河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界設(shè)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(hù)范圍界限不清，為了落實“河長制”相關(guān)責(zé)任，根據(jù)陜西省《河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界技術(shù)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(wù)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(shè)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(fēng)氣候，冬季受西北利亞冷氣團(tuán)控制，形成較強(qiáng)勁的西北季風(fēng)，氣候嚴(yán)寒而干燥，夏季副熱帶高壓的西南和東南氣流受當(dāng)?shù)匕子谏接绊?，使流域源區(qū)降水量增加，而其他區(qū)域降水量相對稀少，當(dāng)副熱帶高壓較強(qiáng)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(fēng)力10 級，歷年最大風(fēng)速24 m/s，多年平均最大風(fēng)速14.5 m/s，風(fēng)向多為西北，多有沙暴、冰雹災(zāi)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(shè)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(qiáng)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(shè)計洪水分析計算

設(shè)計洪水分析計算采用匯水面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法和水文比擬法三種方法進(jìn)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(shè)計洪水。各段河流特征值見表1。

表1 設(shè)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(guān)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(guān)法進(jìn)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(guān)參數(shù)表（表6-9），計算結(jié)果見表2。

表2 匯水面積相關(guān)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(shè)計重現(xiàn)期為N 的洪峰流量，m3/s；H6為設(shè)計重現(xiàn)期為N 的設(shè)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(yīng)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(yīng)的c、α、m、n 值，并查6 h 均值圖和CV等值線圖，計算各設(shè)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(jié)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(lǐng)導(dǎo)，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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)則先進(jìn)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(shè)計報告》、《金雞沙水庫除險加固初步設(shè)計報告》中對青陽岔站洪峰頻率分析成果進(jìn)行對比，見表5。本次設(shè)計流量值比較，小于前兩次的設(shè)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(shè)計洪水成果已經(jīng)水利廳批復(fù)，因此本次采用已批復(fù)的新橋水庫洪水成果作為本次劃界設(shè)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(shè)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(shè)計洪水成果見表6。

2.2.4 設(shè)計斷面成果確定

本次劃界河段各控制斷面設(shè)計洪水，按以上三種計算方法進(jìn)行了計算。從計算結(jié)果看出，匯水面積相關(guān)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(shè)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(fù)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(shè)計洪水計算成果。各斷面設(shè)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(shè)計洪水位

根據(jù)《河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界技術(shù)指南（試行）》（陜水河湖發(fā)〔2019〕12 號），新橋水庫庫區(qū)保護(hù)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(shè)計洪水位。

4 結(jié)語

本文通過匯水面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法、水文比擬法三種方法對設(shè)計洪水進(jìn)行了計算。最終新橋水庫除險加固設(shè)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。