河東灌區清水溝水文特性分析

徐 明/水文水資源勘測局吳忠分局

河東灌區清水溝水文特性分析

徐 明/水文水資源勘測局吳忠分局

本文通過介紹清水溝的流域概況，分析區域水文氣象、河流水系水利工程及水文站點等實測水文資料，設計洪水分析計算和洪水位分析計算，為城市防洪、流域治理、水資源保護提供技術支持。

清水溝； 水文特性；技術支持

1、流域概況

清水溝為寧夏河東灌區吳忠市利通區較大的行洪排水溝道，發源于牛首山東麓東干渠北邊。上游有黃羊子溝、扁旦溝洪水經東干渠排入其中，由南向北經利通區高閘鄉、巴浪湖農場由吳忠市區穿過，至吳忠市利通區古城鎮新華橋村入黃河，全長26.5km。[1]主要排水支溝有左岸的清一至清七溝、牛毛湖溝，右岸的尹橋大溝、周閘大溝、貢碑溝、中檔子溝、閘板子湖溝及十五支溝等。清水溝主要接納31.4萬畝農田灌溉排水、渠道退水、灌區內暴雨產生的洪水、上游黃羊子溝、扁擔溝的洪水以及分布在沿清水溝兩岸中小企業和城鎮居民生活污水。

2、區域水文氣象

清水溝流域地處青銅峽河東灌區，為牛首山北麓，屬典型的大陸性氣候，干旱少雨，多年平均降水量不足200mm，多年平均水面蒸發量1200mm，干旱指數6.0。主要特點是：春旱多風，升溫快，蒸發量大；夏季炎熱，雨量集中；秋季短暫，降溫快；冬季干冷少雪；

全年日照時間長。太陽輻射強烈，多年平均日照時數2800～3200小時。年平均氣溫8.℃，無霜期平均167天，風大沙多是該流域主要災害性天氣，全年大風天數（超過八級大風）平均為3.5天，年平均沙暴日數為3.2天。大風多集中在1～4月份，占全年大風天數的63％，沙塵暴多發生在4、5月份，平均風速為2.4m/s，最大風速達18m/s。冬春季多盛行西北風和東北風，夏秋季多東南風。[2]

2.1 降水

清水溝流域多年平均降水量185.7mm（侯家橋雨量站），降水量年內分配很不均勻，主要集中在汛期6～9月，其降水量占年降水量的70％左右。

2.2 徑流

清水溝（新華橋水文站）實測多年平均（1958～2010年）排水量（包括天然徑流量）2.85億m3，實測多年平均流量9.04m3/s，實測最大流量（包括排水流量）88.0m3/s（2002年6月8日），最小流量為0（1976年4月1日）；最大年平均流量13.7m3/s（1970年），最小年平均流量4.84m3/s（2003年）。1975～2010年平均流量9.12m3/s，平均年排水量2.88億m3，2000～2010年平均流量6.6m3/s，平均年排水量2.08億m3。

2.3 水面蒸發

水面蒸發與日照、氣溫、濕度、風速及下墊面條件有關，它是反映蒸發能力的指標。流域多年平均水面蒸發量1200mm（E601型蒸發器），11月至次年3月為結冰期，水面蒸發量小，最小月出現在氣溫最低月的1、12月份，春季風大，氣溫回升，蒸發量增大，最大月蒸發量一般出現在5、6月份。區域干旱指數為6.3，為干旱區。

2.4 泥沙

清水溝排水中泥沙來源為山洪和渠道退水所攜帶泥沙，當有山洪加入時泥沙較大，灌溉期排水時泥沙較小，非灌溉期水清，含沙量為零。新華橋（清水溝）水文站實測多年平均含沙量月分配見表2-1。

