神木市呼家溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

魏于茜，張澤文

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710018）

1 流域概況

呼家溝為窟野河左岸一級(jí)支流,黃河二級(jí)支流,發(fā)源于陜西省神木市永興一帶,自東向西流經(jīng)常梁村、散岔村、沙灣村、呼家臺(tái)村,在呼家臺(tái)村匯入窟野河。呼家溝控制流域面積102.2 km2,河道全長24.5 km,平均比降13.4‰。

呼家溝流域地形東北高西南低,高程在1260 m～920 m 之間,上游分水嶺最高點(diǎn)海拔1300 m,溝口處海拔高程920.6 m左右。地貌屬黃土丘陵溝壑區(qū),植被覆蓋率低。呼家溝流域內(nèi)無大中型水利水電工程。

2 測站及資料系列

呼家溝流域無水文站。鄰近流域悖牛川上設(shè)有新廟水文站,1966 年5 月建成測流,基本斷面位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗新廟鄉(xiāng)古城壕村,控制流域面積1527 km2,有1966 年～2017 年共52 年實(shí)測水文資料。鄰近流域佳蘆河有申家灣站,基本斷面位于佳縣申家灣村,控制流域面積1121 km2,有1957 年～2017 年共61 年實(shí)測水文資料。鄰近流域孤山川有高石崖水文站,基本斷面設(shè)在府谷鎮(zhèn)大沙溝村,是孤山川的出口控制站,站址至河口1.8 km,控制流域面積1263 km2,設(shè)站于1953 年7 月,觀測至今。曹坪站位于無定河支流大理河左岸的岔巴溝上,1958 年8 月建站,控制面積187 km2,流域?qū)儆邳S土丘陵溝壑區(qū),有1959 年至今長系列實(shí)測流量資料。

工程附近水文站網(wǎng)布設(shè)情況見表1。

表1 工程河段附近水文站網(wǎng)一覽表

3 洪水選樣

在新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站實(shí)測資料系列中,按年最大值法進(jìn)行選樣。

4 洪水資料審查

4.1 洪水資料的可靠性

1988 年以前各站年最大洪峰流量依據(jù)《黃河流域水文資料-中游區(qū)上段（河口鎮(zhèn)至龍門）》中的流量特征資料和洪水水文要素摘錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,1989 年～2017 年各站洪水資料系依據(jù)經(jīng)正式整編的流量和洪水成果整理,因此資料總體基本可靠。

4.2 洪水資料的一致性

20 世紀(jì)90 年代初以來,悖牛川、孤山川、佳蘆河及岔巴溝流域水資源利用工程較少,流域降水的產(chǎn)匯流條件,尤其是洪水過程的形成條件并無明顯差異,其對洪水系列一致性的影響可以忽略。因此,選樣洪水系列具有較好的一致性。

4.3 洪水資料的代表性

為分析新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站洪水資料的代表性,繪制了四站年最大洪峰流量過程線,見圖1～圖4。

圖1 新廟站年最大洪峰流量過程線

圖2 高石崖站年最大洪峰流量過程線

圖3 申家灣站年最大洪峰流量過程線

圖4 曹坪站年最大洪峰流量過程線

從圖可以看出,新廟站洪水系列已長達(dá)52 年,高石崖站洪水系列已長達(dá)65 年,申家灣站洪水系列已長達(dá)61 年,曹坪站洪水系列已長達(dá)59 年,這些洪水系列基本上已經(jīng)包括了豐水年組、平水年組、枯水年組以及各種來水組合,同時(shí)洪水系列正遞序均值、變差系數(shù)CV隨歷時(shí)變化也趨于穩(wěn)定,因此認(rèn)為新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站的洪水系列具有較好的代表性。

5 歷史洪水

5.1 以往調(diào)查成果

新廟站有1966 年～2017 年共52 年的實(shí)測洪水系列,實(shí)測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量為8150 m3/s；次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量為4850 m3/s；第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量為4290 m3/s。

高石崖站有1953 年～2017 年共65 年的實(shí)測洪水系列,其中1977 年實(shí)測洪峰流量10300 m3/s,為自1953 年建站至今最大值,也是1893 年以來的最大值。經(jīng)分析本次洪水成因是由于特大暴雨形成,本次計(jì)算時(shí)按特大值處理,重現(xiàn)期定為125 年。

申家灣站有1957 年～2017 年共61 年的實(shí)測洪水系列,實(shí)測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量為8150 m3/s；次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量為4850 m3/s；第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量為4290 m3/s。

