悖牛川大柳塔段暴雨洪水特性与河势分析

王 娇

(神木市水利水电工作队，陕西 榆林 719399)

1 概 况

神木市大柳塔镇有东川矿业有限公司、麻沟蜂窝渠煤矿等，面积约11.2297 km2。其中东川矿业有限公司位于神木市悖牛川河道右岸特嘛沟至郭家湾大桥区间，河道长度约13.60 km，受悖牛川河道洪水威胁较大。为了加快神木县大柳塔东川矿业有限公司整合区煤炭资源步伐，保障当地安全，需在左岸三界塔村至王家店11.13 km、右岸特麻沟沟口北端至郭家湾大桥4.90 km建设防洪工程。为确保工程科学设计，需对悖牛川大柳塔段防洪区不同频率下的洪水量级和河势演变进行分析计算。

2 河道现状及防洪分析

2.1 河流水系

悖牛川发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市的神山沟，流域面积2274 km2，干流总长108.6 km，河道平均比降3.33‰，其中陕西省境内流域面积724 km2，河长38.7 km，河道比降2.6‰，在神木县店塔注入窟野河[1]，是窟野河左岸的一级支流。此次规划治理河段属悖牛川中下游河段，具有山区性河流的典型特征，其海拨高程在1044～1086 m之间。由于沿程地形险峻、陡峭，加之地质构造和岩性的变化，使得河道形成节状型，河岸阶地明显，比降为3.072‰。

2.2 防洪现状

经过调查，悖牛川下游河段已建成的工程包括小型抽水站一座及相应堤防工程一处，抽水站在2+100以南，站址长30 m，浆砌石防洪堤长198 m。左岸属府谷县大昌汗和老高川两个乡镇管辖，有建成的防洪堤防3.2 km；右岸为神木县管辖，有建成防洪堤2.4 km。两处堤防均不在堤线位置，压缩了河道行洪断面，利用价值低。

3 暴雨洪水特性与水文分析

3.1 暴雨洪水特性

(1)窟野河暴雨洪水特性。流域暴雨发生日期最早在4月，最迟到10月，主要发生在7—8月。一次暴雨历时约为2～3 d，最大暴雨期为24 h左右，其主雨峰约为12 h。窟野河流域暴雨，按类型分锋面雨和雷暴雨两种：前一种特点是历时长，强度均匀，笼罩面积大。例如1978年8月31日暴雨，历时达24 h；后一种特点是雨量集中，历时短，强度大，笼罩面积小。例如1979年8月10日暴雨，主要集中在悖牛川中下游地区。流域洪水主要由暴雨形成，暴雨的时空分布与下垫面的产汇流条件决定该流域的洪水特性。

(2)悖牛川暴雨洪水特性。悖牛川大柳塔防洪工程所在地属中温带干旱、半干旱大陆性季风气候[2]，年降水量380～410 mm左右，降雨主要出现在7—8月，约占全年降水量的70%～80%。其洪水涨落平稳，一般以单峰洪水为主，峰型较胖，一场洪水一般在1～2 d左右。由于悖牛川流域位于毛乌素沙漠东南边沿，陕北黄土高原的东北部，属于沙漠风积型地貌，沙丘连绵，土地宽阔平缓，流域形似掌状，因此流域汇流时间相对较长。

3.2 参证站的选择及洪水选样

悖牛川大柳塔段上游有新庙水文站，距工程处10 km，控制流域面积1527 km2。新庙水文站建于1966年[3]，有52 a实测水文资料。窟野河上游在悖牛川汇入前称乌兰木伦河，上游1985年1月设阿腾席热水文站，控制流域面积338 km2；1986年5月设石圪台水文站，1992年撤销，该站控制流域面积2169 km2；乌兰木伦河悖牛川入汇口上游有王道恒塔水文站，1958年10月设立，控制流域面积3839 km2。石圪台站仅有1年半观测资料；阿腾席热站设于1985年，资料年限较短；因此整治河段设计断面洪水本次以悖牛川新庙站为设计依据站、以乌兰木伦河王道恒塔站为参证站分析计算。

用年最大值法，对悖牛川新庙水文站、乌兰木伦河王道恒塔水文站实测资料进行洪峰流量选样，即每年只选取一个最大瞬时洪峰流量，作为频率计算样本。

3.3 洪水分析

3.3.1 洪水资料的还原

新庙水文站以上无大中型蓄水调节工程，洪水资料可视为天然系列，无需还原。窟野河上游乌兰木伦河2004年11月建成乌兰木伦水库。乌兰木伦水库控制流域面积328 km2，总库容9880万m3，当大于190 m3/s时开始排沙运行方式，可将1000 a一遇和100 a一遇的入库洪峰9120 m3/s、5340 m3/s削减为3380 m3/s、2170 m3/s；据设计单位分析，坝址以上洪量约占王道恒塔站洪峰的10%，在构成中乌兰木伦水库的影响也应很小，故可以忽略，不再还原。据陕西省历史洪水资料汇编，乌兰木伦河王道恒塔1946年发生了大洪水，但由于断面形态变化很大，难以确定当时的断面，故无法定量分析。

3.3.2 水文站洪水频率计算

(1)悖牛川新庙站。根据新庙站1966～2007年42 a实测洪峰流量资料，经验频率按连序系列计算，统计参数用矩法计算，作为初试值，偏态系数采用Cs=2.5Cv，采用P-Ⅲ型曲线目估适线，见图1，统计参数及不同频率洪峰流量见表1。

