榆溪河設(shè)計(jì)洪水分析方法探討

李 珂

（陜西黃河生態(tài)工程有限公司,陜西 西安 710018）

在防洪工程中,設(shè)計(jì)洪水是水文分析計(jì)算不可缺少的。對于在有資料條件和無資料條件下,某些流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算,相關(guān)規(guī)范上都有明確的規(guī)定,但有時一些流域因資料條件不好,或產(chǎn)匯流區(qū)域面積非單一的下墊面組成等因素,致使采用不同的分析思路和計(jì)算方法,得出的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果差異較大。本文針對榆溪河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,根據(jù)紅石峽水庫時間運(yùn)行情況和區(qū)間流域區(qū)分不同下墊面的產(chǎn)匯流條件,分析榆溪河河口處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,僅為類似流域的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供參考。

1 基本情況

1.1 流域概況

榆溪河,又稱帝原水、諸次水,為無定河一級支流。發(fā)源于榆林市榆陽區(qū)小壕兔鄉(xiāng)刀兔海子西的水掌泉,于魚河鎮(zhèn)匯入無定河,是榆林市境內(nèi)最長河流。流經(jīng)風(fēng)沙草灘、覆沙黃土梁峁?jié)镜?、川地、峽谷、丘陵溝壑等不同地貌類型,景觀資源較豐富。河流含沙量小,水量穩(wěn)定,有“清水河”之稱。全長155 km,總流域面積5537 km2,平均比降3.07‰。榆溪河地形大體可分為：河源至紅石峽為風(fēng)沙區(qū),約占總流域面積的77%；紅石峽以下為風(fēng)沙區(qū)與丘陵區(qū)過渡區(qū),其中榆溪河以西主要為風(fēng)沙區(qū),約占總流域面積的17.6%,榆溪河以東主要為丘陵溝壑區(qū),約總占流域面積的5.4%。紅石峽以上流域地勢呈北高南低,以下流域?yàn)闁|部高,西部低。左岸較大支流依次有五道河則、四道河則、三道河則、二道河則及頭道河則；右岸較大支流為圪求河、白河,水系圖見圖1。河系發(fā)育不全,左密右疏,呈不對稱水系。年平均流量11.8 m3/s,平均徑流量3.7 億m3,含沙量11.7 kg/m3,平均年輸沙量431.9 萬t。

圖1 榆溪河水系圖

1.2 洪水來源

榆溪河流域自上而下修建了多座水庫,榆溪河流域水庫基本情況見表1。根據(jù)《陜西省水庫工程臺賬》,榆溪河上游支流的水庫大多為?。?）型,水庫滯洪能力有限,可忽略不計(jì)；而中營盤水庫、李家梁水庫等中型水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)均高于防洪工程的防洪標(biāo)準(zhǔn),下泄流量較小。榆溪河干流最下游紅石峽水庫,設(shè)計(jì)最大下泄流量為112 m3/s。河口與紅石峽水庫間沙河上建有尤家峁水庫,設(shè)計(jì)最大下泄流量僅為6.29 m3/s。在考慮紅石峽水庫調(diào)蓄影響情況下,榆溪河下游河口段洪水主要來自區(qū)間來水。因此,根據(jù)上述榆溪河洪水來源的分析,榆溪河設(shè)計(jì)洪水可不考慮上游河口、中營盤、李家梁、石峁和尤家峁等水庫的影響后,榆溪河下游洪水主要由紅石峽水庫下泄洪水和區(qū)間洪水組成。

表1 榆溪河流域水庫基本情況表

2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.1 基本資料

歷史上,榆溪河干流曾先后設(shè)立過三個水文站,但設(shè)站時間都不長,從而導(dǎo)致各站的資料長度都較短；在鄰近的流域中,海流兔河下游設(shè)有韓家峁水文站,馬湖峪河下游設(shè)有馬湖峪水文站,禿尾河中游設(shè)有高家堡水文站,各水文站均有觀測降水、水位、流量等數(shù)據(jù)。榆溪河及鄰近流域水文站情況,見表2。根據(jù)各水文站的分布情況,韓家峁、榆林水文站為風(fēng)沙區(qū)代表站,馬湖峪水文站為黃土丘陵區(qū)代表站,高家堡水文站為風(fēng)沙區(qū)與黃土丘陵區(qū)過渡帶代表站。

表2 榆溪河流域及鄰近流域水文站情況

1959 年設(shè)立的榆林水文站位于南郊流水溝村,控制面積為4938 km2,具有1959 年～1967 年共9 年的實(shí)測洪水資料,該站實(shí)測最大洪峰流量為752 m3/s（1967 年9 月）,是由于沙河垮壩造成出口處岸坡滑塌,形成沙壩堵塞干流,后經(jīng)搶險將沙壩開口,形成該次洪水,故不屬于天然狀態(tài)下洪水。除此以外,其余年份最大洪峰流量為53.2 m3/s～157 m3/s,平均值為88.7 m3/s。

