延安市中心城區(qū)防洪能力研究

楊紹華

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 背景

延安市具有獨(dú)特的政治地位，是中國(guó)革命的圣地，是全國(guó)愛(ài)國(guó)主義、革命傳統(tǒng)、延安精神三大教育基地，也是國(guó)務(wù)院首批公布的全國(guó)24個(gè)歷史文化名城之一。延安市中心城區(qū)人口和基礎(chǔ)設(shè)施密集，革命舊址、博物館、紀(jì)念館等文物古跡和旅游設(shè)施眾多，一旦遭遇大洪水，將造成不可估量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、文化災(zāi)難和深遠(yuǎn)的國(guó)際影響。

依據(jù)《延安市城市總體規(guī)劃(2015-2030)》、流域機(jī)構(gòu)對(duì)有關(guān)防洪報(bào)告的批復(fù)、延安市政府有關(guān)批復(fù)文件，延安市中心城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a。延安市主城區(qū)三山環(huán)抱、二水合流，整個(gè)城市位于河谷之中，河道谷地是城市發(fā)展的寶貴空間，也是區(qū)域洪水的唯一通道。根據(jù)城區(qū)防洪規(guī)劃，建立以延河干流堤防、護(hù)岸、清淤疏浚為主，結(jié)合上游水庫(kù)防洪調(diào)節(jié)，形成“上攔、中疏、下排”的防洪減災(zāi)工程體系，來(lái)保障城區(qū)防洪安全。

以西川河匯合口下(以下簡(jiǎn)稱“西川下”)斷面作為中心城區(qū)的防洪控制斷面進(jìn)行研究，能夠較準(zhǔn)確的反映防護(hù)區(qū)的洪水情況，同時(shí)又能根據(jù)水文站實(shí)測(cè)資料合成的防洪控制斷面流量對(duì)延安城市防洪進(jìn)行提前預(yù)警。

2 流域暴雨洪水特性

延河流域洪水主要由暴雨形成，暴雨以雷暴雨出現(xiàn)機(jī)率較多。暴雨和洪水最早發(fā)生在5月，最遲出現(xiàn)在9月，但量級(jí)、強(qiáng)度較大的暴雨及量級(jí)較大洪水一般發(fā)生在7-8月。由于流域內(nèi)山高坡陡，墾植指數(shù)高，植被稀疏，同時(shí)河槽調(diào)蓄能力較差，故洪水一般歷時(shí)短，暴漲暴落，峰高量小，峰型尖瘦，一次大洪水歷時(shí)約1～2 d，主峰一般在12 h以內(nèi)。

根據(jù)延安以上測(cè)站雨洪資料統(tǒng)計(jì)分析，流域暴雨中心多發(fā)生于流域上游真武洞、招安以上，甚至涉及窟野河、北洛河(周水)外流域，此類洪水約占延安洪水的70%。如1966年7月26日洪水，延安站實(shí)測(cè)最大洪峰1 670 m3/s，招安站為1 230 m3/s，相應(yīng)真武洞、招安、延安日降水量分別為44.8 mm、48.5 mm、27.8 mm。但也有30%的大洪水暴雨中心偏流域下游，如1969年9月8日洪水，延安站實(shí)測(cè)最大洪峰2 250 m3/s，而招安站僅77.5 m3/s，下游延安、蟠龍雨量站實(shí)測(cè)日降水量分別為69.4 mm、78.9 mm，其上游招安、化子坪站日降水量?jī)H13.0 mm、27.3 mm。

延河1977年7月5日至6日發(fā)生了特大暴雨洪水(以下簡(jiǎn)稱“77.7”洪水)，其暴雨中心位于延安站以上的中咀、王莊一帶，同時(shí)波及西川河流域，次暴雨王莊中心雨量高達(dá)400 mm，為延安地區(qū)發(fā)生的100～200 a一遇大洪水。7月6日3:30在安塞水文站形成最高水位105.19 m，通過(guò)實(shí)測(cè)水位流量驗(yàn)算確定洪峰流量為2 710 m3/s，日洪量為3 040萬(wàn) m3；同時(shí)7月6日2:30在王瑤水庫(kù)監(jiān)測(cè)到洪峰流量為2 620 m3/s，日洪量為2 680萬(wàn) m3；7月6日5:24延安水文站發(fā)生洪峰流量為7 200 m3/s，日洪量為7 850萬(wàn) m3。安塞站至延安站距離38 km，洪水傳播時(shí)間為2 h；王瑤至延安站距離54 km，洪水傳播時(shí)間為3 h，即洪水傳播速度約為5 m/s。

