神木市呼家溝設計洪水計算分析

魏于茜，張澤文

（陜西水環境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710018）

1 流域概況

呼家溝為窟野河左岸一級支流,黃河二級支流,發源于陜西省神木市永興一帶,自東向西流經常梁村、散岔村、沙灣村、呼家臺村,在呼家臺村匯入窟野河。呼家溝控制流域面積102.2 km2,河道全長24.5 km,平均比降13.4‰。

呼家溝流域地形東北高西南低,高程在1260 m～920 m 之間,上游分水嶺最高點海拔1300 m,溝口處海拔高程920.6 m左右。地貌屬黃土丘陵溝壑區,植被覆蓋率低。呼家溝流域內無大中型水利水電工程。

2 測站及資料系列

呼家溝流域無水文站。鄰近流域悖牛川上設有新廟水文站,1966 年5 月建成測流,基本斷面位于內蒙古自治區伊金霍洛旗新廟鄉古城壕村,控制流域面積1527 km2,有1966 年～2017 年共52 年實測水文資料。鄰近流域佳蘆河有申家灣站,基本斷面位于佳縣申家灣村,控制流域面積1121 km2,有1957 年～2017 年共61 年實測水文資料。鄰近流域孤山川有高石崖水文站,基本斷面設在府谷鎮大沙溝村,是孤山川的出口控制站,站址至河口1.8 km,控制流域面積1263 km2,設站于1953 年7 月,觀測至今。曹坪站位于無定河支流大理河左岸的岔巴溝上,1958 年8 月建站,控制面積187 km2,流域屬于黃土丘陵溝壑區,有1959 年至今長系列實測流量資料。

工程附近水文站網布設情況見表1。

表1 工程河段附近水文站網一覽表

3 洪水選樣

在新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站實測資料系列中,按年最大值法進行選樣。

4 洪水資料審查

4.1 洪水資料的可靠性

1988 年以前各站年最大洪峰流量依據《黃河流域水文資料-中游區上段（河口鎮至龍門）》中的流量特征資料和洪水水文要素摘錄進行統計計算,1989 年～2017 年各站洪水資料系依據經正式整編的流量和洪水成果整理,因此資料總體基本可靠。

4.2 洪水資料的一致性

20 世紀90 年代初以來,悖牛川、孤山川、佳蘆河及岔巴溝流域水資源利用工程較少,流域降水的產匯流條件,尤其是洪水過程的形成條件并無明顯差異,其對洪水系列一致性的影響可以忽略。因此,選樣洪水系列具有較好的一致性。

4.3 洪水資料的代表性

為分析新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站洪水資料的代表性,繪制了四站年最大洪峰流量過程線,見圖1～圖4。

圖1 新廟站年最大洪峰流量過程線

圖2 高石崖站年最大洪峰流量過程線

圖3 申家灣站年最大洪峰流量過程線

圖4 曹坪站年最大洪峰流量過程線

從圖可以看出,新廟站洪水系列已長達52 年,高石崖站洪水系列已長達65 年,申家灣站洪水系列已長達61 年,曹坪站洪水系列已長達59 年,這些洪水系列基本上已經包括了豐水年組、平水年組、枯水年組以及各種來水組合,同時洪水系列正遞序均值、變差系數CV隨歷時變化也趨于穩定,因此認為新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站的洪水系列具有較好的代表性。

5 歷史洪水

5.1 以往調查成果

新廟站有1966 年～2017 年共52 年的實測洪水系列,實測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量為8150 m3/s；次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量為4850 m3/s；第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量為4290 m3/s。

高石崖站有1953 年～2017 年共65 年的實測洪水系列,其中1977 年實測洪峰流量10300 m3/s,為自1953 年建站至今最大值,也是1893 年以來的最大值。經分析本次洪水成因是由于特大暴雨形成,本次計算時按特大值處理,重現期定為125 年。

申家灣站有1957 年～2017 年共61 年的實測洪水系列,實測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量為8150 m3/s；次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量為4850 m3/s；第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量為4290 m3/s。

