竹园镇重大损失.竹园镇防洪堤调查洪水资料验证点少，原设计采用经验估算.通过“20090716”洪水对水利计算模型进行验证，利用本模型对原设计防洪堤进行影响评估，提出调整防洪标准后各防洪堤建设方案.

2 水文计算

四川省青川县属嘉陵江水系，清江河属于嘉陵江的二级支河，是境内第二条大河.河长204 km，流域面积为2 873 km2，其中青川县境内河流长154 km，河床平均比降5‰，流域面积为1 848 km2.青川县竹园镇位于清江河干流，竹园镇以上流域面积2 270 km2.

上寺水文站位于竹园镇上游，该站设立于1956年，流域面积为2 457 km2，是清江河唯一流量观测站.上寺站测到洪峰包含了雁门溪与清江河干流叠加后洪峰，竹园镇断面也位于雁门溪汇合口下游，从暴雨分布情况和实测调查洪水看，上寺站可以反映竹园镇的本次洪水情况.1981年7月13日洪水为上寺站建站以来的最大洪水，实测洪峰7 750 m3/s;2009年7月16日13:30洪峰流量为7 630 m3/s，属于历史次最大洪峰流量.

根据上寺水文站1957年来实测洪峰系列资料(缺测部分进行插补求得)，对1981年7月13日洪水进行特大值处理，并加入1945年的历史调查洪水成果组成不连续系列，进行频率计算求得上寺站各频率设计洪峰［1］.上寺站设计洪水成果见表1.据分析，“20090716”上寺站测到洪峰超过50年一遇.

表1 上寺站设计洪水成果表

根据“20090716”洪水各雨量站观测，从暴雨空间分布看，清江河流域6 h暴雨和24 h暴雨基本从流域上游向下游逐渐增大趋势，但至雁门镇后逐步开始向下游减小，大暴雨主要集中在雁门溪流域和乔庄河附近.“20090716”竹园镇洪水在较短时间内陡然增高，也是由于处于流域暴雨中心的雁门溪洪峰与清江河干流洪峰遭遇叠加造成.

查《四川省水文手册》该流域的年最大6 h均值在105 mm左右，24 h均值在150 mm左右，且此处短历时暴雨变差系数Cv较大.“20090716”最大24 h暴雨等值线图见图1.

图1 “20090716最大24 h暴雨等值线图”

3 水利计算模型

3.1 计算方法

以往山区性河道计算采用恒定流方法为多，精度难保证.非恒定流是自然界中流体运动最为普遍的形式，河道中的洪水推进、水库泄流等都是典型的非恒定流问题.非恒定流的运动要素随时间而变化，其运动规律较恒定流复杂.但非恒定流能较好反映沿程建筑物的影响，在洪水分析中具有需率定参数少、物理概念清晰、精度较高、处理手段灵活等优点.考虑到竹园镇河段建有铁路桥及堰坝，本段水利计算构建一维非恒定流数学模型.

非恒定流计算采用圣维南非稳定流偏微分方程组，用隐式差分法化为差分方程，再与河汊方程、边界条件及初始条件构成非线性方程，逐时段采用牛顿迭代及高斯列主元消去法求解，从而得出各计算断面的水位和流量过程［2］.

圣维南偏微分方程组为:

(1)式为连接性方程;(2)式为动力方程式中:B—水面宽;Z—水位;

Q—流量;q—单位长度旁侧入流;

V—断面平均流速;F—过水面积;

数学模型考虑了堰、闸、阻水桥梁，以及区间水量交换等因素，能适用于本流域干流中下游河段洪流演进的定量分析计算［3］.

3.2 计算范围

在竹园镇河段防洪水利计算中，确定黄沙坝至东坝段为本次分析计算河段，河段长度约15 km.共有2个边界，38个计算断面.上边界条件为竹园镇上游黄沙坝的流量过程，下边界条件为东坝断面水位.概化断面中含桥梁3座、堰坝2座，水利模型概化图见图2.

图2 水利模型概化图

3.3 验证计算

由于河道比降、河床形态、河道断面形式、河道上的各种建筑物等，都会对流域洪水演进产生影响，因而河道的概化以及参数的选定会影响到洪水演进计算成果.为了使洪水演进计算能较好地模拟流域水情，选择实测洪水进行模拟计算，验证洪流演进计算数学模型的准确性并确定模型的有关参数.验证洪水采用时间较近、较为典型的“20090716”特大洪水，同时取用不到5年一遇的“20090911”小洪水对计算参数进一步率定.“20090716”洪峰流量为7 270 m3/s，“20090911”洪峰流量为2 874 m3/s.

