志丹县北洛河水环境综合治理工程区洪水分析
2021-11-10赵田文徐海燕
赵田文，徐海燕
(1.陕西省志丹县河长制领导小组办公室，陕西 延安 717500；2.陕西省延安市志丹县水利工作队，陕西 延安 717500)
1 流域概况
周河为北洛河源头左岸较大的一级支流，位于东经108°31′～108°50′，北纬36°35′～37°10′之间，发源于白于山南麓靖边县周家嘴，从志丹县顺宁乡的大摆沟入县境，由西北流向东南，经周河乡、志丹县城后转向南流，过双河乡，于永宁乡川口汇入洛河。河流全长85.1 km，流域面积1 334 km2，河道平均比降3.7‰。流域呈羽型，较大支流有驸马沟、孙岔沟、麻子沟等。周河流域地貌类型主要分为黄土梁峁丘陵沟壑区和河谷阶地区。梁峁沟壑区地貌以梁为主，梁顶间或有大型的孤立峁，沟谷密度大，侵蚀强烈，河沟深切，滑坡、泻溜、崩塌普遍。梁、峁、坡已多辟为梯田。河谷阶地区冲积阶地发育，一级阶地相对高出河床3～10 m，面积较大而连片，阶地堆积物下多石砾层。二级阶地一般高出河床15～25 m，由于深切侵蚀，二级阶地被分割成块状。该县优良农田多集中在二级阶地上。本次主要以拟建的志丹县北洛河水环境综合治理项目一期工程为例，对该工程治理项目区的暴雨洪水特性、设计洪水计算分析过程及成果合理性比选方法进行总结，也为掌握周河流域水文气象特征有参考价值。流域水系分布见图1。
2 研究区参证水文站选取
拟建的志丹县北洛河水环境综合治理项目一期工程位于周河中游，流域内没有较大水利水电工程，选择距离工程项目区最近的为志丹县水文站为参证站进行分析计算最为合适。该水文站距离工程区大约5 km,由陕西省水利厅于1960年8月设立，为专用水文站，资料未勘印；1961年12月11日停测，1964年7月交由陕西省水文总站管理，将断面下迁1.5 km，开始恢复测验工作，1965年5月断面上迁100 m，更名为志丹水文(二)站，位于陕西省志丹县城关镇，地处东经108°46′、北纬36°49′，控制流域面积774 km2，距河口距离31 km，观测项目齐全，连续观测至今。本次收集志丹水文站1964-2010年共47 a的实测洪水资料对暴雨洪水特性进行分析。水文站概况见表1。
表1 水文站基本情况表
图1 周河流域水系图
3 洪水分析
3.1 暴雨洪水特性
周河流域的洪水均系暴雨所致，暴雨多为雷暴雨。周河流域一次暴雨历时最大暴雨期为24 h左右，其主雨峰均为12 h，次洪水历时一般1～2 d左右，单峰居多，该流域呈暴雨多发生地，志丹附近有暴雨中心，主要原因是该地区的地形主要属于黄土丘陵沟壑区，植物匮乏、山大沟深、坡度比较陡，加之周河流域的河床比降较大，造成河槽的调蓄洪水的能力不佳，该流域的洪水经常携带着大量的泥沙和石块，洪水具有来势迅猛、历时短、暴涨暴落，峰高量小，峰型尖瘦，洪峰过程与沙峰过程基本同步或沙峰稍滞后及含沙量大的特点。通过分析志丹水文站1964-2010年47 a实测洪水资料来看，洪水通常下最早发生在每年4月份，年最大洪水一般在7-8月发生,偶然个别年份，10月份如果有连阴雨影响的话，也会有洪水发生。志丹水文站历史实测的最大洪峰流量为发生在1977年7月6日的洪水，最大洪峰流量为2 610 m3/s；最小洪峰流量则发生在1952年7月31日，最小洪峰流量为123 m3/s。
3.2 历史洪水及重现期
依据陕西省水文水资源勘测局(原陕西省水文总站)1985年汇编的《陕西省洪水调查资料》和《延安市实用水文手册》，周河在入洛河口上游的川口洼断面共进行洪水调查6次，较可靠的成果4次，即1917年2 360 m3/s，1956年2 350 m3/s，1939年1 730 m3/s，1933年1 450 m3/s。当时调查历时特大洪水主要来源于志丹至周河入洛河口区间暴雨。目前志丹站实测系列中大洪水值已大于或相当于调查成果，为安全考虑，本次洪水计算直接采用志丹站实测系列进行分析。
3.3 资料选用
由于志丹水文站位于工程区河段上游，其间没有支流加入，本次评价采用志丹水文站资料为依据，进行洪水频率分析计算，作为各工程断面的设计洪水。
3.3.1 选样方法
采用年最大值法选样。选取洪峰流量资料系列进行频率计算，即每年选取一个年最大洪峰流量，n年资料可选出n个年极值，组成一个计算样本。
3.3.2 实测洪水资料系列
周河流域设有志丹水文站，观测项目齐全，连续观测至今，断面位置虽发生迁移，但迁移范围极小，不影响资料的连续性。根据本次水文计算任务，收集周河志丹水文站1964-2010年的实测洪水资料。
1)资料“三性”分析
(1)资料可靠性分析