根據(jù)榆溪河調(diào)查洪水可知,1956 年對榆溪河河段的歷史洪水情況進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果顯示：河口河段附近,1937 年發(fā)生過特大洪水,洪峰流量為2200 m3/s,其次1944 年洪峰流量為1630 m3/s,1949 年洪峰流量為1510 m3/s。

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

榆溪河流域建有榆林水文站,具有1959 年～1967 年共9 年實(shí)測資料,由于系列較短,又受紅石峽水庫的調(diào)蓄影響,代表性較差,不能作為榆溪河流域設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算的依據(jù)。因此,在紅石峽水庫調(diào)蓄洪水的作用下,榆溪河流域洪水計(jì)算可采用上游紅石峽水庫下泄流量疊加壩址至河口區(qū)間流量,區(qū)間流量采用相似流域水文比擬法計(jì)算。

2.2.1 紅石峽水庫運(yùn)用方式及下泄洪水

紅石峽水庫地處榆陽區(qū)榆陽鎮(zhèn)橋頭村,無定河水系榆溪河中游處,距榆林市城北4.5 km,庫區(qū)屬沙草原風(fēng)及河源區(qū),建于1955 年,壩址以上控制面積為4260 km2。該水庫是一座以防洪為主,兼農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、城市供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的季節(jié)水庫,規(guī)模為中型。紅石峽水庫大壩為漿砌石拱壩,最大壩高15 m,總庫容1900 萬m3。紅石峽水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇設(shè)計(jì),500 年一遇洪水校核,泄流設(shè)施有壩頂溢流和泄水洞,壩頂溢流段長39.4 m,壩頂高程1072 m。東西泄洪洞斷面2 m×1.8 m,東洞進(jìn)口高程1061.81 m,西洞進(jìn)口高程1063.81 m,東西泄洪洞最大泄流量為75 m3/s。根據(jù)《陜西省水庫工程管理臺賬》,紅石峽水庫500 年一遇入庫洪峰流量1570 m3/s,最大泄量265 m3/s,100 年一遇入庫洪峰流量1270 m3/s,最大泄量112 m3/s,50 年一遇入庫洪峰流量281 m3/s,最大泄量75 m3/s,10 年一遇入庫洪峰流量101 m3/s,水庫不下泄。

2.2.2 紅石峽水庫至入無定河河口區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

榆溪河流域設(shè)計(jì)洪水產(chǎn)流面積分為風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵區(qū),河源至紅石峽為風(fēng)沙區(qū),紅石峽水庫以下為風(fēng)沙區(qū)與丘陵區(qū)過渡區(qū),其中榆溪河以西主要為風(fēng)沙區(qū),以東主要為丘陵溝壑區(qū)。因此,紅石峽水庫至入無定河河口區(qū)間流域?yàn)轱L(fēng)沙區(qū)和丘陵區(qū)混合區(qū)域。

馬湖峪水文站是無定河支流馬湖峪河出口控制站,與榆溪河相鄰,水文站以上流域面積下墊面條件與榆溪河紅石峽壩址以下至入無定河河口區(qū)間流域黃土丘陵區(qū)基本相似。韓家峁水文站是無定河一級支流海流兔溝河下游的控制站,與榆溪河相鄰,該水文站控制流域下墊面為風(fēng)沙區(qū),與紅石峽水庫至入無定河河口區(qū)間流域風(fēng)沙區(qū)下墊面條件基本相似。因此,根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》中計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的規(guī)定,區(qū)間黃土丘陵區(qū)設(shè)計(jì)洪水以馬湖峪水文站為參證站,區(qū)間風(fēng)沙區(qū)設(shè)計(jì)洪水以韓家峁水文站為參證站,均采用水文比擬法進(jìn)行分析,再疊加洪水計(jì)算。

（1）參證站選擇

馬湖峪水文站于1961 年8 月設(shè)立,位于陜西省米脂縣龍鎮(zhèn)候渠村,控制流域面積371 km2,距入無定河河口3 km,實(shí)測最大流量1840 m3/s（1970 年）,有自1961 年建站以來至2018 年的實(shí)測資料；韓家峁水文站位于無定河一級支流海流兔溝河下游,該站控制流域面積2452 km2,具有1957 年～2018 年共62 年實(shí)測洪水資料和1933 年歷史調(diào)查洪水資料。統(tǒng)計(jì)馬湖峪站和韓家峁站歷年最大洪峰流量時程變化曲線,見圖2。

圖2 馬湖峪站、韓家峁站年最大洪峰流量時程變化曲線

（2）調(diào)查洪水

根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》（陜西省水利廳1985 年）和《榆林水文手冊》可知,馬湖峪水文站1932 年最大洪峰流量5280 m3/s,較可靠；1970 年最大洪峰流量1840 m3/s,可靠；1942年和1954年調(diào)查的洪峰流量分別為1230 m3/s和899 m3/s,按一般洪水處理。

