黄河府谷天桥段防洪工程设计洪水分析

2021-11-08齐小利

陕西水利 2021年10期

齐小利

（府谷县应急救援保障中心，陕西府谷 719499）

黄河在陕西府谷县境长103km，该段河道自天桥水电站以下是上宽下窄，其中最宽处达1600m，最窄处只有540m，河势复杂。特别是黄河天桥水电站下游400m 至东门湾段还没有得到治理，严重威胁府谷县城防洪安全，为对此段进行治理，需对工程区设计洪水进行分析。

1 概况

府谷县河流较多。一级河流有黄河；四级河流有皇甫川（黄甫川）、孤山川、悖牛川。其中50 km2～100 km2流域面积的河流有6 条，均属黄河水系。黄河自府谷县墙头农业园区入境，流经九个乡镇，流程103 km，占黄河全长的1.9%；多年平均流量为822 m3/s。汛期最大流量可达11500 m3/s。

2 暴雨洪水泥沙特性

2.1 暴雨特性

治理河道以上位于黄河中游温带大陆性季风气候区，年均降雨量453 mm，但年内分配不均，主要降雨集中在7月、8 月两个月，占年降水量的56%。项目区位于黄河中游，暴雨具有强度大、历时短特点，降雨区域相对于上游地区较小，其发生时间主要在7 月中旬～8 月中旬。区间暴雨中心多位于靠近天桥坝址的皇甫川、清水川的中上游地区，如实测大洪水1972年7 月19 日和1977年8 月1 日两次暴雨中心皇甫川站6h 降雨量分别为153 mm 和120 mm。1989年7 月21 日皇甫川一级支流川掌沟流域，暴雨中心最大降雨量达141.2 mm。2003年7 月30 日皇甫站最大降雨量为121 mm。

2.2 洪水特性

府谷水文站断面的洪水是由河口镇以上和河口镇至府谷区间两个区域特征和气候条件相异地区的洪水组合后形成的。上游地区的洪水是由大面积、小强度、长历时的暴雨形成，且受到湖泊、草地等的调蓄，过程线多为长历时矮胖型，一般洪水历时可达30d～40d，其发生时间主要集中在7月和9 月、10 月时段。区间洪水是由强度大、历时短、范围小的暴雨造成，加之地面坡度大，常形成峰高量小，峰形尖瘦的洪水过程，洪水历时一般一天左右，主要发生在7 月、8月，尤其以8 月为多。而且实测资料表明，上游和区间两个地区的较大洪水一般是不相遭遇的，对上游地区洪水来说只是组成洪峰的基流部分，而中游地区的洪水则是洪峰的主体。

2.3 泥沙特性

根据义门水文站、府谷水文站资料统计，黄河府谷段多年平均年输沙量为2.08 亿t，最大年输沙量8.67 亿t（1967年），最小年输沙量0.038 亿t（2005年），两者倍比高达228.2。泥沙主要集中在汛期洪峰期间，皇甫川来水来沙情况对黄河干流影响较大。

来沙量年际差别也很大，义门站1967年来沙量达8.67亿t，而1965年来沙量仅为1.15 亿t，两者倍比为7.5。来沙的另一特点是曲峪以上来沙颗粒较细，皇甫川入汇以后颗粒变粗。

3 项目涉及水利设施

治理河段以上黄河干流上已先后建成龙羊峡等9 座大型水利水电枢纽工程，其中万家寨、龙口、天桥距治理段较近，对治理段洪水有一定影响。

其主要设计指标参数见表1。

表1 黄河北干流河段水库主要设计指标参数

本次河道治理位于府谷县城附近，控制流域面积404039 km2。治理河段以上有天桥水电站，天桥水电站与治理断面区间162 km2。

治理河段范围内为府谷站，该站1953年设立处原设有黄河义门水文站，控制流域面积403877 km2，因义门站处于天桥水库库区内，因此于1975年迁至坝下8 km 处建立府谷水文站，流域面积404039 km2。为分析研究黄河天桥水库的冲淤变化规律，1973年6 月在坝址至河曲水文站之间还布设了28 条测淤断面，至今具有1973～2011年共39年淤积测验资料。

4 设计洪水

4.1 历史调查洪水

天桥坝址调查到得历史洪水有1869年、1896年、1909年、1929年、1933年、1945年等，对1945年洪水群众反映最多，并在义门水文站下游2 km 处的铁匠铺调查到了洪痕水位，其他各年洪水未调查到洪痕水位。1969年进行天桥电站设计时，根据1945年调查到的洪痕水位，推算其流量为10500 m3/s，1972年大水后，经历史洪水符合发现原调查的1945年洪水偏小，经推算为13000 m3/s。

