清水川流域暴雨洪水特性與河道演變分析

張亞軍

（陜西省府谷縣防汛辦，陜西 府谷 719499）

清水川屬黃河右岸一級支流，發源于內蒙古準格爾旗烏拉烏素溝，在府谷縣哈鎮進入陜西省境內，流經趙五灣、哈鎮、清水、黃甫、海則廟5個鄉鎮，由西北向東南在沙堯則匯入黃河，河道全長77 km，全流域面積882.5 km2，在陜西境內面積為566.8 km2，河長47.0 km，河道比降4.96‰，流域內人口約4萬人。隨著近年來流域內的開發建設，涉河項目逐年增多，為了研究項目建設與河流的關系，確保項目順利建設，保護好生態河流，對清水川洪水特性與河道演變情況進行分析。

1 概況

1.1 工程概況

清水川流域內有小型庫壩147座，井216眼。目前設有兩段堤防。一段位于清水鎮的張市溝，長約100 m，為土石混合堤，設防標準為30年一遇；另一段位于清水鎮清水川工業園區，長4.0 km。結構形式為土石堤防，鋼筋混凝土防護，設防標準為50年一遇。其余河段無堤防。

1.2 水文資料

清水川流域只有設立于1976年6月的清水水文站，位于清水鎮清水村，控制流域面積735 km2，距河口16.0 km，為黃河水利委員會水文局設立的基本水文站；1996年基本站撤銷，變更為專用站，現有1986年～1999年、2003年～2009年21年實測徑流資料，1995年以后僅觀測7、8、9三個月流量；有1978年～1995年18年實測泥沙資料，1995年以后泥沙觀測停測；有1977年～2011年35年實測洪水資料。

清水水文站以上未建大中型水利工程，人類活動對清水水文站的洪水影響較小，點繪清水水文站1977年～2012年36年年最大洪峰流量歷時過程線圖和差積過程線，進行周期分析可知，清水水文站36年洪水系列中包含有大、中、小水和豐、平、枯時段的各種來水組合，其中洪水系列中包括了一個豐水和枯水時段，豐水時段為1977年～1982年、1988年～1989年，平水段為1990年～1998年，枯水時段為1999年～2011年，2012年又為豐水年，豐平枯交替出現。從點繪的年最大洪峰流量歷時過程線（圖1）可以看出，隨著系列的增加，洪峰流量的均值趨于穩定。因此，清水水文站實測洪水系列資料，代表性較好，水文資料滿足流域內涉水工程建設使用。

圖1 清水站逐年最大洪峰流量過程線

2 暴雨洪水特性分析

2.1 暴雨形成原因及特征

清水川位于黃河中游地區，處于青藏高原東部的西風帶內，影響本區域的大尺度天氣系統主要有西風帶系統和副熱帶高壓系統，夏季副熱帶高壓是最主要的影響因素，其強弱變化直接影響和控制著大范圍雨區的位置、走向、強度及范圍大小。而清水川恰是局部暴雨的中心。暴雨具有強度大、力時短、易產流等特征。

2.2 洪水特性

分析清水水文站1976年～1995年20年實測洪水資料，1996年～2012年為清水專用站報汛曲線推求洪水資料。洪水最早發生在5月，年最大洪水一般發生7月～8月,10月由于受連陰雨的影響，也有洪水發生，該站實測最大洪峰流量為2610 m3/s(1989年7月21日)；1996年變為專用站以來，實測最大洪峰流量1740 m3/s，發生在1996年。清水川為典型降水補給型河流，洪水由流域超滲產流暴雨形成，再加上黃土高原植被稀少，洪枯水流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點，從時間上看，一般發生在7月～9月，以7月～8月最為常見。由于流域地形破碎，溝壑縱橫、植被稀少，一遇暴雨極有利于產流、匯流，故常形成瘦尖洪峰。

2.3 歷史洪水調查

2012年，陜西省水文局對清水川歷史洪水進行了調查，從1976年設站以來的實測資料分析，發生2012年洪水以上量級的次數共5次。清水川流域洪水歷史洪水調查成果詳見表1。

表1 清水川流域洪水調查成果統計表

根據實地考察，在1989年清水川出現洪峰流量2610 m3/s，約為20年一遇的洪水，直接造成經濟損失約7000萬元；1996年清水川出現洪峰流量1790 m3/s，直接造成經濟損失約2100萬元。