3 王瑤水庫(kù)的防洪作用及潛力

延河中心城區(qū)防洪控制斷面以上已建成王瑤、紅莊、馬家溝等十座水庫(kù)，僅王瑤水庫(kù)庫(kù)容較大、有一定的調(diào)洪能力，則其他水庫(kù)防洪影響可不考慮。王瑤水庫(kù)對(duì)下游延安市的防洪作用及潛力挖掘，在對(duì)天然洪水地區(qū)組成分析的基礎(chǔ)上，考慮水庫(kù)滯洪作用以及下泄洪水演進(jìn)到“西川下”斷面的設(shè)計(jì)洪水來(lái)進(jìn)行分析。

3.1 天然洪水地區(qū)組成

“西川下”斷面控制流域面積4 028 km2；王瑤水庫(kù)控制流域面積820 km2；將王瑤水庫(kù)壩址以上作為“上游”，“上游”控制流域面積為820 km2；水庫(kù)壩址至設(shè)計(jì)斷面作為區(qū)間，面積為3 208 km2。

“西川下”斷面設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成，采用同頻率洪水組成法，即當(dāng)設(shè)計(jì)斷面發(fā)生設(shè)計(jì)頻率洪水時(shí)，采用區(qū)間同頻、上游相應(yīng)和上游同頻、區(qū)間相應(yīng)兩種情況分別進(jìn)行分析。擬定洪水的地區(qū)組成，即先將控制斷面設(shè)計(jì)洪量分配給上游分區(qū)，然后選擇“77.7”典型洪水過(guò)程線，以各分區(qū)分配到的洪量為控制，放大各分區(qū)洪水過(guò)程線。

根據(jù)《陜西省重要支流延河防洪治理工程可研報(bào)告》(簡(jiǎn)稱“重要支流”)，“西川下”100 a一遇天然日洪量為8 760萬(wàn) m3(洪峰流量8 028 m3/s)；50 a一遇天然日洪量為7 325萬(wàn) m3(洪峰流量6 448 m3/s)。根據(jù)《陜西省延安市王瑤水庫(kù)擴(kuò)容工程可行性研究報(bào)告》(2021.11)(簡(jiǎn)稱“王瑤可研”)，王瑤水庫(kù)100 a一遇天然日洪量為3 190萬(wàn) m3；50 a一遇天然日洪量為2 600萬(wàn) m3。

區(qū)間同頻：當(dāng)區(qū)間來(lái)水為主，區(qū)間與設(shè)計(jì)斷面洪水同頻，上游為相應(yīng)洪水?！拔鞔ㄏ隆?00、50 a一遇洪量分別為8 760萬(wàn) m3、7 325萬(wàn) m3，區(qū)間設(shè)計(jì)洪量以此為參證采用水文比擬法(指數(shù)0.76)得到100、50 a一遇洪量為7 368、6 161萬(wàn) m3，占設(shè)計(jì)斷面的84%，按水量平衡原則，“上游”相應(yīng)洪量以差值法計(jì)算分別為1 392、1 164萬(wàn) m3，占設(shè)計(jì)斷面的16%。

上游同頻：當(dāng)上游來(lái)水為主，上游與設(shè)計(jì)斷面洪水同頻，區(qū)間為相應(yīng)洪水。根據(jù)“王瑤可研”，王瑤水庫(kù)100、50 a一遇洪量分別為3 190萬(wàn) m3、2 600萬(wàn) m3，占設(shè)計(jì)斷面的35%，則相應(yīng)區(qū)間洪量分別為5 570、4 725萬(wàn) m3，占設(shè)計(jì)斷面的65%。

以延安站“77.7”洪水為典型，按分配到各分區(qū)的洪量為控制，以同倍比放大法得到各分區(qū)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

表1 天然洪水地區(qū)組成匯總表(王瑤單獨(dú)運(yùn)行) m3/s 、萬(wàn)m3

3.2 王瑤水庫(kù)防洪潛力分析

王瑤水庫(kù)工程是一座以防洪為主，兼有城市供水、灌溉、發(fā)電等功能的Ⅱ等大(2)型水利樞紐，水庫(kù)總庫(kù)容為20 300萬(wàn) m3，按100 a洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000年洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。