表2 -1 新華橋（清水溝）站實測多年平均含沙量表單位：kg/m3

2.5 水質

清水溝除承擔排洪及農田排水外，同時也接納沿岸相關企業和城鎮生活綜合污水，這些廢污水的排入使清水溝的水質受到嚴重污染。

清水溝排水主要污染指標為氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、揮發酚和總磷。pH值年平均為7.7，電導天然水化學指標中氯化物年平均904mg/L，硫酸鹽年平均939mg/L，礦化度年平均3940mg/L，總硬度年平均1160mg/L。水質綜合評價為劣Ⅴ類，灌溉期水質明顯好于非灌溉期水質。

3、 河流水系、水利工程及水文站點

3.1 河流水系及水利工程

黃羊子溝流域建有黃羊子溝、澇池子溝、小洪溝滯洪水庫。黃羊子溝水庫位于牛首山東麓，始建于1971年，是一座防洪、保護流域生態平衡的綜合性?。?）型水庫。屬吳忠市利通區高閘鎮轄區，距鄉鎮府約15km。庫區控制流域面積21. 34km2，目前，由于庫區淤積嚴重，庫容不足62萬m3。壩體為均質土壩，壩體長度600m，壩頂高程1242.6m，最大壩高10.5m。壩體上設置一座

現澆鋼筋混凝土結構泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔圓形輸水涵洞組成。涵管直徑尺寸為1m，閘底高程為1237.6m。壩址以上無其它水利水保工程，水庫現狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標準。

小洪溝水庫位于牛首山東麓，始建于1971年，屬青銅峽市峽口鎮轄區，距鄉鎮府約25km。庫區控制流域面積8.12km2，是一座防洪、保護流域生態平衡的綜合性?。?）型水庫。由于庫區淤積嚴重，庫容不足30萬m3。壩體為均質土壩，壩體長度800m，壩頂高程1245.6m，最大壩高10.5m。壩體上設置一座現澆鋼筋混凝土結構泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1237.6m。壩址以上無其它水利水保工程，水庫現狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標準。

澇池子水庫位于牛首山東麓，始建于1971年，屬青銅峽市峽口鎮轄區，距鄉鎮府約25km。庫區控制流域面積16.18km2，是一座防洪、保護流域生態平衡的綜合性?。?）型水庫。由于庫區淤積嚴重，庫容不足34萬m3。壩體為均質土壩，壩體長度1000m，壩頂高程1241.6m，最大壩高10m。壩體上設置一座現澆鋼筋混凝土結構泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1235.9m。壩址以上無其它水利水保工程，水庫現狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標準。

扁擔溝水庫位于牛首山東麓，始建于1975年，屬吳忠市利通區扁擔溝鄉轄區，距鄉鎮府約20km。庫區控制流域面積48.4km2，是一座防洪、保護流域生態平衡的綜合性?。?）型水庫。由于庫區淤積嚴重，庫容不足95萬m3。壩體為均質土壩，壩體長度800m，壩頂高程1244.6m，最大壩高13m。壩體上設置一座現澆鋼筋混凝土結構泄洪建筑物，泄洪建筑物由泄洪閘和單孔矩形輸水涵洞組成。涵洞斷面尺寸2 m×2 m，閘底高程為1238.6m。壩址以上無其它水利水保工程，水庫現狀防洪能力為20年，小于部頒的200年防洪標準。

3.2 水文站點

寧夏水文水資源勘測局在清水溝設有新華橋水文站，自1958年設站觀測至今，測驗項目主要有水位、流量、泥沙、水質等，至今共有55年實測水文資料，該站距入黃口約8.0km。在區域設有侯家橋（1976年設立）、郭家橋（1956年設立）雨量站，觀測資料均在30年以上。

4、暴雨洪水特性

清水溝上游有黃羊子溝和扁擔溝，屬牛首山東麓。牛首山東麓山脈呈南北向，南高北低，山勢較緩，為黃土丘陵區，土層薄，植被稀少，多年平均降水量不足200mm，溝道匯水區域暴雨集中，山洪溝屬季節性河流，風化強烈，水土流失嚴重。

4.1 暴雨特性

區域局地暴雨頻繁，暴雨持續時間短、強度大，點面折減快。各年發生暴雨次數不等，暴雨一般集中在每年的6至9月，洪水隨暴雨而出現。暴雨7、8兩個月發生次數占全年的比重較大。

