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，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491.20 km，其中陜西省境內長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。為了提高縣城防洪能力，需建設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，需對無定河米脂縣城段洪水量級及上游王圪堵水庫調蓄影響進行分析。

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，年內分布不均，暴雨多、強度大、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)生在局部河段或個別支流上，產生局部洪水相對危害較??；全流域面積發(fā)生暴雨次數(shù)少，產生洪水危害大；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，兩站均屬于國家基本水文站網，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)測資料。

2.2 實測洪水系列分析

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

2.3 歷史調查洪水分析

根據(jù)《陜西省洪水調查資料》《榆林地區(qū)實用水文手冊》等有關資料介紹，無定河趙石窯河段調查到的歷史洪水按大小排序為 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)調查考證，無定河丁家溝河段調查到的歷史洪水僅有1932年一場。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、丁家溝站受庫壩群影響后的洪水系列，按照《水利水電工程設計洪水計算規(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查洪水，按不連序系列進行頻率計算，經驗頻率采用數(shù)學期望公式進行計算，均值及變差系數(shù)Cv采用矩法計算，理論頻率偏態(tài)系數(shù)Cs按經驗取Cv的倍比通過適線確定。根據(jù)矩法計算出來的統(tǒng)計參數(shù)，采用皮爾遜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(jù)的中心位置。若有困難時，側重考慮與上部和中部大水點據(jù)吻合。歷史洪水重現(xiàn)期有變動范圍時，定線時作適當考慮。經過適線，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算工作，因規(guī)劃和工程建設需要，以往進行過多次?！稛o定河流域綜合規(guī)劃》中的洪水頻率分析計算成果通過了黃河水利委員會的審查，《榆林市無定河防洪治理工程可行性研究報告》（河南黃河勘測設計研究，2012 年9 月）經復核比較仍采用《規(guī)劃》方法和成果。本次計算成果與《規(guī)劃》成果對比情況見表1。

表1 無定河趙石窯、丁家溝站歷次洪水計算成果比較表單位：m3/s

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

3 水庫調蓄影響及洪水組成分析

3.1 王圪堵水庫調蓄影響分析

工程上游有王圪堵水庫，所以洪水計算需要考慮王圪堵水庫調蓄影響。

（1）王圪堵水庫運用方式。根據(jù)《陜西省榆林市王圪堵水庫工程初步設計報告》中調洪成果，王圪堵水庫100 年一遇入庫洪峰1308 m3/s，下泄量305 m3/s；50 年一遇入庫洪峰流量為1028 m3/s，下泄量 264 m3/s；20 年一遇入庫洪峰流量為 668 m3/s，下泄量228 m3/s；10 年一遇入庫洪峰流量為402 m3/s，下泄量220 m3/s；5 年一遇入庫洪峰流量為220 m3/s，下泄量214 m3/s。王圪堵水庫調蓄作用大，洪水出庫過程平穩(wěn)且最大出庫流量持續(xù)時間長（20 年一遇洪水出庫流量最大為230 m3/s，出庫過程200 m3/s 以上流量持續(xù)時間達24 h；10 年一遇出庫過程200 m3/s 以上流量持續(xù)時間達11 h）。

（2）王圪堵水庫影響后下游干流水文站設計洪水。王圪堵水庫以下的干流河段設計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，王圪堵水庫以上相應。王圪堵水庫至以下各控制斷面區(qū)間設計洪水計算采用水文比擬法，當參證站和設計流域處于產匯流特性一致區(qū)時，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)、風沙區(qū)及黃土丘陵區(qū)三種類型，不同地貌的產匯流條件差別很大。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、白家川斷面設計洪峰，建立干流自上游往下游控制面積與洪峰流量的相關關系，干流各控制斷面面積與洪峰流量的相關關系較好，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，洪峰量級增加比例大于面積增加比例，這與流域越往下游產匯流條件越好的洪水特性是一致的。通過計算白家川至丁家溝、白家川至趙石窯、白家川至巴圖灣三個區(qū)間的設計洪峰，來建立干流自下游往上游流域面積與洪峰流量的相關關系，各區(qū)間面積與洪峰流量的相關關系較好，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，這也是與實際情況相符的。通過計算丁家溝至趙石窯區(qū)間的設計洪峰，建立干流自下游往上游流域面積與洪峰流量的相關關系，區(qū)間面積與洪峰流量的相關關系較好，面積指數(shù)約0.4。結合干流水文站洪水，推求王圪堵水庫調洪后王圪堵至干流下游水文站區(qū)間設計洪水，結果見表2。根據(jù)王圪堵水庫調洪成果，得到王圪堵水庫影響后控制斷面設計洪水成果表3。

表2 區(qū)間設計洪水成果表 單位：m3/s

表3 王圪堵水庫影響后控制斷面設計洪水成果表單位：m3/s

3.2 防洪工程處設計洪水計算

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，各控制斷面設計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)川堡斷面處設計洪水首先計算王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間流域設計洪水，再疊加王圪堵水庫調洪下泄流量，即得到王圪堵水庫影響后的鎮(zhèn)川堡斷面處設計洪水。其中王圪堵～鎮(zhèn)川堡區(qū)間流域設計洪水以王圪堵～丁家溝區(qū)間流域設計洪水成果為參證站，采用水文比擬法進行計算，計算公式為：

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)間設計洪峰流量，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計洪水由鎮(zhèn)川堡斷面控制，直接采用鎮(zhèn)川堡斷面設計洪水成果。經過計算，得到米脂縣無定河大橋防洪工程處的設計洪水成果，見表4。

表4 米脂縣城段防洪工程處不同頻率設計洪水計算成果表單位：m3/s

4 結語

米脂縣無定河大橋防洪工程位于王圪堵水庫至白家川站之間，上游有王圪堵水庫進行洪水調蓄，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，洪水組成關系復雜。經過探討和調蓄計算，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，可供施工設計進行參考。