秃尾河河道划界水面线推算及合理性分析研究

侯 芳，李 平

（黄河水土保持绥德治理监督局（绥德水土保持科学试验站）,陕西 榆林 719000）

1 基本情况

按照陕西省水利厅编制的《河湖和水利工程管理范围及保护范围划界技术规范》等技术要求,计划对榆林市秃尾河河道及水利工程管理和保护范围开展相关划界工作。秃尾河是黄河一级支流,上游由宫泊沟、圪丑沟两大支沟汇合而成。汇合口乌鸡滩以下称秃尾河干流,沿途汇入的100 km2以上的支流有宫泊沟、圪丑沟等九条。自北向南经过高家堡、高家川等地,于神木市万镇乡河口岔村进入黄河。本次秃尾河干流河道划界范围始于秃尾河干流源头宫泊沟上游,终于秃尾河入黄口,流域面积3294 km2,全长139.6 km,河道平均比降3.87‰。

通过在秃尾河干流河道进行实地调查,本次划界内容涉及秃尾河干流、渠首引水枢纽工程、水文站。秃尾河现状分为有堤防河道和无堤防河道两大类。在进行河道划界过程中,水文分析计算主要针对秃尾河干流设计洪水及洪水位的确定。

2 河道划界标准

2.1 有堤防河道

秃尾河干流有堤防工程段,且堤防已经达标的河道,按照有堤防河道进行划界。本次划界涉及的堤防均在村镇,堤防工程等级为4 级或5 级。4级堤防洪水重现期大于等于20 年,小于30 年；5 级堤防洪水重现期大于等于10 年,小于20 年。有堤防设施的河流管理区域是左右两岸的洪水泛滥区,两岸的堤防和内外护堤地,见图1。堤防工程护堤地,从堤脚线计起,4 级、5 级堤防护堤地宽度5 m～10 m,保护范围宽度50 m～100 m,并结合河道现状确定。有堤防设施的河道保护范围从背水侧护堤地外边缘线起开始计算,根据工程级别并结合河道实际情况,确定堤防工程保护范围。满足设计洪水位要求的护岸工程按有堤防河道确定管理范围和保护范围,不满足设计洪水位要求的护岸工程按无堤防河道确定管理范围和保护范围。

图1 有堤防的河道管理范围及保护范围划界示意图

2.2 无堤防河道

无堤防的河道,其河道管理范围和保护范围划界按照图2所示进行划定。无堤防的河段,其管理范围线参照河道流域范围和河道现状,采兔沟以上河道流域面积100 km2～1000 km2确定行洪区以外10 m～25 m护岸地边界为管理范围线,采兔沟以下河道流域面积1000 km2～10000 km2确定行洪区以外15 m～20 m护岸地边界为管理范围线。

图2 无堤防河道划界示意图

3 设计洪水分析

在本次秃尾河河道划界工作中,河道涉及镇政府所在地的范围防洪标准采用20年一遇,涉及村的范围防洪标准为10 年一遇。秃尾河干流两岸经过的乡镇只有高家堡镇,其余河道均经过村庄,因此秃尾河干流经过高家堡镇的河段防洪标准取20 年一遇,其余河段防洪标准均取10 年一遇。

秃尾河干流上、中、下游设计洪水计算选用的参证站分别为韩家峁水文站、高家川水文站和高家堡水文站,获取三个水文站的系列水文资料后,首先对水文资料进行“三性”检查,若干流上有较大的调蓄工程运行时,应对实测洪峰流量进行还原计算。基于设计洪水推求时河道的分段结果,针对已有可靠设计洪水分析计算成果的涉河工程,确定该工程处所在河段的洪峰流量[1-2]；其余没有工程资料河段,需要根据河道现有水文站及《榆林市实用水文手册》,通过分析,采用比拟法确定各河段防洪标准下的洪峰流量。

3.1 参证站选择

基于秃尾河流域实际情况,根据其下垫面组成物质和地形地貌条件将流域划分为风沙区、盖沙区和黄土丘陵沟壑区。秃尾河上游区间地形地貌为风沙区,属于毛乌素沙边缘,高家堡站虽设在瑶镇以下36 km处,但其集水范围内有风沙区,又有黄土丘陵沟壑区,而韩家峁站虽离秃尾河流域较远,但韩家峁控制流域气象水文与下垫面条件与秃尾河上游区间相似,且它是风沙区唯一的代表性水文站。故本次河道划界,采用韩家峁水文站作为秃尾河上游水文计算的参证站。秃尾河流域现有高家堡和高家川两个国家基本水文站,高家堡水文站位于秃尾河流域中游,地处风沙区与黄土丘陵沟壑区接壤地带,高家川水文站位于秃尾河下游,处于黄土丘陵沟壑区,分别代表秃尾河中游及下游的流域气象和河道水文情况,因此选用高家堡和高家川水文站分别作为秃尾河流域中游和下游洪水频率计算的参证站。秃尾河河道划界参证水文站情况统计见表1。