4.2 历次设计洪水成果

天桥电站是1969年设计，1970年开始施工的一座低水头径流电站，原设计洪水系按1945年调查洪水10500 m3/s，适当加大为13000 m3/s 作为设计依据，未进行洪水频率分析。

1972年按照1945年洪水流量和重现期加入到义门站实测1945年～1972年系列中进行频率分析，同时根据此频率分析成果对工程设计防洪标准进行检查，对这次洪水复核成果经原水电部审定后沿用下来，直到1992年进行天桥大坝安全复核时，考虑到从1972年以来坝址出现过几次较大洪水，特别是1989年洪水还原后洪峰流量为14300 m3/s 比1945年洪水还大，所以提出延长实测系列并考虑万家寨工程调蓄作用的影响对洪水进行了复核。

为考虑万家寨水库对天桥设计洪水的影响，需对天桥坝址、万家寨至天桥区间的设计洪水进行分析。

4.2.1 天桥坝址设计洪水

1992年天桥大坝安全检查进行设计洪水复核时，鉴于1968年后存在上游刘家峡和1980年后龙羊峡两工程的调蓄作用，为了解不同资料条件对成果的影响，在统计选样中考虑实测系列、天然系列（龙、刘影响还原）两种系列资料（资料系列洪峰为1952年～1989年，洪量为1954年～1989年）进行频率分析，提出两种系列的频率分析成果，成果见表2（1992年成果实测系列1 日洪量设计值较万家寨设计值稍小，对统计参数进行调整，由原来的0.40 调整为0.41）。

本次将实测资料延长至1997年（统计仍按年最大洪峰、1 日、3 日洪量分别进行独立选样。延长的实测资料已考虑天桥水库的影响还原），分析资料系列延长后天桥设计洪水的变化。经频率分析，资料延长后设计洪水与原设计洪水成果比较见表2。

表2 天桥水库设计洪水成果比较表单位：Qm，m3/s；W，亿m3

从历次成果可以看出，其变化不大，并考虑到天桥水库为低水头枢纽，库容较小，水库调洪主要受1 日洪量控制，而天然系列洪量成果的还原计算，尤其是一日洪量存在不确定因素，误差较大（如洪水传播时间，龙、刘调蓄量计算等），而且采用天然系列成果还需进行龙、刘水库调节计算，不仅计算情况复杂，也难以准确计算其影响量。因此本次确定采用实测系列洪水成果。

从安全考虑，本次天桥设计洪水成果仍采用1992年大坝安全检查时复核确定的实测系列成果。

4.2.2 万家寨至天桥水库区间设计洪水

万家寨至天桥区间设计洪水采用直接法推算。根据万家寨、天桥及区间支流站实测资料条件，其区间洪峰流量系列，采用相减法由府谷（义门）站实测洪水过程减去相应万家寨（缺测年份用河曲减偏关或河口镇加放牛沟代替）洪水过程求得，对区间洪量系列，鉴于支流站控制流域面积已达区间面积的82%，因此采用相加法推求，即由皇甫川、清水川、偏关河、县川河等支流同日平均流量相加，再乘以面积系数换算后求得。在区间洪峰流量频率分析中，1989年洪峰流量12900 m3/s,为系列首位，根据区间洪水的主要来源支流—皇甫川调查历史洪水资料考证，该年洪水比调查的历史最大洪水1929年还大，因此其重现期亦按1929年以来最大洪水处理，初步确定为70年。经频率分析，万家寨至天桥水库区间设计洪水见表3。

表3 万家寨至天桥水库区间设计洪水成果比较表单位：Qm，m3/s；W，亿m3

从表中可以看出，本次成果与1992年成果基本相同，为保持成果一致性，本次推荐万家寨至天桥水库区间设计洪水仍采用1992年成果。

4.3 设计洪水过程线

设计洪水过程线采用典型年洪水过程，按设计洪水峰、量控制按照1∶1.1 进行放大的方法。

根据天桥现有实测资料，从形成特大洪水的暴雨及洪水特性相似性和对水库调洪不利等因素考虑对洪峰流量大于7500 m3/s 以上的1989年、1972年、1979年、1988年、1969年等5 次较大洪水进行综合分析比较，最后确定选用1969年和1979年作为代表不同来源区的洪水典型。1969年代表以万家寨以上来水为主的典型（万家寨水库已经建成，此种类型洪水对天桥已不起控制作用）；1979年代表以万家寨—天桥区间来水为主的典型。

设计洪水的地区组成为：1969年型洪水以天桥、万家寨以上同频率，万天区间相应；1979年型洪水以天桥、万天区间同频率，万家寨以上相应。

其洪水过程见图1、图2。