延安市中心城区防洪能力研究

杨绍华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 背景

延安市具有独特的政治地位，是中国革命的圣地，是全国爱国主义、革命传统、延安精神三大教育基地，也是国务院首批公布的全国24个历史文化名城之一。延安市中心城区人口和基础设施密集，革命旧址、博物馆、纪念馆等文物古迹和旅游设施众多，一旦遭遇大洪水，将造成不可估量的人员伤亡、财产损失、文化灾难和深远的国际影响。

依据《延安市城市总体规划(2015-2030)》、流域机构对有关防洪报告的批复、延安市政府有关批复文件，延安市中心城区防洪标准为100 a。延安市主城区三山环抱、二水合流，整个城市位于河谷之中，河道谷地是城市发展的宝贵空间，也是区域洪水的唯一通道。根据城区防洪规划，建立以延河干流堤防、护岸、清淤疏浚为主，结合上游水库防洪调节，形成“上拦、中疏、下排”的防洪减灾工程体系，来保障城区防洪安全。

以西川河汇合口下(以下简称“西川下”)断面作为中心城区的防洪控制断面进行研究，能够较准确的反映防护区的洪水情况，同时又能根据水文站实测资料合成的防洪控制断面流量对延安城市防洪进行提前预警。

2 流域暴雨洪水特性

延河流域洪水主要由暴雨形成，暴雨以雷暴雨出现机率较多。暴雨和洪水最早发生在5月，最迟出现在9月，但量级、强度较大的暴雨及量级较大洪水一般发生在7-8月。由于流域内山高坡陡，垦植指数高，植被稀疏，同时河槽调蓄能力较差，故洪水一般历时短，暴涨暴落，峰高量小，峰型尖瘦，一次大洪水历时约1～2 d，主峰一般在12 h以内。

根据延安以上测站雨洪资料统计分析，流域暴雨中心多发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，此类洪水约占延安洪水的70%。如1966年7月26日洪水，延安站实测最大洪峰1 670 m3/s，招安站为1 230 m3/s，相应真武洞、招安、延安日降水量分别为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，延安站实测最大洪峰2 250 m3/s，而招安站仅77.5 m3/s，下游延安、蟠龙雨量站实测日降水量分别为69.4 mm、78.9 mm，其上游招安、化子坪站日降水量仅13.0 mm、27.3 mm。

延河1977年7月5日至6日发生了特大暴雨洪水(以下简称“77.7”洪水)，其暴雨中心位于延安站以上的中咀、王庄一带，同时波及西川河流域，次暴雨王庄中心雨量高达400 mm，为延安地区发生的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，通过实测水位流量验算确定洪峰流量为2 710 m3/s，日洪量为3 040万 m3；同时7月6日2:30在王瑶水库监测到洪峰流量为2 620 m3/s，日洪量为2 680万 m3；7月6日5:24延安水文站发生洪峰流量为7 200 m3/s，日洪量为7 850万 m3。安塞站至延安站距离38 km，洪水传播时间为2 h；王瑶至延安站距离54 km，洪水传播时间为3 h，即洪水传播速度约为5 m/s。

3 王瑶水库的防洪作用及潜力

延河中心城区防洪控制断面以上已建成王瑶、红庄、马家沟等十座水库，仅王瑶水库库容较大、有一定的调洪能力，则其他水库防洪影响可不考虑。王瑶水库对下游延安市的防洪作用及潜力挖掘，在对天然洪水地区组成分析的基础上，考虑水库滞洪作用以及下泄洪水演进到“西川下”断面的设计洪水来进行分析。

3.1 天然洪水地区组成

“西川下”断面控制流域面积4 028 km2；王瑶水库控制流域面积820 km2；将王瑶水库坝址以上作为“上游”，“上游”控制流域面积为820 km2；水库坝址至设计断面作为区间，面积为3 208 km2。

