河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界設計洪水分析研究

曹均昌

（陜西省水利信息宣傳教育中心，陜西 西安 710004）

0 引言

陜西省以秦嶺為界南北河流分屬長江水系和黃河水系，主要河流有漢江、丹江、嘉陵江、黃河、渭河、涇河、洛河、無定河等。由于歷史原因大部分水利工程的管理范圍及保護范圍界限不清，為了落實“河長制”相關責任，根據(jù)陜西省《河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界技術指南（試行）》（陜水河湖發(fā)〔2019〕12 號）要求[1]，本文以紅柳河和新橋水庫為例就劃界過程中洪水分析計算進行探討。

1 流域及水利工程概況

1.1 河流水系及水利工程

紅柳河系黃河以及支流無定河的源頭河段。發(fā)源于白于山北麓，下游出省界進入內(nèi)蒙后即稱無定河，新橋水庫以上河道支流呈現(xiàn)葉脈狀，流域內(nèi)溝壑密布，除干流段外，支流均無常流水，新橋水庫以下至內(nèi)蒙古省界，干流兩岸無支流匯入。

紅柳河干流中段有新橋水庫，下段有金雞沙水庫。干流上段在支流中1962 年建成營盤山水庫，1980 年建成楊伏井水庫。紅柳河支流石窯溝，于1979 年建成水路畔水庫。支流八里莊溝，1978 年建成邊墻渠水庫。支流石拐子溝，20 世紀70 年代建成周灣水庫。

新橋水庫位于靖邊縣西北部無定河上游紅柳河干流上，距靖邊縣城40 km，是一座兼有防洪、攔泥、灌溉等多種任務的綜合利用水庫。水庫樞紐工程由大壩、放水洞和引洪渠等組成。新橋水庫控制流域面積1332 km2，減去上游支流五庫控制面積471 km2，控制區(qū)間流域面積861 km2。除險加固后，水庫正常蓄水位1371.65 m，設計洪水位1372.80 m，校核洪水位1374.85 m，壩頂高程1376.50 m，最大壩高47 m。

1.2 氣象

由于紅柳河流域位于毛烏素沙漠南緣地帶，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬季受西北利亞冷氣團控制，形成較強勁的西北季風，氣候嚴寒而干燥，夏季副熱帶高壓的西南和東南氣流受當?shù)匕子谏接绊懀沽饔蛟磪^(qū)降水量增加，而其他區(qū)域降水量相對稀少，當副熱帶高壓較強時，往往夏末初秋降水量增大，且多雷陣雨或局部暴雨。據(jù)統(tǒng)計，多年平均降水量424 mm，其中7 月～9 月降水量占全年降水量的74.3%，最大降水量744.6 mm（1964 年）和最小降水205 mm（1965 年）相差3.6 倍以上，最大日降水量150 mm（1977 年7 月6 日）。受毛烏素沙漠影響，流域內(nèi)晝夜溫差懸殊，流域內(nèi)年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫37.7℃（1966 年6 月21 日），極端最低氣溫-29.5℃（1975 年12 月12 日），年蒸發(fā)量1275 mm，無霜期130 d～146 d，最大風力10 級，歷年最大風速24 m/s，多年平均最大風速14.5 m/s，風向多為西北，多有沙暴、冰雹災害天氣，最大凍土深度1.06 m。年平均日照時數(shù)2760 h，光能潛力大。

2 設計洪水計算

2.1 暴雨洪水特性

紅柳河流域的洪水是由暴雨形成的，因而洪水與暴雨有著相同的特性，暴雨集中在7 月～9 月，暴雨過程歷時短，強度大，由此而形成的洪水亦在7 月～9 月，洪水來勢猛，峰型尖瘦，峰高量小。

2.2 設計洪水分析計算

設計洪水分析計算采用匯水面積相關法、地區(qū)綜合參數(shù)法和水文比擬法三種方法進行計算。由于劃界河段有支流加入，面積相差較大，將劃界河段劃分為5 段分別計算各段的設計洪水。各段河流特征值見表1。

表1 設計洪水計算斷面以上流域及河道特征值表

2.2.1 匯水面積相關法

根據(jù)《榆林地區(qū)實用水文手冊》中洪峰流量匯水面積相關法進行計算[2]，計算公式為：

式中：QN為重現(xiàn)期為N 的洪峰流量，m3/s；CN、n 為重現(xiàn)期為N的地理參數(shù)、指數(shù)；F 為匯水面積。

按黃土丘陵溝壑區(qū)，查《榆林地區(qū)實用水文手冊》中的洪峰流量—相關參數(shù)表（表6-9），計算結果見表2。

表2 匯水面積相關法計算的不同頻率洪峰流量表

2.2.2 地區(qū)綜合參數(shù)法

采用下式計算：

式中：QN為設計重現(xiàn)期為N 的洪峰流量，m3/s；H6為設計重現(xiàn)期為N 的設計流域6 h 面雨量，mm；f 為流域形狀系數(shù)，f=F/L2（F 流域面積、L 河長）；C、α、m、n 均為經(jīng)驗性參指數(shù)。

本公式適應范圍為流域面積小于1500 km2溝道。

由《榆林地區(qū)實用水文手冊》找出各頻率對應的c、α、m、n 值，并查6 h 均值圖和CV等值線圖，計算各設計頻率下的6 h 面雨量，將以上值代入公式，其計算參數(shù)和結果見表3。

