黃河府谷天橋段防洪工程設(shè)計(jì)洪水分析

齊小利

（府谷縣應(yīng)急救援保障中心，陜西 府谷 719499）

黃河在陜西府谷縣境長(zhǎng)103km，該段河道自天橋水電站以下是上寬下窄，其中最寬處達(dá)1600m，最窄處只有540m，河勢(shì)復(fù)雜。特別是黃河天橋水電站下游400m 至東門(mén)灣段還沒(méi)有得到治理，嚴(yán)重威脅府谷縣城防洪安全，為對(duì)此段進(jìn)行治理，需對(duì)工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析。

1 概況

府谷縣河流較多。一級(jí)河流有黃河；四級(jí)河流有皇甫川（黃甫川）、孤山川、悖牛川。其中50 km2～100 km2流域面積的河流有6 條，均屬黃河水系。黃河自府谷縣墻頭農(nóng)業(yè)園區(qū)入境，流經(jīng)九個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，流程103 km，占黃河全長(zhǎng)的1.9%；多年平均流量為822 m3/s。汛期最大流量可達(dá)11500 m3/s。

2 暴雨洪水泥沙特性

2.1 暴雨特性

治理河道以上位于黃河中游溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量453 mm，但年內(nèi)分配不均，主要降雨集中在7月、8 月兩個(gè)月，占年降水量的56%。項(xiàng)目區(qū)位于黃河中游，暴雨具有強(qiáng)度大、歷時(shí)短特點(diǎn)，降雨區(qū)域相對(duì)于上游地區(qū)較小，其發(fā)生時(shí)間主要在7 月中旬～8 月中旬。區(qū)間暴雨中心多位于靠近天橋壩址的皇甫川、清水川的中上游地區(qū)，如實(shí)測(cè)大洪水1972年7 月19 日和1977年8 月1 日兩次暴雨中心皇甫川站6h 降雨量分別為153 mm 和120 mm。1989年7 月21 日皇甫川一級(jí)支流川掌溝流域，暴雨中心最大降雨量達(dá)141.2 mm。2003年7 月30 日皇甫站最大降雨量為121 mm。

2.2 洪水特性

府谷水文站斷面的洪水是由河口鎮(zhèn)以上和河口鎮(zhèn)至府谷區(qū)間兩個(gè)區(qū)域特征和氣候條件相異地區(qū)的洪水組合后形成的。上游地區(qū)的洪水是由大面積、小強(qiáng)度、長(zhǎng)歷時(shí)的暴雨形成，且受到湖泊、草地等的調(diào)蓄，過(guò)程線(xiàn)多為長(zhǎng)歷時(shí)矮胖型，一般洪水歷時(shí)可達(dá)30d～40d，其發(fā)生時(shí)間主要集中在7月和9 月、10 月時(shí)段。區(qū)間洪水是由強(qiáng)度大、歷時(shí)短、范圍小的暴雨造成，加之地面坡度大，常形成峰高量小，峰形尖瘦的洪水過(guò)程，洪水歷時(shí)一般一天左右，主要發(fā)生在7 月、8月，尤其以8 月為多。而且實(shí)測(cè)資料表明，上游和區(qū)間兩個(gè)地區(qū)的較大洪水一般是不相遭遇的，對(duì)上游地區(qū)洪水來(lái)說(shuō)只是組成洪峰的基流部分，而中游地區(qū)的洪水則是洪峰的主體。

2.3 泥沙特性

根據(jù)義門(mén)水文站、府谷水文站資料統(tǒng)計(jì)，黃河府谷段多年平均年輸沙量為2.08 億t，最大年輸沙量8.67 億t（1967年），最小年輸沙量0.038 億t（2005年），兩者倍比高達(dá)228.2。泥沙主要集中在汛期洪峰期間，皇甫川來(lái)水來(lái)沙情況對(duì)黃河干流影響較大。

來(lái)沙量年際差別也很大，義門(mén)站1967年來(lái)沙量達(dá)8.67億t，而1965年來(lái)沙量?jī)H為1.15 億t，兩者倍比為7.5。來(lái)沙的另一特點(diǎn)是曲峪以上來(lái)沙顆粒較細(xì)，皇甫川入?yún)R以后顆粒變粗。

3 項(xiàng)目涉及水利設(shè)施

治理河段以上黃河干流上已先后建成龍羊峽等9 座大型水利水電樞紐工程，其中萬(wàn)家寨、龍口、天橋距治理段較近，對(duì)治理段洪水有一定影響。

其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 黃河北干流河段水庫(kù)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)