據(jù)調(diào)查分析,韓家峁站1933 年歷史洪水為上游暴雨造成沙海子決口形成,不屬于天然洪水,在分析中予以剔除；1964 年8 月12 日～19 日洪水出現(xiàn)兩次洪峰流量,第一次洪峰過程屬于矮胖型,歷時3d 左右；第二次洪峰過程屬于尖瘦型,歷時僅十幾個小時,經(jīng)調(diào)查,第二次洪水過程為上游沙海子壩潰壩洪水,因此,本次將1964 年最大洪峰流量418 m3/s更正為222 m3/s。

（3）洪水頻率計(jì)算

采用《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）中的相關(guān)公式進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算和統(tǒng)計(jì)參數(shù)估算,采用P-III型頻率曲線適線法,進(jìn)行適線計(jì)算。馬湖峪水文站和韓家峁水文站的洪峰流量設(shè)計(jì)成果見表3。從表中可以看出,本次馬湖峪水文站成果與《無定河流域綜合規(guī)劃》《陜西省無定河防洪治理工程初步設(shè)計(jì)報告》和《陜西省中小河流治理項(xiàng)目米脂縣馬湖峪溝防洪工程初步設(shè)計(jì)報告》較為接近,有差異原因主要由適線結(jié)果偏差引起。為與以往成果保持一致,本次采用無定河流域綜合規(guī)劃成果。韓家峁計(jì)算成果與《無定河流域綜合規(guī)劃》進(jìn)行對比,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)劃成果。

表3 馬湖峪水文站、韓家峁水文站設(shè)計(jì)洪水流量成果表

（4）區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

以榆溪河出口斷面作為設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的控制斷面。榆溪河匯入口產(chǎn)流面積5537 km2,屬于風(fēng)沙區(qū)與黃土丘陵過渡地帶。榆溪河出口斷面至紅石峽水庫壩址的區(qū)間流域面積為1277 km2,經(jīng)量算,其中風(fēng)沙區(qū)面積為980 km2,與相鄰的海流兔河韓家峁水文站以上流域下墊面條件基本形似；黃土丘陵區(qū)面積為297 km2,流域下墊面條件與馬湖峪河馬湖峪水文站以上流域基本相似。因此,榆溪河出口斷面的區(qū)間流域設(shè)計(jì)洪水?dāng)M采用馬湖峪站、韓家峁站為參證站比擬計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：Q區(qū)間為區(qū)間流域不同頻率的洪峰流量,m3/s；Q韓為韓家峁站不同頻率的洪峰流量,m3/s；Q馬為馬湖峪站不同頻率的洪峰流量,m3/s；F風(fēng)為區(qū)間流域風(fēng)沙區(qū)產(chǎn)流面積,km2；F黃為區(qū)間流域黃土丘陵區(qū)產(chǎn)流面積,km2；F韓為韓家峁水文站控制流域面積,km2；F馬為馬湖峪水文站控制流域面積,km2。

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 區(qū)間流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

2.2.3 榆溪河河口處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

榆溪河河口斷面的設(shè)計(jì)洪水在考慮紅石峽水庫調(diào)蓄影響下,按水庫至計(jì)算斷面區(qū)間同頻率,與紅石峽水庫下泄相應(yīng)疊加組成。紅石峽水庫10 年一遇以上、100 年一遇以下按最大泄量75 m3/s 下泄控制,100 年一遇按水庫下泄112 m3/s 控制,10 年一遇及以下防洪標(biāo)準(zhǔn)相對較低,紅石峽水庫能控制下泄。因考慮到防洪工程的安全性,本次簡化計(jì)算,將洪峰過程按洪水遭遇同頻率疊加。榆溪河河口斷面不同頻率洪水計(jì)算成果見表5。由表5 可知,榆溪河河口斷面50 年一遇設(shè)計(jì)洪水為2260 m3/s。

表5 榆溪河跨越斷面設(shè)計(jì)洪水流量成果表

2.2.4 設(shè)計(jì)洪水合理性分析及成果采用

根據(jù)調(diào)査洪水可知,1937 年發(fā)生過特大洪水,洪峰流量為2200 m3/s,1937 年距2020 年相隔83 年,因此,1937 年洪水可按照80 年一遇的洪水考慮。將本次計(jì)算結(jié)果與調(diào)査洪水成果對比,所以,本次計(jì)算的榆溪河河口段50 年一遇設(shè)計(jì)洪水 2260 m3/s,成果分析是相對合理的。

3 結(jié)論

為了搞好防洪工程中水文分析計(jì)算工作,使該工程的建設(shè)既滿足防洪要求、又經(jīng)濟(jì)合理,尋求一種好的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法尤為重要。榆溪河河口設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時,針對區(qū)間流域內(nèi)下墊面的不同,區(qū)分下墊面條件采用不同參證水文站進(jìn)行水文比擬法計(jì)算,再進(jìn)行洪水疊加,得到設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)洪水。該方法較不區(qū)分下墊面條件計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,計(jì)算成果更為可靠、更為合理,是更適于榆溪河流域防洪工程設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法。