禿尾河河道劃界水面線推算及合理性分析研究

侯 芳，李 平

（黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局（綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站）,陜西 榆林 719000）

1 基本情況

按照陜西省水利廳編制的《河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)要求,計(jì)劃對榆林市禿尾河河道及水利工程管理和保護(hù)范圍開展相關(guān)劃界工作。禿尾河是黃河一級支流,上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成。匯合口烏雞灘以下稱禿尾河干流,沿途匯入的100 km2以上的支流有宮泊溝、圪丑溝等九條。自北向南經(jīng)過高家堡、高家川等地,于神木市萬鎮(zhèn)鄉(xiāng)河口岔村進(jìn)入黃河。本次禿尾河干流河道劃界范圍始于禿尾河干流源頭宮泊溝上游,終于禿尾河入黃口,流域面積3294 km2,全長139.6 km,河道平均比降3.87‰。

通過在禿尾河干流河道進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,本次劃界內(nèi)容涉及禿尾河干流、渠首引水樞紐工程、水文站。禿尾河現(xiàn)狀分為有堤防河道和無堤防河道兩大類。在進(jìn)行河道劃界過程中,水文分析計(jì)算主要針對禿尾河干流設(shè)計(jì)洪水及洪水位的確定。

2 河道劃界標(biāo)準(zhǔn)

2.1 有堤防河道

禿尾河干流有堤防工程段,且堤防已經(jīng)達(dá)標(biāo)的河道,按照有堤防河道進(jìn)行劃界。本次劃界涉及的堤防均在村鎮(zhèn),堤防工程等級為4 級或5 級。4級堤防洪水重現(xiàn)期大于等于20 年,小于30 年；5 級堤防洪水重現(xiàn)期大于等于10 年,小于20 年。有堤防設(shè)施的河流管理區(qū)域是左右兩岸的洪水泛濫區(qū),兩岸的堤防和內(nèi)外護(hù)堤地,見圖1。堤防工程護(hù)堤地,從堤腳線計(jì)起,4 級、5 級堤防護(hù)堤地寬度5 m～10 m,保護(hù)范圍寬度50 m～100 m,并結(jié)合河道現(xiàn)狀確定。有堤防設(shè)施的河道保護(hù)范圍從背水側(cè)護(hù)堤地外邊緣線起開始計(jì)算,根據(jù)工程級別并結(jié)合河道實(shí)際情況,確定堤防工程保護(hù)范圍。滿足設(shè)計(jì)洪水位要求的護(hù)岸工程按有堤防河道確定管理范圍和保護(hù)范圍,不滿足設(shè)計(jì)洪水位要求的護(hù)岸工程按無堤防河道確定管理范圍和保護(hù)范圍。

圖1 有堤防的河道管理范圍及保護(hù)范圍劃界示意圖

2.2 無堤防河道

無堤防的河道,其河道管理范圍和保護(hù)范圍劃界按照圖2所示進(jìn)行劃定。無堤防的河段,其管理范圍線參照河道流域范圍和河道現(xiàn)狀,采兔溝以上河道流域面積100 km2～1000 km2確定行洪區(qū)以外10 m～25 m護(hù)岸地邊界為管理范圍線,采兔溝以下河道流域面積1000 km2～10000 km2確定行洪區(qū)以外15 m～20 m護(hù)岸地邊界為管理范圍線。

圖2 無堤防河道劃界示意圖

3 設(shè)計(jì)洪水分析

在本次禿尾河河道劃界工作中,河道涉及鎮(zhèn)政府所在地的范圍防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇,涉及村的范圍防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇。禿尾河干流兩岸經(jīng)過的鄉(xiāng)鎮(zhèn)只有高家堡鎮(zhèn),其余河道均經(jīng)過村莊,因此禿尾河干流經(jīng)過高家堡鎮(zhèn)的河段防洪標(biāo)準(zhǔn)取20 年一遇,其余河段防洪標(biāo)準(zhǔn)均取10 年一遇。