“20090716”特大洪水，竹园镇各区块基本都发生漫滩，而“20090911”洪水则全部归槽.地势较低的陈家坝、梁沙坝、史家坝均被淹，淹没水深一般达1～2.5 m.如杭州援建指挥部所在的陈家坝，最高洪水位(ZY31～ZY32断面)510.27 m ～510.92 m，该处地面高程为509.3 m左右，淹没水深达到1 m以上.

原计算参数的确定采用经验估算和实测验证相结合的方式确定.水利计算模型通过“20090716”率定，修正了相关参数.本河段上下游均属典型山区性河流，河坡陡峻，河底以砾石、卵石和少量漂石组成，部分河段基岩裸露，根据不同情况糙率率定为0.029 ～0.038［4］.经两场洪水分析，911 洪水计算参数相对716洪水要小，说明洪水归槽后糙率要比漫滩洪水小.竹园镇“20090716”水位验证计算结果见表2，竹园镇“20090911水位验证计算结果”见表3.

表2 竹园镇“20090716”水位验证计算成果 m

表3 竹园镇“20090911”水位验证计算成果 m

从验证成果看，计算水位与调查洪痕水位的误差10 cm以下的占90%以上，计算水位与调查洪痕水位几乎一致.结果表明计算采用的断面及参数基本能反映实际情况，模型是可靠适用的.

4 原设计防洪堤评估

青川县竹园镇防洪堤工程原设计标准为20年一遇.通过“20090716”洪水验证后模型计算得出的复核水位，对原设计防洪堤进行影响评估，规划水 位对比见图3.

图3 规划水位对比图

竹园坝包括老街与新街两段;竹园新街沿剑青公路布局，地面高程在510.8～514.0 m之间，高于20年一遇洪水位，竹园大桥下河滩地目前建筑分散杂乱，地势较低，平时滩地出露，大洪水时则成为行洪断面;竹园镇老街为目前水泥厂、火车站所在地，现状沿江路面地势低.镇区段原设计水位与本次复核水位基本一致，主要是竹园大桥和铁路桥水位雍高较严重，桥梁上游段300 m复核水位稍高于原设计水位.

梁沙坝面积较大，目前基本为农田，地势由西南向东北倾斜，约一半面积在500 m高程以下，原设计水位基本高于复核后20年一遇洪水位.

史家坝地块狭长，东靠山西临江，地面高程在495.2 m～499.2 m.由于史家坝临铁路桥区域弯道转角大，临桥段原设计水位稍低于复核后20年一遇洪水位，其余段均高于复核后20年一遇洪水位.

从各段防洪堤分析，原设计水位基本高于复核后20年一遇洪水位，低于50年一遇洪水位.原设计成果基本合理.

5 防洪堤调整方案

“20090716”洪水之后，考虑到竹园镇规划定位的重要性，对原设计需进一步提高标准，竹园镇防洪堤防洪标准确定为20年一遇设计、50年一遇不漫顶.

根据调整后设防标准，按20年一遇洪水位+0.7 m、50年一遇洪水位+0.15 m两者的高值确定堤顶高程，则仅需在原设计基础上加高堤防，其中陈家坝堤防整体加高0.50 m;竹园坝整体加高0.65 m;梁沙坝整体加高0.50 m;史家坝逐段加高，最大加高0.90 m，各堤段常加高度见图4.

图4 各提段需加高度图

6 结语

(1)山区性河道中如有底坡改变或有水工建筑物(如闸、坝、桥、涵洞)，可采取非恒定流进行计算，通过建立数学模型对河道洪水演进进行模拟计算.

(2)一维非恒定流数学模型建立过程中，需收集典型洪水进行验证计算，率定计算参数.竹园镇防洪堤水利计算模型选用20090716特大洪水和20090911小洪水进行验证计算，修正了原计算参数，计算水位与调查洪痕水位几乎一致，验证结果有良好的一致性，结果表明模型是可靠适用的.

(3)利用本模型对原设计防洪堤进行影响评估，原设计水位基本高于复核后20年一遇洪水位，低于50年一遇洪水位，原设计成果基本合理.

(4)基于“20090716”洪水影响，调整防洪标准至20年一遇设计、50年一遇不漫顶.根据调整后设防标准，仅需在原设计基础上加高堤防，其中史家坝最大加高0.90 m，其他堤防整体加高0.50～0.65 m.

［1］水利部长江水利委员会.SL278－2002水利水电工程水文计算规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1995.

［2］水利部长江水利委员会.SL104－95水利水电工程水文计算规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［3］赵克玉.天然河道一维非恒定流数学模型［J］.水资源与水工程学报，2004，15(1):38 －41.

［4］吴持恭.水力学［M］.北京:高等教育出版社，1991.