“西川下”断面设计洪水地区组成，采用同频率洪水组成法，即当设计断面发生设计频率洪水时，采用区间同频、上游相应和上游同频、区间相应两种情况分别进行分析。拟定洪水的地区组成，即先将控制断面设计洪量分配给上游分区，然后选择“77.7”典型洪水过程线，以各分区分配到的洪量为控制，放大各分区洪水过程线。

根据《陕西省重要支流延河防洪治理工程可研报告》(简称“重要支流”)，“西川下”100 a一遇天然日洪量为8 760万 m3(洪峰流量8 028 m3/s)；50 a一遇天然日洪量为7 325万 m3(洪峰流量6 448 m3/s)。根据《陕西省延安市王瑶水库扩容工程可行性研究报告》(2021.11)(简称“王瑶可研”)，王瑶水库100 a一遇天然日洪量为3 190万 m3；50 a一遇天然日洪量为2 600万 m3。

区间同频：当区间来水为主，区间与设计断面洪水同频，上游为相应洪水。“西川下”100、50 a一遇洪量分别为8 760万 m3、7 325万 m3，区间设计洪量以此为参证采用水文比拟法(指数0.76)得到100、50 a一遇洪量为7 368、6 161万 m3，占设计断面的84%，按水量平衡原则，“上游”相应洪量以差值法计算分别为1 392、1 164万 m3，占设计断面的16%。

上游同频：当上游来水为主，上游与设计断面洪水同频，区间为相应洪水。根据“王瑶可研”，王瑶水库100、50 a一遇洪量分别为3 190万 m3、2 600万 m3，占设计断面的35%，则相应区间洪量分别为5 570、4 725万 m3，占设计断面的65%。

以延安站“77.7”洪水为典型，按分配到各分区的洪量为控制，以同倍比放大法得到各分区设计洪水过程线。

表1 天然洪水地区组成汇总表(王瑶单独运行) m3/s 、万m3

3.2 王瑶水库防洪潜力分析

王瑶水库工程是一座以防洪为主，兼有城市供水、灌溉、发电等功能的Ⅱ等大(2)型水利枢纽，水库总库容为20 300万 m3，按100 a洪水标准设计，2000年洪水标准校核。

1972年水库建成，1974年增建I号泄洪洞，2007年除险加固后新建Ⅱ号泄洪洞，I号、Ⅱ号泄洪洞最大泄流分别为78.6 m3/s、115.6 m3/s。2021年王瑶水库扩容可研通过审查，明确了清淤方案维持原特征水位不变，泄洪建筑物包括双泄洪洞及溢洪道，大坝设计100 a允许最大下泄流量仍为194 m3/s，在遭遇小于100 a一遇洪水时，仅两条泄洪洞运行。

王瑶水库坝址距延安市西川河入汇口54 km，按5 m/s的传播速度，水库下泄洪水演进到西川下断面需要3 h。通过对王瑶水库调洪演算后，下泄流量按刚体演进，并与区间洪水错峰叠加后得到“西川下”设计洪水过程线。

对于100 a一遇洪水，王瑶水库可削减“西川下”天然洪峰到5 122～6 761 m3/s，削减量占西川河入汇口天然洪峰的15.8%～36%；对于50 a一遇洪水，可削减西川河入汇口天然洪峰到4 173～5 430 m3/s，削减量占西川河入汇口天然洪峰的15.7%～35%，可以看出王瑶水库对延安城区的防洪作用有限。

即使王瑶水库不泄洪，遭遇100 a和50 a一遇不同地区组成的洪水过程时，“西川下”天然洪峰流量分别为5 105～6 753 m3/s和4 159～5 424 m3/s，王瑶水库对100 a和50 a一遇洪水的不同地区组成洪水过程的削峰作用只占“西川下”防洪控制断面的16%和35%。

对延安中心城区现有的防洪体系，王瑶水库即使不下泄洪水，也无法再提高现有防洪体系的防洪标准；王瑶水库允许的最大泄流能力194 m3/s，现有延安市中心城区的防洪体系已充分发挥了王瑶水库的防洪作用，基本无防洪潜力可再挖掘。

