米脂縣無定河大橋防洪工程處洪水分析

姬保雄

（陜西省米脂縣水利水保工作隊(duì)，陜西 米脂 718199）

無定河發(fā)源于陜西省靖邊縣白于山北麓，全長(zhǎng)491.20 km，其中陜西省境內(nèi)長(zhǎng)385.20 km，總流域面積30261 km2。無定河繞米脂縣城而過，是米脂縣城防洪重點(diǎn)。為了提高縣城防洪能力，需建設(shè)無定河大橋防洪工程，區(qū)間有蘆河、黑木頭川、榆溪河、馬湖峪河、小川溝等較大支流匯入,工程以上流域面積為22885 km2。為確保地區(qū)防洪安全，提高區(qū)域防洪能力，需對(duì)無定河米脂縣城段洪水量級(jí)及上游王圪堵水庫(kù)調(diào)蓄影響進(jìn)行分析。

1 暴雨洪水特性

米脂縣屬溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降雨量350 mm～500 mm，年際變化大，年內(nèi)分布不均，暴雨多、強(qiáng)度大、有效利用率低。米脂縣無定河大橋防洪工程處洪水主要具有以下特征：洪水與暴雨關(guān)系密切，洪水常伴隨暴雨而來；局部洪水發(fā)生次數(shù)多，全流域洪水發(fā)生次數(shù)少。暴雨多發(fā)生在局部河段或個(gè)別支流上，產(chǎn)生局部洪水相對(duì)危害較小；全流域面積發(fā)生暴雨次數(shù)少，產(chǎn)生洪水危害大；洪水暴漲暴落，峰高量小，沿途消減快，一次大洪水漲落一般9 小時(shí)到5 天不等；最大洪峰發(fā)生在7 月～9 月，其中7 月、8 月最多，占其總次數(shù)的85%～90%。

2 參證站選定及洪水分析

2.1 參證站確定

米脂縣無定河大橋防洪工程上游55.3 km 處有趙石窯水文站，下游27.7 km 處有丁家溝水文站，兩站均屬于國(guó)家基本水文站網(wǎng)，水文資料可靠。趙石窯水文站建于1941 年8 月，基本斷面位于陜西省橫山縣趙石窯村，集水面積15325 km2，距河口距離212 km，有77 年的水文監(jiān)測(cè)資料。丁家溝水文站建于1958 年10 月，基本斷面位于陜西省綏德縣張家砭鄉(xiāng)丁家溝村，集水面積23422 km2，距河口距離129 km，有60 多年的水文監(jiān)測(cè)資料。

2.2 實(shí)測(cè)洪水系列分析

趙石窯、丁家溝水文站統(tǒng)計(jì)從建站以來至2010 年實(shí)測(cè)水文系列。趙石窯水文站1965 年有遷移，實(shí)測(cè)資料從1965 年開始統(tǒng)計(jì)。無定河上游20 世紀(jì)70 年代建成巴圖灣水庫(kù)、蘆河河口廟水庫(kù)等庫(kù)壩群，為了資料的一致性，本應(yīng)該進(jìn)行還原計(jì)算，但由于庫(kù)壩群對(duì)洪水影響的還原計(jì)算方法不夠成熟，還原精度難以保證，鑒于目前庫(kù)壩群布局已構(gòu)成一定規(guī)模，未來不會(huì)有大的變化，因此無定河干流上趙石窯、丁家溝站不再對(duì)洪水進(jìn)行還原計(jì)算，均采用20 世紀(jì)70 年代以后受庫(kù)壩群影響的實(shí)測(cè)洪水資料作為分析參證站不同頻率洪水依據(jù)。洪水計(jì)算統(tǒng)計(jì)各站的資料成果，均為整編刊印及審定的資料，其精度及可靠性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 歷史調(diào)查洪水分析

根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》等有關(guān)資料介紹，無定河趙石窯河段調(diào)查到的歷史洪水按大小排序?yàn)?1932 年 2240 m3/s 最大，1947 年 1830 m3/s 次之，再次為1942 年1150 m3/s。根據(jù)歷史洪水排位，1932 年洪水是1932 年以來的最大值，其重現(xiàn)期確定為79 年；1947 年洪水是1932 年以來的第2 大洪水，其重現(xiàn)期確定為40 年；1942年洪水是1932 年以來的第3 大洪水，其重現(xiàn)期確定為26 年。據(jù)調(diào)查考證，無定河丁家溝河段調(diào)查到的歷史洪水僅有1932年一場(chǎng)。1932 年洪水是1932 年以來的最大值，其重現(xiàn)期確定為79 年。

