孤山川洪水特性及遭遇洪水分析

王 鋒，楊彩云

(1.陜西省府谷縣防汛抗旱指揮部辦公室，陜西 府谷 719400；2.陜西省府谷縣皇甫川流域治理指揮部辦公室，陜西 府谷 719400)

孤山川發(fā)源于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗川掌，自內(nèi)蒙古羊市塔入陜西府谷境，經(jīng)4個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)，由府谷鎮(zhèn)高家灣村匯入黃河，全長79 km，流域面積1272 km2。其中府谷縣內(nèi)長57 km，縣內(nèi)流域面積1018 km2，河道比降4.1‰。孤山川流域在府谷縣境內(nèi)較大的支溝有保兔溝、紅石巖溝、安山溝、陽灣川、新城川、木瓜川、后河川、沙川溝等，洪水組成復(fù)雜。孤山川河流除縣城設(shè)有部分堤防外，總體無設(shè)防。為提高縣城防洪能力，需對孤山川干支流匯合處洪水進(jìn)行分析。

1 暴雨及洪水特性

1.1 暴雨特性

孤山川屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)降水量較少，多年平均降水量453 mm，年降水多集中在7、8兩個(gè)月內(nèi)，占全年降水總量的51.6%，降水量年內(nèi)分配極不均勻，汛期多暴雨。具有春旱多風(fēng)，秋季涼爽，冬長夏短等氣候特征，陣雨集中于夏季后期，較多且急驟，多為陣雨，常伴有冰雹發(fā)生。

1.2 洪水特性

孤山川具有黃河流域洪水特性，洪水跟隨暴雨出現(xiàn)，主要集中在7月、8月，一次洪水過程持續(xù)約1天時(shí)間，主峰約12小時(shí)。具有洪峰流量大、洪水歷時(shí)短、陡漲陡落、含沙量大特點(diǎn)。峰高量小、峰型尖瘦，洪峰和枯季流量相差較大。水、沙具有變幅大、比較集中，年內(nèi)、年際分配不均衡情況。河道大多處于枯期，全年來水、來沙多集中于一次或幾次洪水過程之中。孤山川正常泄洪能力7610 m3/s（50年一遇），水位823.43 m（高石崖水文站），實(shí)測最大洪峰流量10300 m3/s（1977年8月2日），最小流量為0，大部分年份均可出現(xiàn)。

從20世紀(jì)80年代以來，孤山川來水處于不斷減小而含沙量有所增大的趨勢，1953年～1980年和1981年～2007年兩時(shí)段的年最大洪峰流量平均值分別為1760 m3/s和1031 m3/s，1997年之后10年最為明顯，平均徑流量不到多年平均值一半，最大洪峰流量平均值僅為815 m3/s。且常有斷流現(xiàn)象出現(xiàn)，最嚴(yán)重的是在1999年，實(shí)測年最大洪峰流量僅89 m3/s，為實(shí)測系列最小值。

2 水文分析計(jì)算

2.1 孤山川洪水資料

孤山川流域設(shè)有高石崖水文站，于1953年7月建站，控制流域面積1263 km2，有1954年～2017年64年連續(xù)實(shí)測徑流、洪水資料。多年平均流量3.49 m3/s，平均徑流量1.101億m3，最大年徑流量2.374億m3（1959年），最小年徑流量0.3024億m3（1965年），相差7.9倍，平均年輸沙量2760萬t。7月～9月徑流、輸沙量分別占全年的70%和95%。實(shí)測最大含沙量1300 kg/m3。因此，采用高石崖站水文資料進(jìn)行洪水分析。

在高石崖水文站64年實(shí)測最大洪峰流量系列中，實(shí)測最大值為1977年8月2日的10300 m3/s洪峰，水位為823.009 m，這也是孤山川1893年以來調(diào)查的最大值。洪水伴隨大暴雨出現(xiàn)，暴雨中心位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟的烏審旗、伊金霍洛旗與陜西省神木、府谷兩縣的交界地區(qū)，暴雨歷時(shí)達(dá)8 h～10 h。孤山川流域位于暴雨中心的東南方向，流域平均暴雨量達(dá)144 mm。暴雨具有時(shí)間長、雨強(qiáng)大、雨區(qū)集中、暴雨與河流走向一致等特點(diǎn)，使得洪峰迅速形成。

