河湖和水利工程管理范围及保护范围划界设计洪水分析研究

2020-11-20曹均昌

陕西水利 2020年8期

曹均昌

（陕西省水利信息宣传教育中心，陕西西安 710004）

0 引言

陕西省以秦岭为界南北河流分属长江水系和黄河水系，主要河流有汉江、丹江、嘉陵江、黄河、渭河、泾河、洛河、无定河等。由于历史原因大部分水利工程的管理范围及保护范围界限不清，为了落实“河长制”相关责任，根据陕西省《河湖和水利工程管理范围及保护范围划界技术指南（试行）》（陕水河湖发〔2019〕12 号）要求[1]，本文以红柳河和新桥水库为例就划界过程中洪水分析计算进行探讨。

1 流域及水利工程概况

1.1 河流水系及水利工程

红柳河系黄河以及支流无定河的源头河段。发源于白于山北麓，下游出省界进入内蒙后即称无定河，新桥水库以上河道支流呈现叶脉状，流域内沟壑密布，除干流段外，支流均无常流水，新桥水库以下至内蒙古省界，干流两岸无支流汇入。

红柳河干流中段有新桥水库，下段有金鸡沙水库。干流上段在支流中1962 年建成营盘山水库，1980 年建成杨伏井水库。红柳河支流石窑沟，于1979 年建成水路畔水库。支流八里庄沟，1978 年建成边墙渠水库。支流石拐子沟，20 世纪70 年代建成周湾水库。

新桥水库位于靖边县西北部无定河上游红柳河干流上，距靖边县城40 km，是一座兼有防洪、拦泥、灌溉等多种任务的综合利用水库。水库枢纽工程由大坝、放水洞和引洪渠等组成。新桥水库控制流域面积1332 km2，减去上游支流五库控制面积471 km2，控制区间流域面积861 km2。除险加固后，水库正常蓄水位1371.65 m，设计洪水位1372.80 m，校核洪水位1374.85 m，坝顶高程1376.50 m，最大坝高47 m。

1.2 气象

由于红柳河流域位于毛乌素沙漠南缘地带，属温带半干旱大陆性季风气候，冬季受西北利亚冷气团控制，形成较强劲的西北季风，气候严寒而干燥，夏季副热带高压的西南和东南气流受当地白于山影响，使流域源区降水量增加，而其他区域降水量相对稀少，当副热带高压较强时，往往夏末初秋降水量增大，且多雷阵雨或局部暴雨。据统计，多年平均降水量424 mm，其中7 月～9 月降水量占全年降水量的74.3%，最大降水量744.6 mm（1964 年）和最小降水205 mm（1965 年）相差3.6 倍以上，最大日降水量150 mm（1977 年7 月6 日）。受毛乌素沙漠影响，流域内昼夜温差悬殊，流域内年平均气温7.8℃，极端最高气温37.7℃（1966 年6 月21 日），极端最低气温-29.5℃（1975 年12 月12 日），年蒸发量1275 mm，无霜期130 d～146 d，最大风力10 级，历年最大风速24 m/s，多年平均最大风速14.5 m/s，风向多为西北，多有沙暴、冰雹灾害天气，最大冻土深度1.06 m。年平均日照时数2760 h，光能潜力大。

2 设计洪水计算

2.1 暴雨洪水特性

红柳河流域的洪水是由暴雨形成的，因而洪水与暴雨有着相同的特性，暴雨集中在7 月～9 月，暴雨过程历时短，强度大，由此而形成的洪水亦在7 月～9 月，洪水来势猛，峰型尖瘦，峰高量小。

2.2 设计洪水分析计算

设计洪水分析计算采用汇水面积相关法、地区综合参数法和水文比拟法三种方法进行计算。由于划界河段有支流加入，面积相差较大，将划界河段划分为5 段分别计算各段的设计洪水。各段河流特征值见表1。

表1 设计洪水计算断面以上流域及河道特征值表

2.2.1 汇水面积相关法

根据《榆林地区实用水文手册》中洪峰流量汇水面积相关法进行计算[2]，计算公式为：

式中：QN为重现期为N 的洪峰流量，m3/s；CN、n 为重现期为N的地理参数、指数；F 为汇水面积。

按黄土丘陵沟壑区，查《榆林地区实用水文手册》中的洪峰流量—相关参数表（表6-9），计算结果见表2。

表2 汇水面积相关法计算的不同频率洪峰流量表

2.2.2 地区综合参数法

采用下式计算：

式中：QN为设计重现期为N 的洪峰流量，m3/s；H6为设计重现期为N 的设计流域6 h 面雨量，mm；f 为流域形状系数，f=F/L2（F 流域面积、L 河长）；C、α、m、n 均为经验性参指数。