4 王瑶龙安联合运行防洪作用分析

根据《陕西省延安市龙安水利枢纽工程可行性研究报告》(2018.11)(以下简称“龙安可研”)，采取“沐浴和仙仁桥并联两坝”的开发方式，即在延河干流建沐浴水库，在支流坪桥川建设仙仁桥水库。

沐浴、仙仁桥水库坝址下游约52 km进入延安市，以“西川下”为设计断面分析洪水地区组成，研究“沐浴和仙仁桥并联两坝”方案与王瑶水库的联合运行对设计洪水的调蓄作用及对延安市中心城区防洪的影响。

表2 “西川下”设计洪水成果汇总表(王瑶单独运行)

4.1 天然洪水地区组成

“西川下”控制流域面积4 028 km2；沐浴、仙人桥水库控制流域面积分别为860 km2、268 km2，王瑶水库控制流域面积820 km2；将沐浴、仙仁桥及王瑶水库坝址以上作为“上游”，“上游”控制流域面积为1 948 km2；水库坝址至设计断面作为区间，面积为2 080 km2。

根据“龙安可研”，沐浴、仙仁桥水库100 a一遇天然日洪量分别为2 900、1 200万 m3；沐浴、仙仁桥水库50 a一遇天然日洪量分别为2 360、972万 m3。

采用同频率洪水组成法对设计洪水进行分析，先将控制断面设计洪量分配给上游各分区，然后选择“77.7”典型洪水过程线，以各分区分配到的洪量为控制，放大各分区洪水过程线。

当发生区间同频洪水时，区间设计洪量以“西川下”天然洪量为参证采用水文比拟法得到100、50 a一遇洪量分别为5 301、4 433万 m3，占设计断面的61%，按水量平衡原则， “上游”相应洪量分别为3 459、2 892万 m3，再以两库面积比例分配得到沐浴、仙仁桥、王瑶水库100 a一遇相应洪量为1 527万 m3、476万 m3、1 456万 m3，50 a一遇相应洪量为1 277万 m3、397万 m3、1 218万 m3，分别占设计断面的17%、5%、17%。

当发生上游同频洪水时，沐浴、仙仁桥、王瑶水库100、50 a一遇设计洪量采用“龙安可研” “王瑶可研”成果，占设计断面的32%、13%、35%，则相应区间100、50 a一遇洪量分别为1 470、1 393万 m3，以延安站“77.7”洪水为典型，按分配到各分区的洪量为控制，以同倍比放大法得到各分区设计洪水过程线。

表3 天然洪水地区组成汇总表(王瑶龙安联合运行) m3/s 、万m3

4.2 王瑶龙安联合运行防洪潜力分析

龙安水利枢纽工程为防洪水库工程，工程规模为中型，水库总库容为2 525万 m3，按50 a洪水标准设计，1 000 a洪水标准校核。沐浴、仙仁桥水库均布设表孔和泄洪排沙底孔，沐浴、仙仁桥排沙底孔控泄流量分别为4 778 m3/s，2 338 m3/s。

龙安水利枢纽工程距延安市西川河入汇口52 km，王瑶水库距离西川汇合口54 km，按5m/s的传播速度，各水库下泄洪水演进到“西川下”时间为3 h，通过对水库调洪演算后，下泄流量按刚体演进，并与区间洪水错峰叠加后得到“西川下”设计洪水过程线。

对于100 a一遇洪水，王瑶龙安联合运行可削减“西川下”天然洪峰到3 100～4 873 m3/s，削减量占西川河入汇口天然洪峰的40%～65%；对于50 a一遇洪水，可削减西川河入汇口天然洪峰到2 475～3 913 m3/s，削减量占西川河入汇口天然洪峰的39%～62%，较王瑶单库运行的削峰作用得到了很大程度的提高。

根据水利部水利规划设计总院批复的《陕西省重要支流延河防洪治理可行性研究报告》(水总规【2012】1463号)，“西川河入延河汇合口断面流量考虑王瑶水库削峰作用，汇合口断面Q3.33%=4 299 m3/s。”即延安市城市防洪体系由现有堤防和王瑶水库共同组成，目前延安市已成堤防的设计和施工均按此标准实施。