表1 秃尾河河道划界参证水文站情况统计表

3.2 洪峰流量频率计算

本次秃尾河河道划界采用经过还原后的高家堡水文站1966 年～2017 年、高家川水文站1956 年～2017 年和韩家峁水文站1956 年～2010 年的年最大流量资料系列进行设计洪水计算。依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）中的相关公式进行经验频率计算和统计参数估算,采用P-Ⅲ型曲线适线,确定统计参数,参考洪水不连续序列实施洪峰流量频率计算分析[3-4]。高家堡、高家川、韩家峁3个水文站洪峰流量频率计算成果见表2。

表2 各水文站洪峰流量频率计算成果表 单位：m3/s

采兔沟水库采用泄洪洞泄洪,不同频率下泄流量相差较小。根据《采兔沟水库初步设计报告》水库调洪计算结果,水库1000年一遇最大下泄流量为57.9 m3/s；50 年一遇最大下泄流量为57.1 m3/s。100年以上洪水下泄流量均为58.0 m3/s；50 年一遇以下洪水下泄流量均为57.0 m3/s。因此50 年一遇、20 年一遇、10 年一遇削峰流量分别为249 m3/s、149 m3/s、102 m3/s。本次计算根据高家堡、高家川水文站各频率下的洪峰流量值,扣除采兔沟水库削峰流量,得到两个水文站各频率下修建水库后的洪峰流量,见表3。在本次频率分析计算中,高家堡、高家川水文站将资料系列延长到2017 年,实测系列长度分别为62 年、52 年,高家川水文站同时考虑了历史大洪水,符合统计规律,其计算成果合理。韩家峁水文站设计洪水成果与《陕西省神木县采兔沟水库工程初步设计报告》（韩家峁洪水系列年限1957～2000 年）中成果比较（见表3,均值略有减小,CV略有增大,成果基本一致；与《榆林黄河东线马镇引水工程》（韩家峁洪水系列年限1957 年～2015 年）中成果比较,均值略有增加,CV略有减小,成果基本一致。根据安全原则,本次划界采用《陕西省神木县采兔沟水库工程初步设计报告》中较大值71 m3/s进行计算。

表3 修改后各水文站洪峰流量频率计算成果表 单位：m3/s

秃尾河流域从上游到下游地形地貌差别较大,秃尾河干流有水库、渠道等涉河水利工程,且有众多支流汇入,延河涉及不同乡镇导致划界标准不同等,因此应该根据实际情况,对整个秃尾河进行分段,每段视为非均匀恒定流,分别对各段进行划界。根据水文计算分段原则,本次秃尾河干流水文计算共分为18段,秃尾河干流各控制断面水位计算结果见表4。

表4 秃尾河河道划界参证水文站情况统计表

4 水面线计算分析

根据河道的实地情况,参考水文站等相关批复资料,确定不同河段的河道糙率,河道比降等参数。在一般河段,确定每段河道下游断面为控制起推断面[5]。根据秃尾河河道划界要求,确定18 个控制断面,采用曼宁公式法建立各控制断面的水位～流量关系,确定起推断面的设计洪水位。按照伯努利能量守恒方程,由控制断面起推,计算各段河道断面在对应防洪标准下的洪水位。

4.1 糙率的确定

高家堡水文站大洪水实测糙率资料很少,高家川水文站大洪水实测糙率资料较多。选取高家川水文站400 m3/s以上较大洪水期间的糙率资料通过统计,糙率平均值为0.023。此外通过外业工作人员的实地调查,本次秃尾河划界中,各分段河道采用的糙率值见表5。

表5 各段河道糙率和比降取值表

4.2 水面线计算

本次计算采用了该HEC-RAS软件中一维恒定流计算原理,控制方程采用能量方程式,计算方法采用标准步推法。此外,还采用了工程实践中常用的恒定非均匀流伯努利能量方程推求河道水面曲线。通过能量守恒方程推求计算河道水面线分析步骤如下：先根据河道断面实测成果、比降、糙率

等资料,通过曼宁公式、堰流公式确定起始边界条件,然后用恒定非均匀流公式,由下游至上游逐断面推算断面水位。通过HEC软件和能量守恒方程两种方法进行求解,对比计算得到最终的计算结果。

4.3 水面线合理性分析

通过计算得出,高家川、高家堡水文站处水位高程分别为761.06 m和947.59 m。通过收集两个水文站水位-流量曲线,分别为“2020 年秃尾河高家堡站中高水报汛曲线图”和“2020 年秃尾河高家川站中高水报汛曲线图”,查图可知,高家川、高家堡水文站水位高程分别为762.27 m和947.60 m。本次计算水位成果相比两个水文站实际取值相差分别为高家川站0.390 m,高家堡站0.010 m,对比结果见表6,证明本次结果计算较为准确,结果可用。通过对水文站水位计算成果验证,可以充分验证整个秃尾河水面线计算成果合理可用。

表6 高家堡、高家川水文站水位计算合理性分析表单位：m

5 结语

秃尾河部分河段因为目前施工,导致河道损毁,该段需要明确目前修建的工程概况,并明确规划修建后对水面线影响；需要进一步收集并明确各段堤防的防洪等级、堤脚线等；要保证秃尾河划界与周边的采兔沟水库、下游的瑶镇水库划界同步衔接有序[6]；秃尾河下游弯道两岸为高陡坡,界桩存在一定的困难；要进一步做好水文站、渠首工程、河道划界交界处的衔接工作。