1972年水庫(kù)建成，1974年增建I號(hào)泄洪洞，2007年除險(xiǎn)加固后新建Ⅱ號(hào)泄洪洞，I號(hào)、Ⅱ號(hào)泄洪洞最大泄流分別為78.6 m3/s、115.6 m3/s。2021年王瑤水庫(kù)擴(kuò)容可研通過(guò)審查，明確了清淤方案維持原特征水位不變，泄洪建筑物包括雙泄洪洞及溢洪道，大壩設(shè)計(jì)100 a允許最大下泄流量仍為194 m3/s，在遭遇小于100 a一遇洪水時(shí)，僅兩條泄洪洞運(yùn)行。

王瑤水庫(kù)壩址距延安市西川河入?yún)R口54 km，按5 m/s的傳播速度，水庫(kù)下泄洪水演進(jìn)到西川下斷面需要3 h。通過(guò)對(duì)王瑤水庫(kù)調(diào)洪演算后，下泄流量按剛體演進(jìn)，并與區(qū)間洪水錯(cuò)峰疊加后得到“西川下”設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

對(duì)于100 a一遇洪水，王瑤水庫(kù)可削減“西川下”天然洪峰到5 122～6 761 m3/s，削減量占西川河入?yún)R口天然洪峰的15.8%～36%；對(duì)于50 a一遇洪水，可削減西川河入?yún)R口天然洪峰到4 173～5 430 m3/s，削減量占西川河入?yún)R口天然洪峰的15.7%～35%，可以看出王瑤水庫(kù)對(duì)延安城區(qū)的防洪作用有限。

即使王瑤水庫(kù)不泄洪，遭遇100 a和50 a一遇不同地區(qū)組成的洪水過(guò)程時(shí)，“西川下”天然洪峰流量分別為5 105～6 753 m3/s和4 159～5 424 m3/s，王瑤水庫(kù)對(duì)100 a和50 a一遇洪水的不同地區(qū)組成洪水過(guò)程的削峰作用只占“西川下”防洪控制斷面的16%和35%。

對(duì)延安中心城區(qū)現(xiàn)有的防洪體系，王瑤水庫(kù)即使不下泄洪水，也無(wú)法再提高現(xiàn)有防洪體系的防洪標(biāo)準(zhǔn)；王瑤水庫(kù)允許的最大泄流能力194 m3/s，現(xiàn)有延安市中心城區(qū)的防洪體系已充分發(fā)揮了王瑤水庫(kù)的防洪作用，基本無(wú)防洪潛力可再挖掘。

4 王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行防洪作用分析

根據(jù)《陜西省延安市龍安水利樞紐工程可行性研究報(bào)告》(2018.11)(以下簡(jiǎn)稱“龍安可研”)，采取“沐浴和仙仁橋并聯(lián)兩壩”的開(kāi)發(fā)方式，即在延河干流建沐浴水庫(kù)，在支流坪橋川建設(shè)仙仁橋水庫(kù)。

沐浴、仙仁橋水庫(kù)壩址下游約52 km進(jìn)入延安市，以“西川下”為設(shè)計(jì)斷面分析洪水地區(qū)組成，研究“沐浴和仙仁橋并聯(lián)兩壩”方案與王瑤水庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)行對(duì)設(shè)計(jì)洪水的調(diào)蓄作用及對(duì)延安市中心城區(qū)防洪的影響。

表2 “西川下”設(shè)計(jì)洪水成果匯總表(王瑤單獨(dú)運(yùn)行)

4.1 天然洪水地區(qū)組成

“西川下”控制流域面積4 028 km2；沐浴、仙人橋水庫(kù)控制流域面積分別為860 km2、268 km2，王瑤水庫(kù)控制流域面積820 km2；將沐浴、仙仁橋及王瑤水庫(kù)壩址以上作為“上游”，“上游”控制流域面積為1 948 km2；水庫(kù)壩址至設(shè)計(jì)斷面作為區(qū)間，面積為2 080 km2。

根據(jù)“龍安可研”，沐浴、仙仁橋水庫(kù)100 a一遇天然日洪量分別為2 900、1 200萬(wàn) m3；沐浴、仙仁橋水庫(kù)50 a一遇天然日洪量分別為2 360、972萬(wàn) m3。