5.2 本次洪水調查

為滿足呼家溝溝口處設計洪水計算的需要,本次收集悖牛川、孤山川、佳蘆河及岔巴溝等河段的文史資料,就1890 年以來的歷史大洪水情況采訪了當地群眾,對1976 年、1977 年、1978 年及1989 年洪水有了進一步的認識。

6 洪水頻率計算

根據新廟站1966 年～2017 年52 年最大洪峰流量系列、高石崖站1953 年～2017 年共65 年最大洪峰流量系列、申家灣站1957 年～2017 年共61 年最大洪峰流量系列、曹坪站1959 年～2017 年共59 年最大洪峰流量系列,按連序系列進行頻率計算,均值及變差系數CV采用矩法計算,理論頻率偏態系數CS按經驗取CV的倍比通過適線確定。根據矩法計算出來的統計參數,采用P-Ⅲ型曲線進行適線,在適線中總的準則是：盡量使理論頻率曲線通過經驗點據的中心位置。若有困難時,側重考慮與上部和中部大水點據吻合。經過適線,求得新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站不同頻率洪水成果及統計參數見表2。

表2 各站洪水頻率計算成果表 單位：m3/s

7 設計成果的合理性檢查

7.1 新廟站成果對比與選用

悖牛川新廟站洪水頻率分析計算工作,以往進行過多次。黃河勘測規劃設計有限公司在2014 年7 月編制了《窟野河神木縣礦區段防洪及生態治理規劃報告》（以下簡稱《礦區規劃》）,新廟站設計洪水成果通過省水利廳的審查,《內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗忽雞兔溝治理工程初步設計報告》（內蒙古自治區水利水電勘測設計院,2013 年11 月,以下簡稱《活雞兔溝初設》）、《陜西省中小河流治理工程神木市活雞兔溝中雞鎮段防洪工程初步設計報告》（陜西水環境工程勘測設計研究院,2018 年11月,以下簡稱《活雞兔溝初設》）、《窟野河流域綜合規劃》（水利部黃河水利委員會,2019 年9 月,以下簡稱《流域規劃》）中的新廟站設計洪水成果通過了黃委的審查。本次計算成果與以往成果比較情況見表3。

表3 新廟站歷次洪水計算成果比較表 單位：m3/s

從表中可以看出,本次計算成果比《礦區規劃》成果偏小9.4%～13.7%,比《活雞兔溝初設》（內蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,與《活雞兔溝初設》成果基本一致,其原因主要是近期以來悖牛川流域一直處于枯水時段,發生大洪水次數減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于窟野河上中游設計洪水涉及黃河治理、窟野河規劃諸多方面因素,黃河勘測規劃設計有限公司在編制《礦區規劃》時考慮的因素比較全面,成果比較合理,《流域規劃》經分析仍采用《礦區規劃》成果,故仍以《礦區規劃》成果作為本次計算的依據。

7.2 高石崖站成果對比與選用

孤山川高石崖站洪水頻率分析計算工作,以往進行過多次。陜西水環境工程勘測設計研究院在2010 年7 月編制了《陜西省府谷縣孤山川重點段防洪工程初步設計報告》（以下簡稱《孤山川初設》）,高石崖站設計洪水成果通過省水利廳及榆林市水利局的審查。本次計算成果與以往成果比較情況見表4。

表4 高石崖站歷次洪水計算成果比較表 單位：m3/s

從表中可以看出,本次計算成果比《孤山川初設》成果偏小5.9%～6.1%,其原因主要是近期以來孤山川流域一直處于枯水時段,發生大洪水次數減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于高石崖站設計洪水涉及諸多方面因素,《孤山川初設》考慮的因素比較全面,成果比較合理,成果已通過了省水利廳的審查,防洪工程已經實施,故仍以《孤山川初設》成果作為本次計算的依據。