2.4 洪水頻率分析

根據(jù)趙石窯、丁家溝站受庫(kù)壩群影響后的洪水系列，按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44—2006）推薦的方法，以年最大值法選樣，并加入折算后的歷史調(diào)查洪水，按不連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計(jì)算，均值及變差系數(shù)Cv采用矩法計(jì)算，理論頻率偏態(tài)系數(shù)Cs按經(jīng)驗(yàn)取Cv的倍比通過適線確定。根據(jù)矩法計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，在適線中總的準(zhǔn)則是：盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的中心位置。若有困難時(shí)，側(cè)重考慮與上部和中部大水點(diǎn)據(jù)吻合。歷史洪水重現(xiàn)期有變動(dòng)范圍時(shí)，定線時(shí)作適當(dāng)考慮。經(jīng)過適線，求得無定河趙石窯、丁家溝站不同頻率洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1，頻率曲線見圖1、圖2。

圖1 趙石窯站洪峰流量頻率曲線

圖2 丁家溝站洪峰流量頻率曲線

無定河干流趙石窯、丁家溝站洪水頻率分析計(jì)算工作，因規(guī)劃和工程建設(shè)需要，以往進(jìn)行過多次。《無定河流域綜合規(guī)劃》中的洪水頻率分析計(jì)算成果通過了黃河水利委員會(huì)的審查，《榆林市無定河防洪治理工程可行性研究報(bào)告》（河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究，2012 年9 月）經(jīng)復(fù)核比較仍采用《規(guī)劃》方法和成果。本次計(jì)算成果與《規(guī)劃》成果對(duì)比情況見表1。

表1 無定河趙石窯、丁家溝站歷次洪水計(jì)算成果比較表單位：m3/s

由表1 可知，本次計(jì)算成果洪峰流量均值比《規(guī)劃》中成果稍大些，主要頻率設(shè)計(jì)值有增有減，相對(duì)離差均在5.1%以下；主要頻率設(shè)計(jì)值相差不多，結(jié)果基本一致，為了與已有成果保持一致，本次仍采用《規(guī)劃》中的設(shè)計(jì)洪水成果作為防洪工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 水庫(kù)調(diào)蓄影響及洪水組成分析

3.1 王圪堵水庫(kù)調(diào)蓄影響分析

工程上游有王圪堵水庫(kù)，所以洪水計(jì)算需要考慮王圪堵水庫(kù)調(diào)蓄影響。

（1）王圪堵水庫(kù)運(yùn)用方式。根據(jù)《陜西省榆林市王圪堵水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中調(diào)洪成果，王圪堵水庫(kù)100 年一遇入庫(kù)洪峰1308 m3/s，下泄量305 m3/s；50 年一遇入庫(kù)洪峰流量為1028 m3/s，下泄量 264 m3/s；20 年一遇入庫(kù)洪峰流量為 668 m3/s，下泄量228 m3/s；10 年一遇入庫(kù)洪峰流量為402 m3/s，下泄量220 m3/s；5 年一遇入庫(kù)洪峰流量為220 m3/s，下泄量214 m3/s。王圪堵水庫(kù)調(diào)蓄作用大，洪水出庫(kù)過程平穩(wěn)且最大出庫(kù)流量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（20 年一遇洪水出庫(kù)流量最大為230 m3/s，出庫(kù)過程200 m3/s 以上流量持續(xù)時(shí)間達(dá)24 h；10 年一遇出庫(kù)過程200 m3/s 以上流量持續(xù)時(shí)間達(dá)11 h）。

（2）王圪堵水庫(kù)影響后下游干流水文站設(shè)計(jì)洪水。王圪堵水庫(kù)以下的干流河段設(shè)計(jì)洪水組成均為同頻率地區(qū)組成法，即下游斷面與區(qū)間同頻率，王圪堵水庫(kù)以上相應(yīng)。王圪堵水庫(kù)至以下各控制斷面區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用水文比擬法，當(dāng)參證站和設(shè)計(jì)流域處于產(chǎn)匯流特性一致區(qū)時(shí)，洪峰流量面積指數(shù)取0.67。由于無定河流域地貌分河源梁墹區(qū)、風(fēng)沙區(qū)及黃土丘陵區(qū)三種類型，不同地貌的產(chǎn)匯流條件差別很大。不同流域地貌面積指數(shù)不同。