表3 地區(qū)綜合參數(shù)法計算的不同頻率洪峰流量表

2.2.3 水文比擬法

（1）參證站洪水計算

青陽岔水文站位于陜西省靖邊縣青陽岔鄉(xiāng)青陽岔村，1958 年10 月21 日建站，由黃河水利委員會領導，控制流域面積586 km2。1971 年1 月1 日，重新測算，控制面積662 km2。2010 年10 月，斷面下遷34 km 到橫山縣石灣鎮(zhèn)石仁坪村，流域控制面積1260 km2。該站自建站以來實測水文資料齊全，目前收集到1959 年～2019 年連續(xù)61 a 實測水文資料，資料可靠。

①可靠性分析：青陽岔水文站屬國家基本水文站，自1958 年～2019 年具有連續(xù)61 a 實測洪水資料，成果均編入國家水文年鑒。該站測驗河段較順直，河床為沙卵石，沖淤變化大，測站控制條件良好。該站中、低水采用流速儀法測流，高水采用浮標測流，經(jīng)抽樣檢查，歷年洪水過程控制完整，測驗方法符合規(guī)范要求，浮標系數(shù)采用合理，年最大流量系列資料連續(xù)，洪水流量資料可靠。

②青陽岔站洪峰流量資料一致性處理：青陽岔站有1958 年～2019 年歷年實測年最大洪峰流量，2010 年10 月后斷面下遷34 km，集水面積增加到1260 km2，因此對2011 年后的年最大洪峰流量進行處理，采用面積比擬法（洪峰面積指數(shù)為2/3）計算，將2011 年后的實測資料還原成產(chǎn)洪面積為662 km2的洪水，與2010 年以前的資料系列相一致。

③代表性分析：青陽岔站1959 年～2019 年共有61 a 較長實測年最大洪峰流量資料系列，且包含有豐、平、枯水年，系列代表性好。

④青陽岔站洪峰流量系列特大值處理：青陽岔站河段歷史上未發(fā)生大洪水，但實測系列中1964 年、2017 年洪水明顯偏大，需要做特大值處理。據(jù)歷史調(diào)查洪水分析，2017 年8 月26日實測洪峰流量1200 m3/s（一致性還原前為1840 m3/s）是1897 年以來最大的一場洪水，1964 年7 月21 日實測洪峰流量1140 m3/s 為第二大河水，其調(diào)查期N=122 年，按《水利水電工程設計洪水頻率計算規(guī)范》（SL 44-2006）中的3.1.3-1 公式計算，該次洪水的經(jīng)驗頻率P1=0.008。實測系列n-2 個連續(xù)洪水的經(jīng)驗頻率按規(guī)范3.1.3-2 公式計算。

⑤青陽岔站洪峰流量系列頻率計算：通過還原計算，得到該站1959 年～2019 年61 年系列的洪水資料。將1970 年洪水按特大值處理，組成不連序系列。采用皮爾遜Ⅲ型曲線，應用頻率分析計算程序，按不連續(xù)系列參數(shù)計算公式，計算參數(shù)初始值，用離差平方和準則先進行參數(shù)優(yōu)化，再經(jīng)目估適線，適線時著重考慮曲線中、上部的較大洪水點據(jù)調(diào)整統(tǒng)計參數(shù)，計算成果見表4。頻率曲線見圖1。

圖1 青陽岔水文站洪峰流量頻率曲線圖

表4 青陽岔水文站不同頻率洪水成果表 單位：m3/s

⑥參證站成果合理性分析

將本次的計算成果與《新橋水庫除險加固初步設計報告》、《金雞沙水庫除險加固初步設計報告》中對青陽岔站洪峰頻率分析成果進行對比，見表5。本次設計流量值比較，小于前兩次的設計成果，由于劃界河段從新橋水庫大壩開始，新橋水庫除險加固設計洪水成果已經(jīng)水利廳批復，因此本次采用已批復的新橋水庫洪水成果作為本次劃界設計洪水計算成果。

（2）劃界河段洪水計算

劃界河段各控制斷面設計洪水以青陽岔作為參證站，按水文比擬法（洪峰面積指數(shù)為2/3）計算的設計洪水成果見表6。

2.2.4 設計斷面成果確定

本次劃界河段各控制斷面設計洪水，按以上三種計算方法進行了計算。從計算結果看出，匯水面積相關法偏小，地區(qū)綜合參數(shù)法偏大，面積比擬法適中。由于劃界河段從新橋水庫大壩開始，新橋水庫除險加固設計洪水成果采用成果為以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果，該成果為水利廳批復成果，因此采用以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果作為本次劃界設計洪水計算成果。各斷面設計洪水成果見表6。

表6 水文比擬法計算的不同頻率洪水成果表 單位：m3/s

3 設計洪水位

根據(jù)《河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界技術指南（試行）》（陜水河湖發(fā)〔2019〕12 號），新橋水庫庫區(qū)保護范圍按新橋水庫校核洪水位劃界，庫區(qū)以上按10 年一遇洪水位劃界。洪水位采用能量守恒方程計算水面線，起始水位由曼寧公式計算出，然后從下游往上游推算，即可得到劃界河段設計洪水位。

4 結語

本文通過匯水面積相關法、地區(qū)綜合參數(shù)法、水文比擬法三種方法對設計洪水進行了計算。最終新橋水庫除險加固設計洪水成果，即以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果。對于新橋水庫庫區(qū)按校核洪水位劃定，紅柳河段按10 年一遇洪水位劃定。