志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理工程區(qū)洪水分析

趙田文，徐海燕

(1.陜西省志丹縣河長(zhǎng)制領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，陜西 延安 717500；2.陜西省延安市志丹縣水利工作隊(duì)，陜西 延安 717500)

1 流域概況

周河為北洛河源頭左岸較大的一級(jí)支流，位于東經(jīng)108°31′～108°50′，北緯36°35′～37°10′之間，發(fā)源于白于山南麓靖邊縣周家嘴，從志丹縣順寧鄉(xiāng)的大擺溝入縣境，由西北流向東南，經(jīng)周河鄉(xiāng)、志丹縣城后轉(zhuǎn)向南流，過(guò)雙河鄉(xiāng)，于永寧鄉(xiāng)川口匯入洛河。河流全長(zhǎng)85.1 km，流域面積1 334 km2，河道平均比降3.7‰。流域呈羽型，較大支流有駙馬溝、孫岔溝、麻子溝等。周河流域地貌類型主要分為黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)和河谷階地區(qū)。梁峁溝壑區(qū)地貌以梁為主，梁頂間或有大型的孤立峁，溝谷密度大，侵蝕強(qiáng)烈，河溝深切，滑坡、瀉溜、崩塌普遍。梁、峁、坡已多辟為梯田。河谷階地區(qū)沖積階地發(fā)育，一級(jí)階地相對(duì)高出河床3～10 m，面積較大而連片，階地堆積物下多石礫層。二級(jí)階地一般高出河床15～25 m，由于深切侵蝕，二級(jí)階地被分割成塊狀。該縣優(yōu)良農(nóng)田多集中在二級(jí)階地上。本次主要以擬建的志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目一期工程為例，對(duì)該工程治理項(xiàng)目區(qū)的暴雨洪水特性、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析過(guò)程及成果合理性比選方法進(jìn)行總結(jié)，也為掌握周河流域水文氣象特征有參考價(jià)值。流域水系分布見圖1。

2 研究區(qū)參證水文站選取

擬建的志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目一期工程位于周河中游，流域內(nèi)沒有較大水利水電工程，選擇距離工程項(xiàng)目區(qū)最近的為志丹縣水文站為參證站進(jìn)行分析計(jì)算最為合適。該水文站距離工程區(qū)大約5 km,由陜西省水利廳于1960年8月設(shè)立，為專用水文站，資料未勘?。?961年12月11日停測(cè)，1964年7月交由陜西省水文總站管理，將斷面下遷1.5 km，開始恢復(fù)測(cè)驗(yàn)工作，1965年5月斷面上遷100 m，更名為志丹水文(二)站，位于陜西省志丹縣城關(guān)鎮(zhèn)，地處東經(jīng)108°46′、北緯36°49′，控制流域面積774 km2，距河口距離31 km，觀測(cè)項(xiàng)目齊全，連續(xù)觀測(cè)至今。本次收集志丹水文站1964-2010年共47 a的實(shí)測(cè)洪水資料對(duì)暴雨洪水特性進(jìn)行分析。水文站概況見表1。

表1 水文站基本情況表

圖1 周河流域水系圖

3 洪水分析

3.1 暴雨洪水特性

周河流域的洪水均系暴雨所致，暴雨多為雷暴雨。周河流域一次暴雨歷時(shí)最大暴雨期為24 h左右，其主雨峰均為12 h，次洪水歷時(shí)一般1～2 d左右，單峰居多，該流域呈暴雨多發(fā)生地，志丹附近有暴雨中心，主要原因是該地區(qū)的地形主要屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，植物匱乏、山大溝深、坡度比較陡，加之周河流域的河床比降較大，造成河槽的調(diào)蓄洪水的能力不佳，該流域的洪水經(jīng)常攜帶著大量的泥沙和石塊，洪水具有來(lái)勢(shì)迅猛、歷時(shí)短、暴漲暴落，峰高量小，峰型尖瘦，洪峰過(guò)程與沙峰過(guò)程基本同步或沙峰稍滯后及含沙量大的特點(diǎn)。通過(guò)分析志丹水文站1964-2010年47 a實(shí)測(cè)洪水資料來(lái)看，洪水通常下最早發(fā)生在每年4月份，年最大洪水一般在7-8月發(fā)生,偶然個(gè)別年份，10月份如果有連陰雨影響的話，也會(huì)有洪水發(fā)生。志丹水文站歷史實(shí)測(cè)的最大洪峰流量為發(fā)生在1977年7月6日的洪水，最大洪峰流量為2 610 m3/s；最小洪峰流量則發(fā)生在1952年7月31日，最小洪峰流量為123 m3/s。