用干流王圪堵、趙石窯、丁家溝、白家川斷面設(shè)計(jì)洪峰，建立干流自上游往下游控制面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系，干流各控制斷面面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系較好，面積指數(shù)在1.35左右，面積指數(shù)大于1，說明隨面積增加，洪峰模數(shù)增大，洪峰量級(jí)增加比例大于面積增加比例，這與流域越往下游產(chǎn)匯流條件越好的洪水特性是一致的。通過計(jì)算白家川至丁家溝、白家川至趙石窯、白家川至巴圖灣三個(gè)區(qū)間的設(shè)計(jì)洪峰，來建立干流自下游往上游流域面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系，各區(qū)間面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系較好，面積指數(shù)約0.4。面積指數(shù)小于1，說明越往上游，隨面積增加，洪峰模數(shù)減小，這也是與實(shí)際情況相符的。通過計(jì)算丁家溝至趙石窯區(qū)間的設(shè)計(jì)洪峰，建立干流自下游往上游流域面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系，區(qū)間面積與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系較好，面積指數(shù)約0.4。結(jié)合干流水文站洪水，推求王圪堵水庫(kù)調(diào)洪后王圪堵至干流下游水文站區(qū)間設(shè)計(jì)洪水，結(jié)果見表2。根據(jù)王圪堵水庫(kù)調(diào)洪成果，得到王圪堵水庫(kù)影響后控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果表3。

表2 區(qū)間設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

表3 王圪堵水庫(kù)影響后控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果表單位：m3/s

3.2 防洪工程處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

無定河米脂縣城無定河大橋段有蘆河、黑木頭川、榆溪河、馬湖峪河、小川溝等較大支流匯入。根據(jù)區(qū)間支流匯入情況及洪水特性分析，本次以支流匯入口斷面作為控制斷面，各控制斷面設(shè)計(jì)洪水按水文比擬法推求。米脂縣無定河大橋防洪工程位于小川溝匯入口下游，其控制斷面采用匯入口下游處的鎮(zhèn)川堡斷面控制。鎮(zhèn)川堡斷面處設(shè)計(jì)洪水首先計(jì)算王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間流域設(shè)計(jì)洪水，再疊加王圪堵水庫(kù)調(diào)洪下泄流量，即得到王圪堵水庫(kù)影響后的鎮(zhèn)川堡斷面處設(shè)計(jì)洪水。其中王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間流域設(shè)計(jì)洪水以王圪堵～丁家溝區(qū)間流域設(shè)計(jì)洪水成果為參證站，采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Q工程處、Q參證站為分別為王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間、參證站王圪堵～丁家溝區(qū)間設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；F工程處、F參證站為分別為王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間、參證站王圪堵～丁家溝區(qū)間控制流域面積，km2，王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間流域面積為11780 km2，王圪堵～丁家溝區(qū)間流域面積為12671 km2；n 為水文比擬法面積指數(shù)，參證站丁家溝站位于鎮(zhèn)川堡斷面下游，面積指數(shù)采用分析確定的干流自下游往上游計(jì)算的面積指數(shù)0.4。

米脂縣無定河大橋處防洪工程處的設(shè)計(jì)洪水由鎮(zhèn)川堡斷面控制，直接采用鎮(zhèn)川堡斷面設(shè)計(jì)洪水成果。經(jīng)過計(jì)算，得到米脂縣無定河大橋防洪工程處的設(shè)計(jì)洪水成果，見表4。

表4 米脂縣城段防洪工程處不同頻率設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表單位：m3/s

4 結(jié)語(yǔ)

米脂縣無定河大橋防洪工程位于王圪堵水庫(kù)至白家川站之間，上游有王圪堵水庫(kù)進(jìn)行洪水調(diào)蓄，區(qū)間有蘆河、黑木頭川、榆溪河、馬湖峪河、小川溝等較大支流匯入，洪水組成關(guān)系復(fù)雜。經(jīng)過探討和調(diào)蓄計(jì)算，以支流匯入口鎮(zhèn)川堡斷面作為控制斷面，采用水文比擬法計(jì)算，得到米脂縣無定河大橋防洪工程處50 年一遇洪水為3500 m3/s，可供施工設(shè)計(jì)進(jìn)行參考。