5.2 本次洪水調(diào)查

為滿足呼家溝溝口處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的需要,本次收集悖牛川、孤山川、佳蘆河及岔巴溝等河段的文史資料,就1890 年以來的歷史大洪水情況采訪了當(dāng)?shù)厝罕?對1976 年、1977 年、1978 年及1989 年洪水有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

6 洪水頻率計(jì)算

根據(jù)新廟站1966 年～2017 年52 年最大洪峰流量系列、高石崖站1953 年～2017 年共65 年最大洪峰流量系列、申家灣站1957 年～2017 年共61 年最大洪峰流量系列、曹坪站1959 年～2017 年共59 年最大洪峰流量系列,按連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算,均值及變差系數(shù)CV采用矩法計(jì)算,理論頻率偏態(tài)系數(shù)CS按經(jīng)驗(yàn)取CV的倍比通過適線確定。根據(jù)矩法計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)參數(shù),采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線,在適線中總的準(zhǔn)則是：盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的中心位置。若有困難時(shí),側(cè)重考慮與上部和中部大水點(diǎn)據(jù)吻合。經(jīng)過適線,求得新廟站、高石崖站、申家灣站和曹坪站不同頻率洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 各站洪水頻率計(jì)算成果表 單位：m3/s

7 設(shè)計(jì)成果的合理性檢查

7.1 新廟站成果對比與選用

悖牛川新廟站洪水頻率分析計(jì)算工作,以往進(jìn)行過多次。黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司在2014 年7 月編制了《窟野河神木縣礦區(qū)段防洪及生態(tài)治理規(guī)劃報(bào)告》（以下簡稱《礦區(qū)規(guī)劃》）,新廟站設(shè)計(jì)洪水成果通過省水利廳的審查,《內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗忽雞兔溝治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院,2013 年11 月,以下簡稱《活雞兔溝初設(shè)》）、《陜西省中小河流治理工程神木市活雞兔溝中雞鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院,2018 年11月,以下簡稱《活雞兔溝初設(shè)》）、《窟野河流域綜合規(guī)劃》（水利部黃河水利委員會(huì),2019 年9 月,以下簡稱《流域規(guī)劃》）中的新廟站設(shè)計(jì)洪水成果通過了黃委的審查。本次計(jì)算成果與以往成果比較情況見表3。

表3 新廟站歷次洪水計(jì)算成果比較表 單位：m3/s

從表中可以看出,本次計(jì)算成果比《礦區(qū)規(guī)劃》成果偏小9.4%～13.7%,比《活雞兔溝初設(shè)》（內(nèi)蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,與《活雞兔溝初設(shè)》成果基本一致,其原因主要是近期以來悖牛川流域一直處于枯水時(shí)段,發(fā)生大洪水次數(shù)減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于窟野河上中游設(shè)計(jì)洪水涉及黃河治理、窟野河規(guī)劃諸多方面因素,黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司在編制《礦區(qū)規(guī)劃》時(shí)考慮的因素比較全面,成果比較合理,《流域規(guī)劃》經(jīng)分析仍采用《礦區(qū)規(guī)劃》成果,故仍以《礦區(qū)規(guī)劃》成果作為本次計(jì)算的依據(jù)。

7.2 高石崖站成果對比與選用

孤山川高石崖站洪水頻率分析計(jì)算工作,以往進(jìn)行過多次。陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院在2010 年7 月編制了《陜西省府谷縣孤山川重點(diǎn)段防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（以下簡稱《孤山川初設(shè)》）,高石崖站設(shè)計(jì)洪水成果通過省水利廳及榆林市水利局的審查。本次計(jì)算成果與以往成果比較情況見表4。

表4 高石崖站歷次洪水計(jì)算成果比較表 單位：m3/s

從表中可以看出,本次計(jì)算成果比《孤山川初設(shè)》成果偏小5.9%～6.1%,其原因主要是近期以來孤山川流域一直處于枯水時(shí)段,發(fā)生大洪水次數(shù)減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于高石崖站設(shè)計(jì)洪水涉及諸多方面因素,《孤山川初設(shè)》考慮的因素比較全面,成果比較合理,成果已通過了省水利廳的審查,防洪工程已經(jīng)實(shí)施,故仍以《孤山川初設(shè)》成果作為本次計(jì)算的依據(jù)。

7.3 申家灣站成果對比與選用

佳蘆河申家灣站洪水頻率分析計(jì)算工作,以往進(jìn)行過多次。黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司于2019 年12 月編制了《榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程黃石溝調(diào)蓄水庫初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（以下簡稱《黃石溝水庫初設(shè)》）、陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院于2019 年12 月編制了《榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程神木支線初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（以下簡稱《神木支線初設(shè)》）,申家灣站設(shè)計(jì)洪水成果通過陜西省水利廳、榆林市水利局的審查。本次計(jì)算成果與以往成果比較情況見表5。