7.3 申家灣站成果對比與選用

佳蘆河申家灣站洪水頻率分析計算工作,以往進行過多次。黃河勘測規劃設計有限公司于2019 年12 月編制了《榆林黃河東線馬鎮引水工程黃石溝調蓄水庫初步設計報告》（以下簡稱《黃石溝水庫初設》）、陜西省水利電力勘測設計研究院于2019 年12 月編制了《榆林黃河東線馬鎮引水工程神木支線初步設計報告》（以下簡稱《神木支線初設》）,申家灣站設計洪水成果通過陜西省水利廳、榆林市水利局的審查。本次計算成果與以往成果比較情況見表5。

表5 申家灣站歷次洪水計算成果比較表 單位：m3/s

從表5 中可以看出,本次計算成果比《黃石溝水庫初設》《神木支線初設》成果偏小0～3.4%,主要是由于近期以來佳蘆河流域一直處于枯水時段,發生大洪水次數減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于佳蘆河設計洪水涉及黃河治理、佳蘆河規劃諸多方面因素,黃河勘測規劃設計有限公司在編制《黃石溝水庫初設》時考慮的因素比較全面,成果比較合理,《神木支線初設》經分析仍采用《黃石溝水庫初設》成果,故仍以《黃石溝水庫初設》成果作為本次計算的依據。

7.4 曹坪站成果對比與選用

曹坪站設計洪水頻率分析計算工作,以往進行過多次。陜西水環境工程勘測設計研究院在2017 年編制了《陜西省中小河流治理項目子洲縣岔巴溝三川口鎮段防洪工程初步設計報告》,曹坪站設計洪水成果通過省水利廳的審查。黃委設計院完成《黃石溝調蓄水庫初步設計》時,對曹坪站設計洪水進行了詳細分析計算,通過陜西省發改委的批復。本次計算成果與以往成果比較情況見表6。

表6 曹坪站歷次洪水計算成果比較表 單位：m3/s

從表6 中看出,本次計算成果與《黃石溝水庫初設》《岔巴溝防洪初設》成果都比較接近,相差在-2.5%～15.9%以內。考慮到“黃石溝水庫初設”為近期審批成果,本次曹坪站設計洪水采用“黃石溝水庫初設”成果。

8 呼家溝設計洪水

呼家溝溝口處的設計洪水采用水文比擬法進行計算,計算公式為：

式中：Q設、Q參分別為設計斷面和參證站洪峰流量；F設、F參分別為設計斷面和參證站集水面積；n 面積指數采用0.67。

經過計算,求得呼家溝溝口處的設計洪水,成果見表7。

表7 呼家溝溝口處水文比擬法設計洪水計算成果表單位：m3/s

從表7 中可以看出,水文比擬法采用了近期實測的水文資料,成果精度相對較高,但考慮到因地區水文特性不同,成果有一定差異,高石崖站計算的設計洪水大于申家灣站和曹坪站計算的設計洪水,小于新廟站設計洪水。經綜合分析比較,本次呼家溝溝溝口處設計洪水采用以高石崖站為參證站水文比擬法求得的成果,10 年一遇洪峰流量為578 m3/s,20 年一遇洪峰流量為892 m3/s。

9 結語

1）依據新廟、高石崖、申家灣和曹坪站實測資料,按年最大值法選樣,得到了新廟1966 年～2017 年、高石崖1953 年～2017 年、申家灣1957 年～2017 年和曹坪站1959 年～2017 年可靠性、一致性、代表性較好的資料系列。

2）新廟站實測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水；高石崖站實測最大洪水為1977 年洪水；申家灣站實測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水。

3）按照考慮歷史洪水的連續長系列進行頻率分析計算,年最大洪峰頻率成果符合參數的地區分布規律。本次按長系列分析計算的新廟站成果比《礦區規劃》成果偏小9.4%～13.7%,比《活雞兔溝初設》（內蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,高石崖成果比《孤山川初設》成果偏小5.9%～6.1%,申家灣成果比《黃石溝水庫初設》《神木支線初設》成果偏小0%～3.4%,曹坪站計算成果與《黃石溝水庫初設》《岔巴溝防洪初設》成果都比較接近,相差在-2.5%～15.9%以內。