2.2 洪水頻率分析計(jì)算

根據(jù)皮爾遜Ⅲ型理論曲線與實(shí)測及調(diào)查點(diǎn)據(jù)之間配合，采用工程中常用的目估適線法確定最佳參數(shù)。高石崖水文站年最大洪峰系列的適線成果其均值為1384 m3/s，CV=1.06，重現(xiàn)期為111年，其洪水配線參數(shù)CV=1.35，CS=3.5CV，洪水量配線結(jié)果見為100年一遇洪峰為9840 m3/s，50年一遇洪峰為7560 m3/s，20年一遇洪峰為4790 m3/s，10年一遇洪峰為2980 m3/s，5年一遇洪峰為1570 m3/s。

2.3 設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）中 2.0.3條規(guī)定，“位于山丘區(qū)的城市，當(dāng)城區(qū)分布高程相差較大時(shí)，應(yīng)分析不同量級洪水可能淹沒的范圍，并根據(jù)淹沒區(qū)非農(nóng)業(yè)人口和損失的大小，按規(guī)定確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)”。府谷縣城共有人口8.2萬人，其中常住人口5.6萬人，是府谷縣社會政治和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心。根據(jù)陜西省縣城堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，府谷縣城堤防應(yīng)具有防御50年一遇洪水的能力，相應(yīng)的孤山川高石崖站洪峰流量應(yīng)為7560 m3/s。

2.4 洪水遭遇分析

黃河府谷水文站、孤山川高石崖水文站分別至匯合口距離為3182 m和2121 m。府谷縣城段為孤山川與黃河交匯處，在暴雨洪水出現(xiàn)時(shí)，也是孤山川洪水與黃河洪水遭遇之時(shí)，洪水一般呈正交水流態(tài)勢。根據(jù)歷史洪水調(diào)查數(shù)據(jù)：1977年，當(dāng)高石崖水文站出現(xiàn)洪峰10300 m3/s時(shí)，黃河府谷站洪水僅為620 m3/s，遭遇后合成流量為10900 m3/s，匯合口壅水高度達(dá)1.0 m左右。為合理確定匯合口壅水高度及堤防高度，必須對孤山川與黃河洪水遭遇情況進(jìn)行分析。根據(jù)高石涯水文站和府谷水文站監(jiān)測資料，現(xiàn)以孤山川為主洪峰和黃河為主洪峰的兩種情況，分別對1964年、1967年、1977年、1992年、2003年5次最大洪水的遭遇情況，進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表1。

表1 干支流遭遇分析表

在分析中，采用洪峰倒退辦法，即先推算主洪峰由水文站演進(jìn)至匯合口的時(shí)間，再從匯合口沿另一條河向上，反推至另一條河的最近水文站，求得其相應(yīng)的流量和出現(xiàn)的時(shí)間。將相應(yīng)流量與主洪峰疊加，即為匯合口兩條河洪水遭遇后的洪峰流量。

分析時(shí)，以最大洪峰出現(xiàn)時(shí)間前后與洪峰流量值最接近的一次實(shí)測斷面最大流速，近似地作為水文站至匯合口的洪峰傳播速度。這種方法只考慮洪峰沿流程的平移，忽略了河槽對洪水速度的阻塞和變形的影響（水文站距入河口距離短，洪水傳播時(shí)間短，故其忽略不計(jì)）。

從表1可得到以孤山川為主洪峰時(shí)的遭遇后洪峰放大系數(shù)，結(jié)果見表2。由于洪水編號為20030730的洪峰對合成流量貢獻(xiàn)太小，故不予采用，將其它4次洪水放大系數(shù)取平均值為1.906。所以取高石崖設(shè)計(jì)洪峰流量7560 m3/s放大1.9倍作為匯合口的洪峰流量，即14420 m3/s。