表1 悖牛川新庙站设计洪水计算成果 m3/s

图1 悖牛川新庙站年最大洪峰流量频率曲线

(2)乌兰木伦河王道恒塔站。根据王道恒塔水文站 52 a实测洪峰流量资料，经验频率按连序系列计算，统计参数用矩法计算，作为初试值，偏态系数采用Cs=2.0Cv，采用P-Ⅲ型曲线，目估适线，见图2，统计参数及不同频率洪峰流量见表2。

图2 乌兰木伦河王道恒塔站年最大洪峰流量频率曲线

m3/s

(3)合理性分析。王道恒塔站流域面积大于新庙站，其中平均最大洪峰流量1980 m3/s大于新庙站1520 m3/s，两站Cv值分别为1.35、1.20，Cs/Cv介于2.0～2.5，均符合参数的地区分布规律，由以上分析可知成果基本合理。

3.3.3 工程河段设计洪水计算

悖牛川大柳塔防洪工程长约16.3 km，设计上断面为支流大昌汗沟汇入处，控制流域面积1598 km2，下断面控制流域面积1781 km2；以新庙水文站、王道恒塔水文站洪水计算成果，按面积比拟法，洪峰指数为2/3，计算设计断面不同频率洪峰流量，其结果见表3。

表3 整治河段设计断面洪水成果表 m3/s

从表3可以看出，新庙水文站计算成果比王道恒塔水文站计算成果偏大22.9%～24.4%。因为新庙水文站就在悖牛川上，和工程处洪水特性一样，其成果较邻近流域王道恒塔站成果更能体现本流域的洪水特性且更偏于安全，从安全角度，推荐以新庙站为设计依据站计算的设计断面洪水成果。

4 河道演变分析

4.1 历史演变

为了解整治段河道的演变情况，本次收集到1980年万分之一地形图和2003年千分之一地形图，进行套绘从而得到两个不同年代的万分之一河势演变套绘图。从套绘图上可以看出该段河道平面变化情况基本相同；据调查和踏勘，悖牛川大柳塔段河道多年来没有出现过大的摆动，主流在100～200 m之间摆动。河道基本处于天然状态，基本没有变化，受人类活动影响较小，一直保持现状。

4.2 近期演变

悖牛川属于多泥沙河流，输沙量主要集中在一场或几场较大洪水。由于洪水年季分布不均，受来水影响，泥沙变化情况较大，所以河道断面在年内(年际)冲淤变化较为明显。为进行河道纵向冲淤变化分析，将1980年与2003年河道各横断面上的最低点点绘在河道纵断面图上，可以看出，目前该段河道上段冲淤变化在2.90 m以内，最大冲刷为2.90 m，最大淤积为1.50 m，冲刷范围和深度大于淤积范围和深度，说明该段河道在这段时间是下切的，但幅度不大，据当地群众介绍，该段河道多年来一直保持现状，从较长期来看该河段处于相对稳定状态。

4.3 河床冲淤变化

悖牛川洪枯流量变化大，据新庙水文站资料统计，年最大洪峰流量系列中最大为8150.000 m3/s(1989年)，最小洪峰流量为135.000 m3/s(2007年)，最大值是最小值的60倍，而最小枯水流量为0.003 m3/s，在枯水期或每年的汛期前，枯水流量在0.300～0.500 m3/s之间持续时间4个月左右，小于0.300 m3/s的枯水流量持续时间约3个月。

新庙站输沙量年内年际变化大，7—8月输沙量占全年输沙量的91%，6—9月为99%，实测年最大输沙量与最小输沙量之比为323。多年平均含沙量为136.2 kg/m3，多年平均7—8月含沙量为206.7 kg/m3，最大可达1410 kg/m3。

河床的冲淤变化是复杂的，它与河流的水、沙特性等诸多因素有关。绘制悖牛川新庙水文站1967年、1972年、1976年、1978年、1980年、1982年、1986年、1989年、2004年和2005年汛前实测大断面图，从图上看，普遍规律表现为大水冲刷小水淤积，冲淤幅度不大，冲刷位置一般在起点15.00～125.00 m范围内，最大冲刷在起点28.00～45.00 m之间，年最大冲刷在0.42～3.35 m之间，场次洪水冲淤面积变化在3%～8%之间。从新庙水文站1967—2005年实测汛前大断面资料统计分析，测验横断面的冲淤基本平衡。

4.4 河道演变趋势

悖牛川大柳塔段河道走向比较顺直，河床演变幅度、变形速度都比较小。规划河段长约13.6 km，河槽相对比较平顺，河谷底宽650～1150 m，河床宽150～450 m，其河势长期处于一种准平衡状态。随着陕北能源化工基地的开发进程的不断加快，人类活动对河流的影响将会更加剧烈，河道渠化的速度必将加快。本工程整治段，在大昌汗沟入汇处，发育着冲(洪)积扇，由于支沟洪水较小，对主流顶冲作用亦较小，深泓线将会有所摆动，但不影响主流的流向，加上整治河段堤防的控制，主流仍不会有较大偏离。因此整治河段在较长时期内将保持河势基本稳定。

5 结 语

大柳塔悖牛川段洪水暴涨暴落，为了确保当地煤矿企业安全，以上游的新庙和王道恒水文站为参证站，利用年最大值法，作为频率计算样本，再采用面积比拟法，算出工程处不同频率下的设计洪水，即100 a一遇、20 a一遇、10 a一遇洪水分别为9878 m3/s、5731 m3/s、4069 m3/s。由于该河段为沙质河床，河床的冲淤存在着一个往复性的循环演变过程，但多年的冲淤情况基本趋于平衡。