当遭遇上游与防洪控制断面同频、区间相应洪水时，100 a和50 a一遇洪水到“西川下”洪峰分别为3 100 m3/s，2 475 m3/s，而西川汇合口下的安全泄量为Q3.33%=4 299 m3/s，可以看出上游同频时完全可以把防洪系统从三十年提高到一百年；当遭遇区间与防洪控制断面同频、上游相应洪水时，100 a和50 a一遇洪水到西川河汇合口下洪峰分别为4 873 m3/s，3 913 m3/s，百年洪水已经大于安全泄量，五十年小于安全泄量，防洪系统虽不能从三十年提高到百年，但可以提高到五十年；无论遭遇上游同频还是区间同频均能够把防洪系统从三十年提高的五十年。

综合以上分析，王瑶龙安联合运行的防洪系统可以把延安市中心城区防洪能力100%从三十年提高到五十年。根据延河延安站雨洪资料统计分析暴雨中心在上游、上游同频洪水约占70%，暴雨中心在下游、区间同频洪水约占30%，则王瑶龙安联合运行的防洪体系可以把延安市中心城区以上70%的洪水从三十年提高到一百年。

4.3 “77.7”洪水的检验

“77.7”洪水暴雨中心位于延安站以上的中咀、王庄一带，同时波及西川河流域，当日形成延安站最大洪峰7 200 m3/s，西川枣园站1 510 m3/s，到延安市东关增加到8 780 m3/s(调查值)。经对王瑶水库水量还原计算，该场洪水延安站天然一日洪量为10 295万 m3(延安站实测日洪量7 850万 m3加该库当日拦蓄量2 445万 m3)，王瑶水库当日入库水量为2 680万 m3，占延安站天然日洪量的26%。若以延河干流西川河汇合口(下)断面计，该典型洪水天然日洪量为11 842万 m3，其中延安站10 295万 m3、枣园站1 250万 m3(实测)，延安、枣园站至该断面区间297万 m3(用延、枣二站平均洪量模数计)。

表4 “西川下”设计洪水成果汇总表(王瑶龙安联合运行)

表5 “77.7”典型洪水日洪量占“西川下”断面日洪量百分数表 万m3

表6 设计洪水地区组成汇总表(“77.7”洪水) m3/s 、万m3

“77.7”洪水“西川下”及王瑶水库日洪量分别为11 842万 m3、王瑶2 680万 m3，沐浴、仙人桥根据安塞站实测洪量比推求，由此得到区间洪量为6 486万 m3。根据“77.7”洪水各设计断面洪量比，得到百年和五十年设计洪水，由此推求区间100 a一遇洪峰流量为4 798 m3/s大于30 a4 299 m3/s的设防标准，50 a一遇洪峰流量为3 532 m3/s小于4 299 m3/s，不能够将30 a提高到100 a，但可以将30 a提高到50 a。“77.7”洪水作为该地区典型洪水，暴雨中心发生在下游，即属于地区洪水组成中的区间同频，可以看出同频地区组成洪水研究方法基本能够反映延河流域洪水组成问题。

5 结语

本文采用同频率地区组成法，对延安中心城区的天然洪水地区组成进行研究，在此基础上分析王瑶水库单独运行、王瑶龙安联合运行工况下对延安市中心城区防洪能力的影响。结果表明：王瑶水库单独运行的防洪体系已得到了充分发挥，基本无防洪潜力可再挖掘；建立王瑶龙安联合运行的“上拦”防洪体系能够把延安市中心城区防洪能力100%从三十年提高到五十年；同时可以将城区70%的洪水由三十年提高到百年。考虑到仍有30%的洪水不能够达到延安市中心城区防洪标准，远期还可利用延河干流在宝塔山附近大弯道的有利地形条件，针对老城核心区采取分洪措施，并与王瑶水库、龙安水利枢纽工程联合运用将延安中心城区的防洪标准提高到100 a。