表5 申家灣站歷次洪水計(jì)算成果比較表 單位：m3/s

從表5 中可以看出,本次計(jì)算成果比《黃石溝水庫初設(shè)》《神木支線初設(shè)》成果偏小0～3.4%,主要是由于近期以來佳蘆河流域一直處于枯水時(shí)段,發(fā)生大洪水次數(shù)減少,隨著資料系列的延長,使均值隨系列延長而減小。鑒于佳蘆河設(shè)計(jì)洪水涉及黃河治理、佳蘆河規(guī)劃諸多方面因素,黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司在編制《黃石溝水庫初設(shè)》時(shí)考慮的因素比較全面,成果比較合理,《神木支線初設(shè)》經(jīng)分析仍采用《黃石溝水庫初設(shè)》成果,故仍以《黃石溝水庫初設(shè)》成果作為本次計(jì)算的依據(jù)。

7.4 曹坪站成果對比與選用

曹坪站設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算工作,以往進(jìn)行過多次。陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院在2017 年編制了《陜西省中小河流治理項(xiàng)目子洲縣岔巴溝三川口鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,曹坪站設(shè)計(jì)洪水成果通過省水利廳的審查。黃委設(shè)計(jì)院完成《黃石溝調(diào)蓄水庫初步設(shè)計(jì)》時(shí),對曹坪站設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算,通過陜西省發(fā)改委的批復(fù)。本次計(jì)算成果與以往成果比較情況見表6。

表6 曹坪站歷次洪水計(jì)算成果比較表 單位：m3/s

從表6 中看出,本次計(jì)算成果與《黃石溝水庫初設(shè)》《岔巴溝防洪初設(shè)》成果都比較接近,相差在-2.5%～15.9%以內(nèi)。考慮到“黃石溝水庫初設(shè)”為近期審批成果,本次曹坪站設(shè)計(jì)洪水采用“黃石溝水庫初設(shè)”成果。

8 呼家溝設(shè)計(jì)洪水

呼家溝溝口處的設(shè)計(jì)洪水采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為：

式中：Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計(jì)斷面和參證站洪峰流量；F設(shè)、F參分別為設(shè)計(jì)斷面和參證站集水面積；n 面積指數(shù)采用0.67。

經(jīng)過計(jì)算,求得呼家溝溝口處的設(shè)計(jì)洪水,成果見表7。

表7 呼家溝溝口處水文比擬法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表單位：m3/s

從表7 中可以看出,水文比擬法采用了近期實(shí)測的水文資料,成果精度相對較高,但考慮到因地區(qū)水文特性不同,成果有一定差異,高石崖站計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水大于申家灣站和曹坪站計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水,小于新廟站設(shè)計(jì)洪水。經(jīng)綜合分析比較,本次呼家溝溝溝口處設(shè)計(jì)洪水采用以高石崖站為參證站水文比擬法求得的成果,10 年一遇洪峰流量為578 m3/s,20 年一遇洪峰流量為892 m3/s。

9 結(jié)語

1）依據(jù)新廟、高石崖、申家灣和曹坪站實(shí)測資料,按年最大值法選樣,得到了新廟1966 年～2017 年、高石崖1953 年～2017 年、申家灣1957 年～2017 年和曹坪站1959 年～2017 年可靠性、一致性、代表性較好的資料系列。

2）新廟站實(shí)測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水；高石崖站實(shí)測最大洪水為1977 年洪水；申家灣站實(shí)測最大洪水為1989 年7 月21 日洪水,次大洪水為1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水為1976 年8 月2 日洪水。

3）按照考慮歷史洪水的連續(xù)長系列進(jìn)行頻率分析計(jì)算,年最大洪峰頻率成果符合參數(shù)的地區(qū)分布規(guī)律。本次按長系列分析計(jì)算的新廟站成果比《礦區(qū)規(guī)劃》成果偏小9.4%～13.7%,比《活雞兔溝初設(shè)》（內(nèi)蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,高石崖成果比《孤山川初設(shè)》成果偏小5.9%～6.1%,申家灣成果比《黃石溝水庫初設(shè)》《神木支線初設(shè)》成果偏小0%～3.4%,曹坪站計(jì)算成果與《黃石溝水庫初設(shè)》《岔巴溝防洪初設(shè)》成果都比較接近,相差在-2.5%～15.9%以內(nèi)。