本次河道治理位于府谷縣城附近，控制流域面積404039 km2。治理河段以上有天橋水電站，天橋水電站與治理斷面區(qū)間162 km2。

治理河段范圍內(nèi)為府谷站，該站1953年設(shè)立處原設(shè)有黃河義門(mén)水文站，控制流域面積403877 km2，因義門(mén)站處于天橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)，因此于1975年遷至壩下8 km 處建立府谷水文站，流域面積404039 km2。為分析研究黃河天橋水庫(kù)的沖淤變化規(guī)律，1973年6 月在壩址至河曲水文站之間還布設(shè)了28 條測(cè)淤斷面，至今具有1973～2011年共39年淤積測(cè)驗(yàn)資料。

4 設(shè)計(jì)洪水

4.1 歷史調(diào)查洪水

天橋壩址調(diào)查到得歷史洪水有1869年、1896年、1909年、1929年、1933年、1945年等，對(duì)1945年洪水群眾反映最多，并在義門(mén)水文站下游2 km 處的鐵匠鋪調(diào)查到了洪痕水位，其他各年洪水未調(diào)查到洪痕水位。1969年進(jìn)行天橋電站設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)1945年調(diào)查到的洪痕水位，推算其流量為10500 m3/s，1972年大水后，經(jīng)歷史洪水符合發(fā)現(xiàn)原調(diào)查的1945年洪水偏小，經(jīng)推算為13000 m3/s。

4.2 歷次設(shè)計(jì)洪水成果

天橋電站是1969年設(shè)計(jì)，1970年開(kāi)始施工的一座低水頭徑流電站，原設(shè)計(jì)洪水系按1945年調(diào)查洪水10500 m3/s，適當(dāng)加大為13000 m3/s 作為設(shè)計(jì)依據(jù)，未進(jìn)行洪水頻率分析。

1972年按照1945年洪水流量和重現(xiàn)期加入到義門(mén)站實(shí)測(cè)1945年～1972年系列中進(jìn)行頻率分析，同時(shí)根據(jù)此頻率分析成果對(duì)工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，對(duì)這次洪水復(fù)核成果經(jīng)原水電部審定后沿用下來(lái)，直到1992年進(jìn)行天橋大壩安全復(fù)核時(shí)，考慮到從1972年以來(lái)壩址出現(xiàn)過(guò)幾次較大洪水，特別是1989年洪水還原后洪峰流量為14300 m3/s 比1945年洪水還大，所以提出延長(zhǎng)實(shí)測(cè)系列并考慮萬(wàn)家寨工程調(diào)蓄作用的影響對(duì)洪水進(jìn)行了復(fù)核。

為考慮萬(wàn)家寨水庫(kù)對(duì)天橋設(shè)計(jì)洪水的影響，需對(duì)天橋壩址、萬(wàn)家寨至天橋區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析。

4.2.1 天橋壩址設(shè)計(jì)洪水

1992年天橋大壩安全檢查進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水復(fù)核時(shí)，鑒于1968年后存在上游劉家峽和1980年后龍羊峽兩工程的調(diào)蓄作用，為了解不同資料條件對(duì)成果的影響，在統(tǒng)計(jì)選樣中考慮實(shí)測(cè)系列、天然系列（龍、劉影響還原）兩種系列資料（資料系列洪峰為1952年～1989年，洪量為1954年～1989年）進(jìn)行頻率分析，提出兩種系列的頻率分析成果，成果見(jiàn)表2（1992年成果實(shí)測(cè)系列1 日洪量設(shè)計(jì)值較萬(wàn)家寨設(shè)計(jì)值稍小，對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由原來(lái)的0.40 調(diào)整為0.41）。

本次將實(shí)測(cè)資料延長(zhǎng)至1997年（統(tǒng)計(jì)仍按年最大洪峰、1 日、3 日洪量分別進(jìn)行獨(dú)立選樣。延長(zhǎng)的實(shí)測(cè)資料已考慮天橋水庫(kù)的影響還原），分析資料系列延長(zhǎng)后天橋設(shè)計(jì)洪水的變化。經(jīng)頻率分析，資料延長(zhǎng)后設(shè)計(jì)洪水與原設(shè)計(jì)洪水成果比較見(jiàn)表2。

表2 天橋水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果比較表 單位：Qm，m3/s；W，億m3

從歷次成果可以看出，其變化不大，并考慮到天橋水庫(kù)為低水頭樞紐，庫(kù)容較小，水庫(kù)調(diào)洪主要受1 日洪量控制，而天然系列洪量成果的還原計(jì)算，尤其是一日洪量存在不確定因素，誤差較大（如洪水傳播時(shí)間，龍、劉調(diào)蓄量計(jì)算等），而且采用天然系列成果還需進(jìn)行龍、劉水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，不僅計(jì)算情況復(fù)雜，也難以準(zhǔn)確計(jì)算其影響量。因此本次確定采用實(shí)測(cè)系列洪水成果。

