孤山川洪水特性及遭遇洪水分析

王 锋，杨彩云

(1.陕西省府谷县防汛抗旱指挥部办公室，陕西 府谷 719400；2.陕西省府谷县皇甫川流域治理指挥部办公室，陕西 府谷 719400)

孤山川发源于内蒙古准格尔旗川掌，自内蒙古羊市塔入陕西府谷境，经4个乡、镇，由府谷镇高家湾村汇入黄河，全长79 km，流域面积1272 km2。其中府谷县内长57 km，县内流域面积1018 km2，河道比降4.1‰。孤山川流域在府谷县境内较大的支沟有保兔沟、红石岩沟、安山沟、阳湾川、新城川、木瓜川、后河川、沙川沟等，洪水组成复杂。孤山川河流除县城设有部分堤防外，总体无设防。为提高县城防洪能力，需对孤山川干支流汇合处洪水进行分析。

1 暴雨及洪水特性

1.1 暴雨特性

孤山川属中温带半干旱大陆性季风气候，区内降水量较少，多年平均降水量453 mm，年降水多集中在7、8两个月内，占全年降水总量的51.6%，降水量年内分配极不均匀，汛期多暴雨。具有春旱多风，秋季凉爽，冬长夏短等气候特征，阵雨集中于夏季后期，较多且急骤，多为阵雨，常伴有冰雹发生。

1.2 洪水特性

孤山川具有黄河流域洪水特性，洪水跟随暴雨出现，主要集中在7月、8月，一次洪水过程持续约1天时间，主峰约12小时。具有洪峰流量大、洪水历时短、陡涨陡落、含沙量大特点。峰高量小、峰型尖瘦，洪峰和枯季流量相差较大。水、沙具有变幅大、比较集中，年内、年际分配不均衡情况。河道大多处于枯期，全年来水、来沙多集中于一次或几次洪水过程之中。孤山川正常泄洪能力7610 m3/s（50年一遇），水位823.43 m（高石崖水文站），实测最大洪峰流量10300 m3/s（1977年8月2日），最小流量为0，大部分年份均可出现。

从20世纪80年代以来，孤山川来水处于不断减小而含沙量有所增大的趋势，1953年～1980年和1981年～2007年两时段的年最大洪峰流量平均值分别为1760 m3/s和1031 m3/s，1997年之后10年最为明显，平均径流量不到多年平均值一半，最大洪峰流量平均值仅为815 m3/s。且常有断流现象出现，最严重的是在1999年，实测年最大洪峰流量仅89 m3/s，为实测系列最小值。

2 水文分析计算

2.1 孤山川洪水资料

孤山川流域设有高石崖水文站，于1953年7月建站，控制流域面积1263 km2，有1954年～2017年64年连续实测径流、洪水资料。多年平均流量3.49 m3/s，平均径流量1.101亿m3，最大年径流量2.374亿m3（1959年），最小年径流量0.3024亿m3（1965年），相差7.9倍，平均年输沙量2760万t。7月～9月径流、输沙量分别占全年的70%和95%。实测最大含沙量1300 kg/m3。因此，采用高石崖站水文资料进行洪水分析。

在高石崖水文站64年实测最大洪峰流量系列中，实测最大值为1977年8月2日的10300 m3/s洪峰，水位为823.009 m，这也是孤山川1893年以来调查的最大值。洪水伴随大暴雨出现，暴雨中心位于内蒙古自治区伊克昭盟的乌审旗、伊金霍洛旗与陕西省神木、府谷两县的交界地区，暴雨历时达8 h～10 h。孤山川流域位于暴雨中心的东南方向，流域平均暴雨量达144 mm。暴雨具有时间长、雨强大、雨区集中、暴雨与河流走向一致等特点，使得洪峰迅速形成。

2.2 洪水频率分析计算

根据皮尔逊Ⅲ型理论曲线与实测及调查点据之间配合，采用工程中常用的目估适线法确定最佳参数。高石崖水文站年最大洪峰系列的适线成果其均值为1384 m3/s，CV=1.06，重现期为111年，其洪水配线参数CV=1.35，CS=3.5CV，洪水量配线结果见为100年一遇洪峰为9840 m3/s，50年一遇洪峰为7560 m3/s，20年一遇洪峰为4790 m3/s，10年一遇洪峰为2980 m3/s，5年一遇洪峰为1570 m3/s。

2.3 设计防洪标准

根据国家《防洪标准》（GB50201-94）中 2.0.3条规定，“位于山丘区的城市，当城区分布高程相差较大时，应分析不同量级洪水可能淹没的范围，并根据淹没区非农业人口和损失的大小，按规定确定其防洪标准”。府谷县城共有人口8.2万人，其中常住人口5.6万人，是府谷县社会政治和经济发展的中心。根据陕西省县城堤防建设标准，府谷县城堤防应具有防御50年一遇洪水的能力，相应的孤山川高石崖站洪峰流量应为7560 m3/s。