根據(jù)西安理工大學(xué)所作的《陜西省府谷縣城區(qū)黃河堤防工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》資料表明，黃河府谷站到孤山川匯合口洪峰放大系數(shù)平均值為1.224，取1.2，以黃河來水為主洪峰時(shí)，匯合口50年一遇的流量為16470 m3/s。

表2 干支流遭遇后洪峰放大系數(shù)

同時(shí)假定發(fā)生高石崖50年一遇7560 m3/s（頻率為2%）和黃河府谷50年一遇13730 m3/s（頻率為2%）的洪水與發(fā)生高石崖10年一遇2900 m3/s和黃河府谷50年一遇13730 m3/s的洪水兩種情況下，干支流匯合口的洪峰流量分別為16470 m3/s和 14420 m3/s。

根據(jù)以上分析，最后按較不利的組合，偏于安全的原則，確定干支流匯合口的洪峰流量為16470 m3/s，以此流量計(jì)算匯合口壅水高度對孤山川高石崖站的壅水影響，確定匯合處的設(shè)計(jì)洪水位。

3 匯合處設(shè)計(jì)洪水位

設(shè)計(jì)的府谷縣城孤山川河段，高石崖水文站具有1953年～2003年共有51年的實(shí)測最大洪水資料。高石崖水文站1977年8月2日流量為10300 m3/s的洪峰時(shí)水位為823.009 m，以及實(shí)測洪水水位資料，做出水位～流量圖（見圖1），從圖1中可查得設(shè)計(jì)洪水7560 m3/s的水位為822.60 m。

圖1 高石崖站水位～流量曲線

根據(jù)水面比降、糙率，可求出相應(yīng)于設(shè)計(jì)流量的水深和水位。所以，設(shè)計(jì)流量時(shí)斷面2+121（高石崖水文站）的水位為822.60 m，即為控制水位。已知設(shè)計(jì)流量求相應(yīng)水位是一個(gè)試算過程，求出的各斷面正常水深及斷面水力要素見表3，依據(jù)2003年《陜西省府谷縣城區(qū)黃河堤防工程設(shè)計(jì)報(bào)告》結(jié)果，黃河50年一遇和孤山川50年一遇設(shè)計(jì)洪水匯合后，在河口產(chǎn)生的洪水位為815.52 m，由水力學(xué)法推求各斷面的設(shè)計(jì)壅水洪水位見表3。

表3 河段各斷面水力要素及計(jì)算成果

控制斷面設(shè)計(jì)洪水位是考慮匯合口壅水和兩河洪水遭遇時(shí)頂托壅水影響的洪水位，即正常洪水位＋壅水高度。

通過前文干支流遭遇分析得知干支流匯合口最不利組合的洪峰流量為16470 m3/s，以此流量計(jì)算由匯合口至設(shè)計(jì)斷面的壅水水面曲線。采用水力學(xué)推求水面曲線，方程如下：

表4 最不利組合下洪峰回水線計(jì)算

水面曲線計(jì)算的起始斷面為干支流匯合口0#斷面，逐漸向上游推求。從表4可看出，干支流發(fā)生都50年一遇的洪水時(shí)，匯合口產(chǎn)生的壅水高度為0.228 m，回水長度距匯合口1300 m。干流發(fā)生50年一遇的洪水，支流發(fā)生10年一遇洪水時(shí)，匯合口產(chǎn)生的壅水高度為2.88 m，回水長度距匯合口1180 m，但過流流量較支流50年一遇小，水位低。由此說明，在最不利情況下，匯合口產(chǎn)生的壅水對距匯合口2121多米上的設(shè)計(jì)段無影響，因此，控制斷面壅水水位即為設(shè)計(jì)洪水位。

4 結(jié)語

孤山川支流眾多，洪水陡漲陡落，泥沙含量大，危害大。孤山川與黃河在府谷縣城交匯，使得此處洪水變化多端，遭遇情況復(fù)雜。文章通過探討分析孤山川洪水特性及遭遇的不同情況，計(jì)算得出遭遇時(shí)50年一遇的流量和水位，為研究黃河陜北段與支流匯合處的洪水遭遇情況提供借鑒。