3.2 歷史洪水及重現(xiàn)期

依據(jù)陜西省水文水資源勘測(cè)局(原陜西省水文總站)1985年匯編的《陜西省洪水調(diào)查資料》和《延安市實(shí)用水文手冊(cè)》，周河在入洛河口上游的川口洼斷面共進(jìn)行洪水調(diào)查6次，較可靠的成果4次，即1917年2 360 m3/s，1956年2 350 m3/s，1939年1 730 m3/s，1933年1 450 m3/s。當(dāng)時(shí)調(diào)查歷時(shí)特大洪水主要來(lái)源于志丹至周河入洛河口區(qū)間暴雨。目前志丹站實(shí)測(cè)系列中大洪水值已大于或相當(dāng)于調(diào)查成果，為安全考慮，本次洪水計(jì)算直接采用志丹站實(shí)測(cè)系列進(jìn)行分析。

3.3 資料選用

由于志丹水文站位于工程區(qū)河段上游，其間沒有支流加入，本次評(píng)價(jià)采用志丹水文站資料為依據(jù)，進(jìn)行洪水頻率分析計(jì)算，作為各工程斷面的設(shè)計(jì)洪水。

3.3.1 選樣方法

采用年最大值法選樣。選取洪峰流量資料系列進(jìn)行頻率計(jì)算，即每年選取一個(gè)年最大洪峰流量，n年資料可選出n個(gè)年極值，組成一個(gè)計(jì)算樣本。

3.3.2 實(shí)測(cè)洪水資料系列

周河流域設(shè)有志丹水文站，觀測(cè)項(xiàng)目齊全，連續(xù)觀測(cè)至今，斷面位置雖發(fā)生遷移，但遷移范圍極小，不影響資料的連續(xù)性。根據(jù)本次水文計(jì)算任務(wù)，收集周河志丹水文站1964-2010年的實(shí)測(cè)洪水資料。

1)資料“三性”分析

(1)資料可靠性分析

支流周河志丹水文站1964-2010年洪水實(shí)測(cè)系列，均來(lái)源于陜西省水文數(shù)據(jù)庫(kù)及《水文年鑒》，并進(jìn)行了核對(duì)，調(diào)查洪水資料來(lái)源于《陜西省洪水調(diào)查資料》。該站測(cè)驗(yàn)河段順直，斷面穩(wěn)定，連續(xù)觀測(cè)至今，經(jīng)對(duì)測(cè)驗(yàn)情況進(jìn)行了解，中低水采用流速儀測(cè)流，高水采用均勻浮標(biāo)或中泓浮標(biāo)測(cè)流，洪水過(guò)程控制完整，浮標(biāo)投放符合規(guī)范要求，浮標(biāo)和流速系數(shù)為本站分析試驗(yàn)值，并經(jīng)陜西省水文水資源勘測(cè)局(原陜西省水文總站)審查批準(zhǔn)后使用，流量資料計(jì)算方法正確，成果可靠。因此，周河志丹水文站年最大洪峰流量資料系列可靠性好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(2)系列一致性分析

資料一致性是指一個(gè)系列不同時(shí)期的資料成因是否相同。水文頻率計(jì)算洪水資料必須具有一致性，也就是各年洪水的流域產(chǎn)流、匯流條件應(yīng)保持基本相同。當(dāng)流域內(nèi)修建水庫(kù)、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會(huì)影響洪水資料的一致性。周河志丹水文站以上未建大中型水利工程，人類活動(dòng)對(duì)志丹水文站的洪水影響較小，從志丹水文站累積年最大洪峰流量-歷時(shí)曲線圖(圖2)可以看出，曲線總趨勢(shì)呈直線，雖有周期性擺動(dòng)，但曲線斜率沒有發(fā)生變化，說(shuō)明資料的一致性好。

圖2 志丹站累積年最大洪峰流量-歷時(shí)曲線

(3)系列代表性分析

周河志丹水文站站具有從1964-2010年47年洪峰流量系列。點(diǎn)繪年最大洪峰流量歷時(shí)過(guò)程線圖和差積過(guò)程線，進(jìn)行周期分析可知，志丹水文站45 a洪水系列中包含有大、中、小水和豐、平、枯時(shí)段的各種來(lái)水組合，其中洪水系列中包括了一個(gè)豐水和枯水時(shí)段，豐水時(shí)段為1967-1977，枯水時(shí)段為1978-2010。其中豐水年8年，平水年20 a，枯水年19 a。從點(diǎn)繪的年最大洪峰流量歷時(shí)過(guò)程線(圖3)和年最大洪峰流量差積曲線(圖4)以及逆序累加洪峰流量均值模比系數(shù)圖(圖5)可以看出，隨著系列的增加，洪峰流量的均值趨于穩(wěn)定。因此，志丹水文站實(shí)測(cè)洪水系列資料，代表性較好，能滿足本次洪水頻率計(jì)算的需要。