采用同頻率洪水組成法對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析，先將控制斷面設(shè)計(jì)洪量分配給上游各分區(qū)，然后選擇“77.7”典型洪水過(guò)程線，以各分區(qū)分配到的洪量為控制，放大各分區(qū)洪水過(guò)程線。

當(dāng)發(fā)生區(qū)間同頻洪水時(shí)，區(qū)間設(shè)計(jì)洪量以“西川下”天然洪量為參證采用水文比擬法得到100、50 a一遇洪量分別為5 301、4 433萬(wàn) m3，占設(shè)計(jì)斷面的61%，按水量平衡原則， “上游”相應(yīng)洪量分別為3 459、2 892萬(wàn) m3，再以兩庫(kù)面積比例分配得到沐浴、仙仁橋、王瑤水庫(kù)100 a一遇相應(yīng)洪量為1 527萬(wàn) m3、476萬(wàn) m3、1 456萬(wàn) m3，50 a一遇相應(yīng)洪量為1 277萬(wàn) m3、397萬(wàn) m3、1 218萬(wàn) m3，分別占設(shè)計(jì)斷面的17%、5%、17%。

當(dāng)發(fā)生上游同頻洪水時(shí)，沐浴、仙仁橋、王瑤水庫(kù)100、50 a一遇設(shè)計(jì)洪量采用“龍安可研” “王瑤可研”成果，占設(shè)計(jì)斷面的32%、13%、35%，則相應(yīng)區(qū)間100、50 a一遇洪量分別為1 470、1 393萬(wàn) m3，以延安站“77.7”洪水為典型，按分配到各分區(qū)的洪量為控制，以同倍比放大法得到各分區(qū)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

表3 天然洪水地區(qū)組成匯總表(王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行) m3/s 、萬(wàn)m3

4.2 王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行防洪潛力分析

龍安水利樞紐工程為防洪水庫(kù)工程，工程規(guī)模為中型，水庫(kù)總庫(kù)容為2 525萬(wàn) m3，按50 a洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1 000 a洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。沐浴、仙仁橋水庫(kù)均布設(shè)表孔和泄洪排沙底孔，沐浴、仙仁橋排沙底孔控泄流量分別為4 778 m3/s，2 338 m3/s。

龍安水利樞紐工程距延安市西川河入?yún)R口52 km，王瑤水庫(kù)距離西川匯合口54 km，按5m/s的傳播速度，各水庫(kù)下泄洪水演進(jìn)到“西川下”時(shí)間為3 h，通過(guò)對(duì)水庫(kù)調(diào)洪演算后，下泄流量按剛體演進(jìn)，并與區(qū)間洪水錯(cuò)峰疊加后得到“西川下”設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

對(duì)于100 a一遇洪水，王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行可削減“西川下”天然洪峰到3 100～4 873 m3/s，削減量占西川河入?yún)R口天然洪峰的40%～65%；對(duì)于50 a一遇洪水，可削減西川河入?yún)R口天然洪峰到2 475～3 913 m3/s，削減量占西川河入?yún)R口天然洪峰的39%～62%，較王瑤單庫(kù)運(yùn)行的削峰作用得到了很大程度的提高。

根據(jù)水利部水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院批復(fù)的《陜西省重要支流延河防洪治理可行性研究報(bào)告》(水總規(guī)【2012】1463號(hào))，“西川河入延河匯合口斷面流量考慮王瑤水庫(kù)削峰作用，匯合口斷面Q3.33%=4 299 m3/s?！奔囱影彩谐鞘蟹篮轶w系由現(xiàn)有堤防和王瑤水庫(kù)共同組成，目前延安市已成堤防的設(shè)計(jì)和施工均按此標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

當(dāng)遭遇上游與防洪控制斷面同頻、區(qū)間相應(yīng)洪水時(shí)，100 a和50 a一遇洪水到“西川下”洪峰分別為3 100 m3/s，2 475 m3/s，而西川匯合口下的安全泄量為Q3.33%=4 299 m3/s，可以看出上游同頻時(shí)完全可以把防洪系統(tǒng)從三十年提高到一百年；當(dāng)遭遇區(qū)間與防洪控制斷面同頻、上游相應(yīng)洪水時(shí)，100 a和50 a一遇洪水到西川河匯合口下洪峰分別為4 873 m3/s，3 913 m3/s，百年洪水已經(jīng)大于安全泄量，五十年小于安全泄量，防洪系統(tǒng)雖不能從三十年提高到百年，但可以提高到五十年；無(wú)論遭遇上游同頻還是區(qū)間同頻均能夠把防洪系統(tǒng)從三十年提高的五十年。