禿尾河干流上、中、下游設(shè)計(jì)洪水計(jì)算選用的參證站分別為韓家峁水文站、高家川水文站和高家堡水文站,獲取三個水文站的系列水文資料后,首先對水文資料進(jìn)行“三性”檢查,若干流上有較大的調(diào)蓄工程運(yùn)行時,應(yīng)對實(shí)測洪峰流量進(jìn)行還原計(jì)算?；谠O(shè)計(jì)洪水推求時河道的分段結(jié)果,針對已有可靠設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算成果的涉河工程,確定該工程處所在河段的洪峰流量[1-2]；其余沒有工程資料河段,需要根據(jù)河道現(xiàn)有水文站及《榆林市實(shí)用水文手冊》,通過分析,采用比擬法確定各河段防洪標(biāo)準(zhǔn)下的洪峰流量。

3.1 參證站選擇

基于禿尾河流域?qū)嶋H情況,根據(jù)其下墊面組成物質(zhì)和地形地貌條件將流域劃分為風(fēng)沙區(qū)、蓋沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)。禿尾河上游區(qū)間地形地貌為風(fēng)沙區(qū),屬于毛烏素沙邊緣,高家堡站雖設(shè)在瑤鎮(zhèn)以下36 km處,但其集水范圍內(nèi)有風(fēng)沙區(qū),又有黃土丘陵溝壑區(qū),而韓家峁站雖離禿尾河流域較遠(yuǎn),但韓家峁控制流域氣象水文與下墊面條件與禿尾河上游區(qū)間相似,且它是風(fēng)沙區(qū)唯一的代表性水文站。故本次河道劃界,采用韓家峁水文站作為禿尾河上游水文計(jì)算的參證站。禿尾河流域現(xiàn)有高家堡和高家川兩個國家基本水文站,高家堡水文站位于禿尾河流域中游,地處風(fēng)沙區(qū)與黃土丘陵溝壑區(qū)接壤地帶,高家川水文站位于禿尾河下游,處于黃土丘陵溝壑區(qū),分別代表禿尾河中游及下游的流域氣象和河道水文情況,因此選用高家堡和高家川水文站分別作為禿尾河流域中游和下游洪水頻率計(jì)算的參證站。禿尾河河道劃界參證水文站情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 禿尾河河道劃界參證水文站情況統(tǒng)計(jì)表

3.2 洪峰流量頻率計(jì)算

本次禿尾河河道劃界采用經(jīng)過還原后的高家堡水文站1966 年～2017 年、高家川水文站1956 年～2017 年和韓家峁水文站1956 年～2010 年的年最大流量資料系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。依據(jù)《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型曲線適線,確定統(tǒng)計(jì)參數(shù),參考洪水不連續(xù)序列實(shí)施洪峰流量頻率計(jì)算分析[3-4]。高家堡、高家川、韓家峁3個水文站洪峰流量頻率計(jì)算成果見表2。

表2 各水文站洪峰流量頻率計(jì)算成果表 單位：m3/s

采兔溝水庫采用泄洪洞泄洪,不同頻率下泄流量相差較小。根據(jù)《采兔溝水庫初步設(shè)計(jì)報(bào)告》水庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果,水庫1000年一遇最大下泄流量為57.9 m3/s；50 年一遇最大下泄流量為57.1 m3/s。100年以上洪水下泄流量均為58.0 m3/s；50 年一遇以下洪水下泄流量均為57.0 m3/s。因此50 年一遇、20 年一遇、10 年一遇削峰流量分別為249 m3/s、149 m3/s、102 m3/s。本次計(jì)算根據(jù)高家堡、高家川水文站各頻率下的洪峰流量值,扣除采兔溝水庫削峰流量,得到兩個水文站各頻率下修建水庫后的洪峰流量,見表3。在本次頻率分析計(jì)算中,高家堡、高家川水文站將資料系列延長到2017 年,實(shí)測系列長度分別為62 年、52 年,高家川水文站同時考慮了歷史大洪水,符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,其計(jì)算成果合理。韓家峁水文站設(shè)計(jì)洪水成果與《陜西省神木縣采兔溝水庫工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（韓家峁洪水系列年限1957～2000 年）中成果比較（見表3,均值略有減小,CV略有增大,成果基本一致；與《榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程》（韓家峁洪水系列年限1957 年～2015 年）中成果比較,均值略有增加,CV略有減小,成果基本一致。根據(jù)安全原則,本次劃界采用《陜西省神木縣采兔溝水庫工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中較大值71 m3/s進(jìn)行計(jì)算。