2.4 洪水遭遇分析

黄河府谷水文站、孤山川高石崖水文站分别至汇合口距离为3182 m和2121 m。府谷县城段为孤山川与黄河交汇处，在暴雨洪水出现时，也是孤山川洪水与黄河洪水遭遇之时，洪水一般呈正交水流态势。根据历史洪水调查数据：1977年，当高石崖水文站出现洪峰10300 m3/s时，黄河府谷站洪水仅为620 m3/s，遭遇后合成流量为10900 m3/s，汇合口壅水高度达1.0 m左右。为合理确定汇合口壅水高度及堤防高度，必须对孤山川与黄河洪水遭遇情况进行分析。根据高石涯水文站和府谷水文站监测资料，现以孤山川为主洪峰和黄河为主洪峰的两种情况，分别对1964年、1967年、1977年、1992年、2003年5次最大洪水的遭遇情况，进行分析。分析结果见表1。

表1 干支流遭遇分析表

在分析中，采用洪峰倒退办法，即先推算主洪峰由水文站演进至汇合口的时间，再从汇合口沿另一条河向上，反推至另一条河的最近水文站，求得其相应的流量和出现的时间。将相应流量与主洪峰叠加，即为汇合口两条河洪水遭遇后的洪峰流量。

分析时，以最大洪峰出现时间前后与洪峰流量值最接近的一次实测断面最大流速，近似地作为水文站至汇合口的洪峰传播速度。这种方法只考虑洪峰沿流程的平移，忽略了河槽对洪水速度的阻塞和变形的影响（水文站距入河口距离短，洪水传播时间短，故其忽略不计）。

从表1可得到以孤山川为主洪峰时的遭遇后洪峰放大系数，结果见表2。由于洪水编号为20030730的洪峰对合成流量贡献太小，故不予采用，将其它4次洪水放大系数取平均值为1.906。所以取高石崖设计洪峰流量7560 m3/s放大1.9倍作为汇合口的洪峰流量，即14420 m3/s。

根据西安理工大学所作的《陕西省府谷县城区黄河堤防工程初步设计报告》资料表明，黄河府谷站到孤山川汇合口洪峰放大系数平均值为1.224，取1.2，以黄河来水为主洪峰时，汇合口50年一遇的流量为16470 m3/s。

表2 干支流遭遇后洪峰放大系数

同时假定发生高石崖50年一遇7560 m3/s（频率为2%）和黄河府谷50年一遇13730 m3/s（频率为2%）的洪水与发生高石崖10年一遇2900 m3/s和黄河府谷50年一遇13730 m3/s的洪水两种情况下，干支流汇合口的洪峰流量分别为16470 m3/s和 14420 m3/s。

根据以上分析，最后按较不利的组合，偏于安全的原则，确定干支流汇合口的洪峰流量为16470 m3/s，以此流量计算汇合口壅水高度对孤山川高石崖站的壅水影响，确定汇合处的设计洪水位。

3 汇合处设计洪水位

设计的府谷县城孤山川河段，高石崖水文站具有1953年～2003年共有51年的实测最大洪水资料。高石崖水文站1977年8月2日流量为10300 m3/s的洪峰时水位为823.009 m，以及实测洪水水位资料，做出水位～流量图（见图1），从图1中可查得设计洪水7560 m3/s的水位为822.60 m。

图1 高石崖站水位～流量曲线

根据水面比降、糙率，可求出相应于设计流量的水深和水位。所以，设计流量时断面2+121（高石崖水文站）的水位为822.60 m，即为控制水位。已知设计流量求相应水位是一个试算过程，求出的各断面正常水深及断面水力要素见表3，依据2003年《陕西省府谷县城区黄河堤防工程设计报告》结果，黄河50年一遇和孤山川50年一遇设计洪水汇合后，在河口产生的洪水位为815.52 m，由水力学法推求各断面的设计壅水洪水位见表3。

表3 河段各断面水力要素及计算成果

控制断面设计洪水位是考虑汇合口壅水和两河洪水遭遇时顶托壅水影响的洪水位，即正常洪水位＋壅水高度。

通过前文干支流遭遇分析得知干支流汇合口最不利组合的洪峰流量为16470 m3/s，以此流量计算由汇合口至设计断面的壅水水面曲线。采用水力学推求水面曲线，方程如下：

表4 最不利组合下洪峰回水线计算

水面曲线计算的起始断面为干支流汇合口0#断面，逐渐向上游推求。从表4可看出，干支流发生都50年一遇的洪水时，汇合口产生的壅水高度为0.228 m，回水长度距汇合口1300 m。干流发生50年一遇的洪水，支流发生10年一遇洪水时，汇合口产生的壅水高度为2.88 m，回水长度距汇合口1180 m，但过流流量较支流50年一遇小，水位低。由此说明，在最不利情况下，汇合口产生的壅水对距汇合口2121多米上的设计段无影响，因此，控制断面壅水水位即为设计洪水位。

4 结语

孤山川支流众多，洪水陡涨陡落，泥沙含量大，危害大。孤山川与黄河在府谷县城交汇，使得此处洪水变化多端，遭遇情况复杂。文章通过探讨分析孤山川洪水特性及遭遇的不同情况，计算得出遭遇时50年一遇的流量和水位，为研究黄河陕北段与支流汇合处的洪水遭遇情况提供借鉴。