4.2 洪水特性

洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，反映出干旱地區暴雨洪水不均勻的特性。一般為單峰，復式洪峰較少。由于暴雨集中，產流面積小，歷時短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時一般在6h左右。

4.3 歷史洪水

清水溝新華橋站自1958年設站至今實測最大洪峰流量88.0 m3/s（2002年6月8日），次大87.3 m3/s（1970年8月1日）[3]。

5、設計洪水分析計算

清水溝新華橋站已有55年實測資料，根據實測資料用年最大流量進行頻率計算，根據黃羊溝滯洪區（1971年）、扁旦溝滯洪區（1971年）和山水溝退水閘（1975年）的建庫時間，按照3個資料系列進行計算，即1958～2010年、1971～2010年、1975～2010年，計算得相應頻率的洪峰流量見表5-1[4]。

表5 -1 新華橋水文站設計洪峰流量

從表5-1可以看出，不同資料系列，新華橋站P=5％、 P=3.3％ 、P=2％的設計洪峰流量差別不大，考慮到上游溝道攔洪工程的建設時間， 1975年以來實測資料系列能夠代表工程建成后的情況，實測資料已超過30年，也滿足水文計算的要求，因此，本次采用1975～2010年資料系列計算成果。

6、設計洪水位分析計算

新華橋水文站水位流量關系為單一曲線，實測最大流量為88.0m3/s，相應水位9.79m（2002年），中低水水位流量關系曲線采用實測水位流量點繪制，高水水位流量關系曲線采用曼寧公式進行復核延長，最終確定新華橋水文站斷面處的水位流量關系。

高水水位在采用相同的水面比降前提下，采用如下公式計算不同水位級的的面積、流速及流量。即：

式中：i ── 表示溝道不同部位；V ── 斷面平均流速(m/s)；Q ── 流量(m3/s)；J ── 水面比降（‰）；h ── 水深(m)；n── 糙率; B──斷面面積（m2）[5-6]

采用上述公式計算全斷面流量，主要是糙率n和比降J兩個關鍵因子的選取，本次計算比降根據實測斷面處上下500m水面比降為5.7/10000，糙率根據寧夏天然河流糙率表選為0.032。

根據實測斷面資料，計算10.00m、10.50 m水位下的面積、平均水深，用曼寧公式計算兩水位下流量分別是102 m3/s、126 m3/s。作為延長新華橋水文站水位流量關系的依據。

通過分析計算，不同重現期相應設計水位見表6-1

表6 -1 新華橋水文站斷面相應設計成果表

7、黃河水位對清水溝的影響

跨清水溝新渠渡槽據黃河入口2.7km，現狀情況下新渠渡槽處清水溝水位1114.85m，黃河水位1114.54m，水位落差0.31m，當黃河水位達到1114.85m時，受回水影響，新渠渡槽至入黃口河段就發生黃河水倒流，黃河泥沙對河段造成淤積，影響行洪能力。

8、結論

通過分析計算，得出不同重現期設計流量及相應設計水位等水文特性參數，為吳忠市城市防洪、溝道治理設計、水資源合理利用、水環境監測、水土保持研究以及社會經濟建設提供了有力的技術支持。

表8 -1 新華橋水文站斷面相應設計成果表

[1]馮平，李碩，劉賽光.寧夏回族自治區水文特性[J].水文，2001，21（3）：53-55.

[2]寧夏水文手冊.寧夏回族自治區水文總站1979.8

[3]寧夏回族自治區洪水調查匯編.寧夏回族自治區水文總站1980.6.

[4]章四龍.洪水預報系統關鍵技術研究與實踐[M].第1版.中國水利水電出版社，2006.

[5]陳元芳，鐘平安，李國芳，王棟.工程水文及水利計算[M].北京：中國水利水電出版社.

[6]詹道江，葉守澤.工程水文學[M]. 北京：中國水利水電出版社.