表3 修改后各水文站洪峰流量頻率計(jì)算成果表 單位：m3/s

禿尾河流域從上游到下游地形地貌差別較大,禿尾河干流有水庫、渠道等涉河水利工程,且有眾多支流匯入,延河涉及不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)導(dǎo)致劃界標(biāo)準(zhǔn)不同等,因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況,對整個禿尾河進(jìn)行分段,每段視為非均勻恒定流,分別對各段進(jìn)行劃界。根據(jù)水文計(jì)算分段原則,本次禿尾河干流水文計(jì)算共分為18段,禿尾河干流各控制斷面水位計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 禿尾河河道劃界參證水文站情況統(tǒng)計(jì)表

4 水面線計(jì)算分析

根據(jù)河道的實(shí)地情況,參考水文站等相關(guān)批復(fù)資料,確定不同河段的河道糙率,河道比降等參數(shù)。在一般河段,確定每段河道下游斷面為控制起推斷面[5]。根據(jù)禿尾河河道劃界要求,確定18 個控制斷面,采用曼寧公式法建立各控制斷面的水位～流量關(guān)系,確定起推斷面的設(shè)計(jì)洪水位。按照伯努利能量守恒方程,由控制斷面起推,計(jì)算各段河道斷面在對應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位。

4.1 糙率的確定

高家堡水文站大洪水實(shí)測糙率資料很少,高家川水文站大洪水實(shí)測糙率資料較多。選取高家川水文站400 m3/s以上較大洪水期間的糙率資料通過統(tǒng)計(jì),糙率平均值為0.023。此外通過外業(yè)工作人員的實(shí)地調(diào)查,本次禿尾河劃界中,各分段河道采用的糙率值見表5。

表5 各段河道糙率和比降取值表

4.2 水面線計(jì)算

本次計(jì)算采用了該HEC-RAS軟件中一維恒定流計(jì)算原理,控制方程采用能量方程式,計(jì)算方法采用標(biāo)準(zhǔn)步推法。此外,還采用了工程實(shí)踐中常用的恒定非均勻流伯努利能量方程推求河道水面曲線。通過能量守恒方程推求計(jì)算河道水面線分析步驟如下：先根據(jù)河道斷面實(shí)測成果、比降、糙率

等資料,通過曼寧公式、堰流公式確定起始邊界條件,然后用恒定非均勻流公式,由下游至上游逐斷面推算斷面水位。通過HEC軟件和能量守恒方程兩種方法進(jìn)行求解,對比計(jì)算得到最終的計(jì)算結(jié)果。

4.3 水面線合理性分析

通過計(jì)算得出,高家川、高家堡水文站處水位高程分別為761.06 m和947.59 m。通過收集兩個水文站水位-流量曲線,分別為“2020 年禿尾河高家堡站中高水報(bào)汛曲線圖”和“2020 年禿尾河高家川站中高水報(bào)汛曲線圖”,查圖可知,高家川、高家堡水文站水位高程分別為762.27 m和947.60 m。本次計(jì)算水位成果相比兩個水文站實(shí)際取值相差分別為高家川站0.390 m,高家堡站0.010 m,對比結(jié)果見表6,證明本次結(jié)果計(jì)算較為準(zhǔn)確,結(jié)果可用。通過對水文站水位計(jì)算成果驗(yàn)證,可以充分驗(yàn)證整個禿尾河水面線計(jì)算成果合理可用。

表6 高家堡、高家川水文站水位計(jì)算合理性分析表單位：m

5 結(jié)語

禿尾河部分河段因?yàn)槟壳笆┕?導(dǎo)致河道損毀,該段需要明確目前修建的工程概況,并明確規(guī)劃修建后對水面線影響；需要進(jìn)一步收集并明確各段堤防的防洪等級、堤腳線等；要保證禿尾河劃界與周邊的采兔溝水庫、下游的瑤鎮(zhèn)水庫劃界同步銜接有序[6]；禿尾河下游彎道兩岸為高陡坡,界樁存在一定的困難；要進(jìn)一步做好水文站、渠首工程、河道劃界交界處的銜接工作。