2.4 洪水頻率分析

采用經驗公式法和皮爾遜Ⅲ型曲線法對清水川洪水頻率進行分析計算。

（1）經驗公式法

首先需要確定“特大洪水”及其重現期。經驗頻率采用連序樣本公式計算，即特大洪水

式中，a和b分別表示歷史洪水和實測系列中特大洪水的項數。多年平均最大洪峰流量由下式計算

由于抽樣誤差的存在，各參數的最終值尚要通過理論頻率曲線配線來確定。適線后，清水川洪水頻率分析成果見表2。

（2）皮爾遜Ⅲ型曲線法

清水水文站有1977年～2011年35年實測洪水資料，根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44—2006）推薦的方法，以年最大值法選樣，采用清水站1977年～2011年35年實測最大洪峰流量，采用獨立樣本法用數學期望公式計算經驗頻率，按矩法計算統計參數，采用皮爾遜Ⅲ型曲線線型，調整統計參數，目估適線。最后選取統計參數為（Cv=1.30，Cs/Cv=1.5，均值671 m3/s）的曲線頻率，計算成果見表2。

表2 清水站洪水不同頻率計算成果表

對兩種計算方法進行比較。經驗公式法在分析計算時將資料系列延長至2012年，客觀反映了該區域近十幾年枯水時期的實情，延長后的資料更具有代表性。出于安全考慮，采用經驗頻率公式法計算成果，作為清水水文站涉水工程不同頻率洪峰計算成果。

3 河道演變分析

3.1 水沙特性

清水川流域是一個多沙粗沙區，河道沖刷劇烈，水土流失嚴重，7月～8月輸沙量占全年輸沙量的89.77%，6月～9月為92.95%。輸沙量年際變化大，實測年最大輸沙量與最小輸沙量之比為18.79，含沙量高，多年平均含沙量為195.5 kg/m3，汛期含沙量更大，多年平均7月～8月含沙量為231kg/m3，最大可達1120kg/m3。年來沙量隨來水量的增加而加大，水沙比例不一致，一般沙峰與水峰同步。

3.2 河道歷史演變

從漫長的歷史過程來看，任何一條古老的河流都曾經經歷過多次巨大的變化，造成這種變動的一是地殼變動，二是全球性的氣候波動。清水川位于鄂爾多斯盆地外圍斷褶帶與盆地內部西傾大單斜構造的過渡地帶，斷裂構造不發育，未見活動性斷裂發育跡象：據調查本河段所在地質屬長期穩定地塊，河道歷史上未發生大的變遷。

3.3 河道近期演變

根據清水水文站多年洪水期斷面和流量資料，套繪清水水文站1979年、1981年6月30日、1981年7月21日、1989年、2012年5個典型洪水大斷面圖，從洪水中泓位置情況分析，1979年中泓位置在起點距47 m處，即主流偏左岸，1979至1981年6月期間沒有發生大的洪水，河床逐漸淤高但主流仍在左岸，1981年7月21日發生洪峰流量1560 m3/s大洪水后，中泓位置變到起點距145處，即主流變到右岸，與原河床比較沖刷1.3 m左右。1989年7月21日發生洪峰流量2610 m3/s實測最大大洪水后，左岸沖刷，右岸淤積，中泓位置又變回起點距36.1 m處，即主流又變到左岸。2012年右岸新修河堤后，主流偏向河道中間。從以上清水水文站大斷面變化情況分析，清水川下游河道洪水過后斷面均發生沖刷，從縱向上具有洪水沖刷、平水淤積，洪峰越大，沖刷深度越大的特點，但多年的沖淤情況趨于平衡。從橫向上主流具有左右擺動的特點，為游蕩性河床。縱觀本段河勢可以看出，主槽在平面上，在造床流量下基本上是穩定的。

3.4 河道演變趨勢

從河道演變的一般規律分析，山溪性河段總體演變趨勢是沖刷趨勢。從分析清水水文站斷面變化情況，基本能夠代表流域河道的變化發展趨勢。清水水文站觀測1976年以后連續觀測今，斷面位置沒有遷移，資料系列連續。根據清水水文站1977年～2012年的實測洪水資料，可以看出清水站斷面沖淤變化比較頻繁，在統計的26年里，較大的沖淤變化有5次。斷面沖淤變化的規律基本上是大水沖、小水淤，河床沖淤變化周期為2年～3年。根據清水水文站斷面近20年來河道主槽沖淤變化情況分析，該河段多年的沖淤情況趨于平衡。隨著新修河堤的建成，河道沖淤變化將越來越小，左右游蕩受到兩岸河堤的約束，平面形態相對更加穩定。

4 結論與建議

4.1 結論

經過分析可知，清水河暴雨洪水陡漲陡落，變化相差懸殊。特殊的地質地貌和急劇的沖刷，使得清水河河道泥沙沖淤隨著洪水量級變化而變化，從長遠趨勢來看，基本趨于平橫，變化不大。

4.2 建議

（1）完善防洪工程建設，哈鎮到鳳凰塔河段設防標準按20年一遇堤防建設；鳳凰塔到入河口（即清水川工業園區段）按100年一遇進行建設。

（2）通過建壩和修建泄洪渠道，將清水川水直接從鳳凰塔附近導入黃甫川，該方案實施后，基本解除下游清水川工業園區防洪壓力，同時可增加灘地近萬畝，對缺少耕地的府谷縣經濟發展是有利的。