從安全考慮，本次天橋設(shè)計(jì)洪水成果仍采用1992年大壩安全檢查時(shí)復(fù)核確定的實(shí)測(cè)系列成果。

4.2.2 萬(wàn)家寨至天橋水庫(kù)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水

萬(wàn)家寨至天橋區(qū)間設(shè)計(jì)洪水采用直接法推算。根據(jù)萬(wàn)家寨、天橋及區(qū)間支流站實(shí)測(cè)資料條件，其區(qū)間洪峰流量系列，采用相減法由府谷（義門(mén)）站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程減去相應(yīng)萬(wàn)家寨（缺測(cè)年份用河曲減偏關(guān)或河口鎮(zhèn)加放牛溝代替）洪水過(guò)程求得，對(duì)區(qū)間洪量系列，鑒于支流站控制流域面積已達(dá)區(qū)間面積的82%，因此采用相加法推求，即由皇甫川、清水川、偏關(guān)河、縣川河等支流同日平均流量相加，再乘以面積系數(shù)換算后求得。在區(qū)間洪峰流量頻率分析中，1989年洪峰流量12900 m3/s,為系列首位，根據(jù)區(qū)間洪水的主要來(lái)源支流—皇甫川調(diào)查歷史洪水資料考證，該年洪水比調(diào)查的歷史最大洪水1929年還大，因此其重現(xiàn)期亦按1929年以來(lái)最大洪水處理，初步確定為70年。經(jīng)頻率分析，萬(wàn)家寨至天橋水庫(kù)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水見(jiàn)表3。

表3 萬(wàn)家寨至天橋水庫(kù)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水成果比較表 單位：Qm，m3/s；W，億m3

從表中可以看出，本次成果與1992年成果基本相同，為保持成果一致性，本次推薦萬(wàn)家寨至天橋水庫(kù)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水仍采用1992年成果。

4.3 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)

設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)采用典型年洪水過(guò)程，按設(shè)計(jì)洪水峰、量控制按照1∶1.1 進(jìn)行放大的方法。

根據(jù)天橋現(xiàn)有實(shí)測(cè)資料，從形成特大洪水的暴雨及洪水特性相似性和對(duì)水庫(kù)調(diào)洪不利等因素考慮對(duì)洪峰流量大于7500 m3/s 以上的1989年、1972年、1979年、1988年、1969年等5 次較大洪水進(jìn)行綜合分析比較，最后確定選用1969年和1979年作為代表不同來(lái)源區(qū)的洪水典型。1969年代表以萬(wàn)家寨以上來(lái)水為主的典型（萬(wàn)家寨水庫(kù)已經(jīng)建成，此種類(lèi)型洪水對(duì)天橋已不起控制作用）；1979年代表以萬(wàn)家寨—天橋區(qū)間來(lái)水為主的典型。

設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成為：1969年型洪水以天橋、萬(wàn)家寨以上同頻率，萬(wàn)天區(qū)間相應(yīng)；1979年型洪水以天橋、萬(wàn)天區(qū)間同頻率，萬(wàn)家寨以上相應(yīng)。

其洪水過(guò)程見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 天橋水庫(kù)50年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程（1969年典型）

圖2 天橋水庫(kù)50年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程（1979年典型）

4.4 天橋水庫(kù)調(diào)洪演算

天橋水庫(kù)P=2%洪水過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖1、圖2。

采用天橋水庫(kù)除險(xiǎn)加固（2004年2 月）設(shè)計(jì)時(shí)采用的水位庫(kù)容曲線(xiàn)，見(jiàn)表4。

表4 天橋水庫(kù)水位庫(kù)容曲線(xiàn)

天橋水庫(kù)的起調(diào)水位為汛限水位：830 m。根據(jù)水量平衡的原理進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，調(diào)洪計(jì)算時(shí)段為0.5 h，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 天橋水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果表（P=2%）

4.5 治理段設(shè)計(jì)洪水成果

治理段位于天橋水庫(kù)下游0.4 km，其間無(wú)大的支流匯入，故天橋水庫(kù)最大泄量即為治理段設(shè)計(jì)洪水成果，即治理段50年一遇時(shí)間設(shè)計(jì)洪峰流量為13600 m3/s。

5 結(jié)語(yǔ)

由于上游建設(shè)了眾多大型水利工程，受調(diào)蓄等多重因素影響，使得項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)洪水變得較為復(fù)雜，通過(guò)調(diào)查洪水、歷史設(shè)計(jì)洪水分析探討，以及天橋水庫(kù)的調(diào)洪演算可知，天橋水庫(kù)最大泄量即為治理段50年一遇設(shè)計(jì)洪水成果13600 m3/s，可為項(xiàng)目建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。