綜合以上分析，王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行的防洪系統(tǒng)可以把延安市中心城區(qū)防洪能力100%從三十年提高到五十年。根據(jù)延河延安站雨洪資料統(tǒng)計(jì)分析暴雨中心在上游、上游同頻洪水約占70%，暴雨中心在下游、區(qū)間同頻洪水約占30%，則王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行的防洪體系可以把延安市中心城區(qū)以上70%的洪水從三十年提高到一百年。

4.3 “77.7”洪水的檢驗(yàn)

“77.7”洪水暴雨中心位于延安站以上的中咀、王莊一帶，同時(shí)波及西川河流域，當(dāng)日形成延安站最大洪峰7 200 m3/s，西川棗園站1 510 m3/s，到延安市東關(guān)增加到8 780 m3/s(調(diào)查值)。經(jīng)對(duì)王瑤水庫(kù)水量還原計(jì)算，該場(chǎng)洪水延安站天然一日洪量為10 295萬(wàn) m3(延安站實(shí)測(cè)日洪量7 850萬(wàn) m3加該庫(kù)當(dāng)日攔蓄量2 445萬(wàn) m3)，王瑤水庫(kù)當(dāng)日入庫(kù)水量為2 680萬(wàn) m3，占延安站天然日洪量的26%。若以延河干流西川河匯合口(下)斷面計(jì)，該典型洪水天然日洪量為11 842萬(wàn) m3，其中延安站10 295萬(wàn) m3、棗園站1 250萬(wàn) m3(實(shí)測(cè))，延安、棗園站至該斷面區(qū)間297萬(wàn) m3(用延、棗二站平均洪量模數(shù)計(jì))。

表4 “西川下”設(shè)計(jì)洪水成果匯總表(王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行)

表5 “77.7”典型洪水日洪量占“西川下”斷面日洪量百分?jǐn)?shù)表 萬(wàn)m3

表6 設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成匯總表(“77.7”洪水) m3/s 、萬(wàn)m3

“77.7”洪水“西川下”及王瑤水庫(kù)日洪量分別為11 842萬(wàn) m3、王瑤2 680萬(wàn) m3，沐浴、仙人橋根據(jù)安塞站實(shí)測(cè)洪量比推求，由此得到區(qū)間洪量為6 486萬(wàn) m3。根據(jù)“77.7”洪水各設(shè)計(jì)斷面洪量比，得到百年和五十年設(shè)計(jì)洪水，由此推求區(qū)間100 a一遇洪峰流量為4 798 m3/s大于30 a4 299 m3/s的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，50 a一遇洪峰流量為3 532 m3/s小于4 299 m3/s，不能夠?qū)?0 a提高到100 a，但可以將30 a提高到50 a?！?7.7”洪水作為該地區(qū)典型洪水，暴雨中心發(fā)生在下游，即屬于地區(qū)洪水組成中的區(qū)間同頻，可以看出同頻地區(qū)組成洪水研究方法基本能夠反映延河流域洪水組成問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用同頻率地區(qū)組成法，對(duì)延安中心城區(qū)的天然洪水地區(qū)組成進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上分析王瑤水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行、王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行工況下對(duì)延安市中心城區(qū)防洪能力的影響。結(jié)果表明：王瑤水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行的防洪體系已得到了充分發(fā)揮，基本無(wú)防洪潛力可再挖掘；建立王瑤龍安聯(lián)合運(yùn)行的“上攔”防洪體系能夠把延安市中心城區(qū)防洪能力100%從三十年提高到五十年；同時(shí)可以將城區(qū)70%的洪水由三十年提高到百年?？紤]到仍有30%的洪水不能夠達(dá)到延安市中心城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)期還可利用延河干流在寶塔山附近大彎道的有利地形條件，針對(duì)老城核心區(qū)采取分洪措施，并與王瑤水庫(kù)、龍安水利樞紐工程聯(lián)合運(yùn)用將延安中心城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到100 a。