支流周河志丹水文站1964-2010年洪水实测系列，均来源于陕西省水文数据库及《水文年鉴》，并进行了核对，调查洪水资料来源于《陕西省洪水调查资料》。该站测验河段顺直，断面稳定，连续观测至今，经对测验情况进行了解，中低水采用流速仪测流，高水采用均匀浮标或中泓浮标测流，洪水过程控制完整，浮标投放符合规范要求，浮标和流速系数为本站分析试验值，并经陕西省水文水资源勘测局(原陕西省水文总站)审查批准后使用，流量资料计算方法正确，成果可靠。因此，周河志丹水文站年最大洪峰流量资料系列可靠性好，数据准确可靠。
(2)系列一致性分析
资料一致性是指一个系列不同时期的资料成因是否相同。水文频率计算洪水资料必须具有一致性，也就是各年洪水的流域产流、汇流条件应保持基本相同。当流域内修建水库、跨流域引水、分洪等工程及水文站迁移都会影响洪水资料的一致性。周河志丹水文站以上未建大中型水利工程，人类活动对志丹水文站的洪水影响较小，从志丹水文站累积年最大洪峰流量-历时曲线图(图2)可以看出，曲线总趋势呈直线，虽有周期性摆动，但曲线斜率没有发生变化，说明资料的一致性好。
图2 志丹站累积年最大洪峰流量-历时曲线
(3)系列代表性分析
周河志丹水文站站具有从1964-2010年47年洪峰流量系列。点绘年最大洪峰流量历时过程线图和差积过程线，进行周期分析可知，志丹水文站45 a洪水系列中包含有大、中、小水和丰、平、枯时段的各种来水组合，其中洪水系列中包括了一个丰水和枯水时段，丰水时段为1967-1977，枯水时段为1978-2010。其中丰水年8年，平水年20 a，枯水年19 a。从点绘的年最大洪峰流量历时过程线(图3)和年最大洪峰流量差积曲线(图4)以及逆序累加洪峰流量均值模比系数图(图5)可以看出，随着系列的增加，洪峰流量的均值趋于稳定。因此，志丹水文站实测洪水系列资料，代表性较好，能满足本次洪水频率计算的需要。
图3 年最大洪峰流量历时过程线
图4 年最大洪峰流量差积曲线
2)设计洪水成果的合理性分析
本次计算采用资料系列长，资料的可靠性、一致性和代表性好。并考虑了历史调查洪水，洪峰流量均值模系数C值与原陕西省水文总站编制的《陕西省水文图集》和《延安市水文手册》基本一致，但本次的Cv值由于采用资料系列长，地区分布更合理。说明本次洪峰流量(天然)计算资料详实，分析全面，成果合理可靠。
图5 志丹站年最大洪峰流量累计平均值模比系数过程线
3.4 工程区设计洪水计算
本工程设计洪水按照多种方法、综合分析、合理选用的原则确定。采用水文比拟法、地区经验公式法和综合参数法进行洪水推算。
3.4.1 水文比拟法
采用志丹水文站洪峰流量计算成果，按照水文比拟法计算工程区设计洪峰流量。计算公式如下：
Q工=(F工/F参)2/3Q参
(1)
式中：Q工、Q参分别为工程区和参证站设计洪峰流量(m3/s)；F工、F参分别为工程区和参证站流域面积(km2)，F参=774。
以志丹水文站为参证站，按照水文比拟法推算的工程区设计断面处洪水成果见表2。
表2 水文比拟法洪水计算成果表
3.4.2 地区经验公式法
经验公式为：Qmp=Kp×Fn
(2)
式中：Qmp为设计频率为P的洪峰流量(m3/s)；F为设计流域面积(km2)；Kp、n为设计频率为P的经验参数和指数。
查《延安地区实用水文手册》知，指数n为0.61，查出不同频率的Kp值后，将F工代入，即可求得不同频率的设计洪峰流量，计算成果见表3。
表3 经验公式法计算成果表
3.4.3 综合参数法
按照《延安地区实用水文手册》以流域内设计暴雨量和流域特征参数为基础建立的多因素经验公式推算工程设计洪水。计算公式如下：
QmN=C×Nα×Fβ×ψγ×Hη3N
(3)
式中：QmN为重现期为N的设计洪峰流量(m3/s)；F为设计流域面积(km2)；ψ为流域形状系数，ψ=F/L2；H3N为设计重现期3小时面雨量；其它为经验参数，C=2.54，α=0.17，β=0.58，γ=0.11η=0.49。通过计算，不同频率设计洪峰流量见表4。
表4 综合参数法计算成果表
3.4.4 设计洪水的确定
根据多种方法计算的工程区设计洪水及工程区历史大洪水调查成果见表见表5。从表5中可以看出，几种方法计算的工程区设计洪水成果相差较大，水文比拟法计算的洪水成果最大，地区经验公式法和综合参数法计算结果比较接近。
表5 设计洪峰流量计算成果表
综合参数法和洪峰面积相关法建立时间较早，基础参数极为有限，按这两种方法计算的洪水成果误差依然较大。由于工程区流域面积最大为工程末端927.5 km2，与志丹水文站流域面积774 km2仅相差19.8%，以志丹水文站为参政站，采用水文比拟法计算的工程区设计洪水，成果比较合理。
4 结语
志丹县北洛河水环境综合治理项目一期工程具有显著的社会效益和环境效益，可促进县域社会可持续发展，对水环境和生态平衡具有十分有利的影响。通过对志丹县北洛河水环境综合治理项目一期工程区进行洪水分析，可摸清工程区内的暴雨洪水特征，同时确定的准确设计洪水成果，对施工期制定安全合理的分洪避洪措施、保证施工工期进行具有关键作用，能保证整个工程的安全顺利实施。