圖3 年最大洪峰流量歷時(shí)過(guò)程線

圖4 年最大洪峰流量差積曲線

2)設(shè)計(jì)洪水成果的合理性分析

本次計(jì)算采用資料系列長(zhǎng)，資料的可靠性、一致性和代表性好。并考慮了歷史調(diào)查洪水，洪峰流量均值模系數(shù)C值與原陜西省水文總站編制的《陜西省水文圖集》和《延安市水文手冊(cè)》基本一致，但本次的Cv值由于采用資料系列長(zhǎng)，地區(qū)分布更合理。說(shuō)明本次洪峰流量(天然)計(jì)算資料詳實(shí)，分析全面，成果合理可靠。

圖5 志丹站年最大洪峰流量累計(jì)平均值模比系數(shù)過(guò)程線

3.4 工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本工程設(shè)計(jì)洪水按照多種方法、綜合分析、合理選用的原則確定。采用水文比擬法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和綜合參數(shù)法進(jìn)行洪水推算。

3.4.1 水文比擬法

采用志丹水文站洪峰流量計(jì)算成果，按照水文比擬法計(jì)算工程區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算公式如下：

Q工=(F工/F參)2/3Q參

(1)

式中：Q工、Q參分別為工程區(qū)和參證站設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；F工、F參分別為工程區(qū)和參證站流域面積(km2)，F(xiàn)參=774。

以志丹水文站為參證站，按照水文比擬法推算的工程區(qū)設(shè)計(jì)斷面處洪水成果見表2。

表2 水文比擬法洪水計(jì)算成果表

3.4.2 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式為：Qmp=Kp×Fn

(2)

式中：Qmp為設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量(m3/s)；F為設(shè)計(jì)流域面積(km2)；Kp、n為設(shè)計(jì)頻率為P的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和指數(shù)。

查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》知，指數(shù)n為0.61，查出不同頻率的Kp值后，將F工代入，即可求得不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算成果見表3。

表3 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算成果表

3.4.3 綜合參數(shù)法

按照《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》以流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)建立的多因素經(jīng)驗(yàn)公式推算工程設(shè)計(jì)洪水。計(jì)算公式如下：

QmN=C×Nα×Fβ×ψγ×Hη3N

(3)

式中：QmN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；F為設(shè)計(jì)流域面積(km2)；ψ為流域形狀系數(shù)，ψ=F/L2；H3N為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3小時(shí)面雨量；其它為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，C=2.54，α=0.17，β=0.58，γ=0.11η=0.49。通過(guò)計(jì)算，不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量見表4。

表4 綜合參數(shù)法計(jì)算成果表

3.4.4 設(shè)計(jì)洪水的確定

根據(jù)多種方法計(jì)算的工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水及工程區(qū)歷史大洪水調(diào)查成果見表見表5。從表5中可以看出，幾種方法計(jì)算的工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果相差較大，水文比擬法計(jì)算的洪水成果最大，地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和綜合參數(shù)法計(jì)算結(jié)果比較接近。

表5 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表

綜合參數(shù)法和洪峰面積相關(guān)法建立時(shí)間較早，基礎(chǔ)參數(shù)極為有限，按這兩種方法計(jì)算的洪水成果誤差依然較大。由于工程區(qū)流域面積最大為工程末端927.5 km2，與志丹水文站流域面積774 km2僅相差19.8%，以志丹水文站為參政站，采用水文比擬法計(jì)算的工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水，成果比較合理。

4 結(jié)語(yǔ)

志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目一期工程具有顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益，可促進(jìn)縣域社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)水環(huán)境和生態(tài)平衡具有十分有利的影響。通過(guò)對(duì)志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目一期工程區(qū)進(jìn)行洪水分析，可摸清工程區(qū)內(nèi)的暴雨洪水特征，同時(shí)確定的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)洪水成果，對(duì)施工期制定安全合理的分洪避洪措施、保證施工工期進(jìn)行具有關(guān)鍵作用，能保證整個(gè)工程的安全順利實(shí)施。