本公式适应范围为流域面积小于1500 km2沟道。

由《榆林地区实用水文手册》找出各频率对应的c、α、m、n 值，并查6 h 均值图和CV等值线图，计算各设计频率下的6 h 面雨量，将以上值代入公式，其计算参数和结果见表3。

表3 地区综合参数法计算的不同频率洪峰流量表

2.2.3 水文比拟法

（1）参证站洪水计算

青阳岔水文站位于陕西省靖边县青阳岔乡青阳岔村，1958 年10 月21 日建站，由黄河水利委员会领导，控制流域面积586 km2。1971 年1 月1 日，重新测算，控制面积662 km2。2010 年10 月，断面下迁34 km 到横山县石湾镇石仁坪村，流域控制面积1260 km2。该站自建站以来实测水文资料齐全，目前收集到1959 年～2019 年连续61 a 实测水文资料，资料可靠。

①可靠性分析：青阳岔水文站属国家基本水文站，自1958 年～2019 年具有连续61 a 实测洪水资料，成果均编入国家水文年鉴。该站测验河段较顺直，河床为沙卵石，冲淤变化大，测站控制条件良好。该站中、低水采用流速仪法测流，高水采用浮标测流，经抽样检查，历年洪水过程控制完整，测验方法符合规范要求，浮标系数采用合理，年最大流量系列资料连续，洪水流量资料可靠。

②青阳岔站洪峰流量资料一致性处理：青阳岔站有1958 年～2019 年历年实测年最大洪峰流量，2010 年10 月后断面下迁34 km，集水面积增加到1260 km2，因此对2011 年后的年最大洪峰流量进行处理，采用面积比拟法（洪峰面积指数为2/3）计算，将2011 年后的实测资料还原成产洪面积为662 km2的洪水，与2010 年以前的资料系列相一致。

③代表性分析：青阳岔站1959 年～2019 年共有61 a 较长实测年最大洪峰流量资料系列，且包含有丰、平、枯水年，系列代表性好。

④青阳岔站洪峰流量系列特大值处理：青阳岔站河段历史上未发生大洪水，但实测系列中1964 年、2017 年洪水明显偏大，需要做特大值处理。据历史调查洪水分析，2017 年8 月26日实测洪峰流量1200 m3/s（一致性还原前为1840 m3/s）是1897 年以来最大的一场洪水，1964 年7 月21 日实测洪峰流量1140 m3/s 为第二大河水，其调查期N=122 年，按《水利水电工程设计洪水频率计算规范》（SL 44-2006）中的3.1.3-1 公式计算，该次洪水的经验频率P1=0.008。实测系列n-2 个连续洪水的经验频率按规范3.1.3-2 公式计算。

⑤青阳岔站洪峰流量系列频率计算：通过还原计算，得到该站1959 年～2019 年61 年系列的洪水资料。将1970 年洪水按特大值处理，组成不连序系列。采用皮尔逊Ⅲ型曲线，应用频率分析计算程序，按不连续系列参数计算公式，计算参数初始值，用离差平方和准则先进行参数优化，再经目估适线，适线时着重考虑曲线中、上部的较大洪水点据调整统计参数，计算成果见表4。频率曲线见图1。

图1 青阳岔水文站洪峰流量频率曲线图

表4 青阳岔水文站不同频率洪水成果表单位：m3/s

⑥参证站成果合理性分析

将本次的计算成果与《新桥水库除险加固初步设计报告》、《金鸡沙水库除险加固初步设计报告》中对青阳岔站洪峰频率分析成果进行对比，见表5。本次设计流量值比较，小于前两次的设计成果，由于划界河段从新桥水库大坝开始，新桥水库除险加固设计洪水成果已经水利厅批复，因此本次采用已批复的新桥水库洪水成果作为本次划界设计洪水计算成果。

（2）划界河段洪水计算

划界河段各控制断面设计洪水以青阳岔作为参证站，按水文比拟法（洪峰面积指数为2/3）计算的设计洪水成果见表6。

2.2.4 设计断面成果确定

本次划界河段各控制断面设计洪水，按以上三种计算方法进行了计算。从计算结果看出，汇水面积相关法偏小，地区综合参数法偏大，面积比拟法适中。由于划界河段从新桥水库大坝开始，新桥水库除险加固设计洪水成果采用成果为以青阳岔站为参证站的面积比拟法成果，该成果为水利厅批复成果，因此采用以青阳岔站为参证站的面积比拟法成果作为本次划界设计洪水计算成果。各断面设计洪水成果见表6。