神木市呼家沟设计洪水计算分析

魏于茜，张泽文

（陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西 西安 710018）

1 流域概况

呼家沟为窟野河左岸一级支流,黄河二级支流,发源于陕西省神木市永兴一带,自东向西流经常梁村、散岔村、沙湾村、呼家台村,在呼家台村汇入窟野河。呼家沟控制流域面积102.2 km2,河道全长24.5 km,平均比降13.4‰。

呼家沟流域地形东北高西南低,高程在1260 m～920 m 之间,上游分水岭最高点海拔1300 m,沟口处海拔高程920.6 m左右。地貌属黄土丘陵沟壑区,植被覆盖率低。呼家沟流域内无大中型水利水电工程。

2 测站及资料系列

呼家沟流域无水文站。邻近流域悖牛川上设有新庙水文站,1966 年5 月建成测流,基本断面位于内蒙古自治区伊金霍洛旗新庙乡古城壕村,控制流域面积1527 km2,有1966 年～2017 年共52 年实测水文资料。邻近流域佳芦河有申家湾站,基本断面位于佳县申家湾村,控制流域面积1121 km2,有1957 年～2017 年共61 年实测水文资料。邻近流域孤山川有高石崖水文站,基本断面设在府谷镇大沙沟村,是孤山川的出口控制站,站址至河口1.8 km,控制流域面积1263 km2,设站于1953 年7 月,观测至今。曹坪站位于无定河支流大理河左岸的岔巴沟上,1958 年8 月建站,控制面积187 km2,流域属于黄土丘陵沟壑区,有1959 年至今长系列实测流量资料。

工程附近水文站网布设情况见表1。

表1 工程河段附近水文站网一览表

3 洪水选样

在新庙站、高石崖站、申家湾站和曹坪站实测资料系列中,按年最大值法进行选样。

4 洪水资料审查

4.1 洪水资料的可靠性

1988 年以前各站年最大洪峰流量依据《黄河流域水文资料-中游区上段（河口镇至龙门）》中的流量特征资料和洪水水文要素摘录进行统计计算,1989 年～2017 年各站洪水资料系依据经正式整编的流量和洪水成果整理,因此资料总体基本可靠。

4.2 洪水资料的一致性

20 世纪90 年代初以来,悖牛川、孤山川、佳芦河及岔巴沟流域水资源利用工程较少,流域降水的产汇流条件,尤其是洪水过程的形成条件并无明显差异,其对洪水系列一致性的影响可以忽略。因此,选样洪水系列具有较好的一致性。

4.3 洪水资料的代表性

为分析新庙站、高石崖站、申家湾站和曹坪站洪水资料的代表性,绘制了四站年最大洪峰流量过程线,见图1～图4。

图1 新庙站年最大洪峰流量过程线

图2 高石崖站年最大洪峰流量过程线

图3 申家湾站年最大洪峰流量过程线

图4 曹坪站年最大洪峰流量过程线

从图可以看出,新庙站洪水系列已长达52 年,高石崖站洪水系列已长达65 年,申家湾站洪水系列已长达61 年,曹坪站洪水系列已长达59 年,这些洪水系列基本上已经包括了丰水年组、平水年组、枯水年组以及各种来水组合,同时洪水系列正递序均值、变差系数CV随历时变化也趋于稳定,因此认为新庙站、高石崖站、申家湾站和曹坪站的洪水系列具有较好的代表性。

5 历史洪水

5.1 以往调查成果

新庙站有1966 年～2017 年共52 年的实测洪水系列,实测最大洪水为1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量为8150 m3/s；次大洪水为1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量为4850 m3/s；第三大洪水为1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量为4290 m3/s。

高石崖站有1953 年～2017 年共65 年的实测洪水系列,其中1977 年实测洪峰流量10300 m3/s,为自1953 年建站至今最大值,也是1893 年以来的最大值。经分析本次洪水成因是由于特大暴雨形成,本次计算时按特大值处理,重现期定为125 年。

申家湾站有1957 年～2017 年共61 年的实测洪水系列,实测最大洪水为1989 年7 月21 日洪水,洪峰流量为8150 m3/s；次大洪水为1978 年8 月30 日洪水,洪峰流量为4850 m3/s；第三大洪水为1976 年8 月2 日洪水,洪峰流量为4290 m3/s。

5.2 本次洪水调查

为满足呼家沟沟口处设计洪水计算的需要,本次收集悖牛川、孤山川、佳芦河及岔巴沟等河段的文史资料,就1890 年以来的历史大洪水情况采访了当地群众,对1976 年、1977 年、1978 年及1989 年洪水有了进一步的认识。

6 洪水频率计算

根据新庙站1966 年～2017 年52 年最大洪峰流量系列、高石崖站1953 年～2017 年共65 年最大洪峰流量系列、申家湾站1957 年～2017 年共61 年最大洪峰流量系列、曹坪站1959 年～2017 年共59 年最大洪峰流量系列,按连序系列进行频率计算,均值及变差系数CV采用矩法计算,理论频率偏态系数CS按经验取CV的倍比通过适线确定。根据矩法计算出来的统计参数,采用P-Ⅲ型曲线进行适线,在适线中总的准则是：尽量使理论频率曲线通过经验点据的中心位置。若有困难时,侧重考虑与上部和中部大水点据吻合。经过适线,求得新庙站、高石崖站、申家湾站和曹坪站不同频率洪水成果及统计参数见表2。

表2 各站洪水频率计算成果表 单位：m3/s

7 设计成果的合理性检查

7.1 新庙站成果对比与选用

悖牛川新庙站洪水频率分析计算工作,以往进行过多次。黄河勘测规划设计有限公司在2014 年7 月编制了《窟野河神木县矿区段防洪及生态治理规划报告》（以下简称《矿区规划》）,新庙站设计洪水成果通过省水利厅的审查,《内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗忽鸡兔沟治理工程初步设计报告》（内蒙古自治区水利水电勘测设计院,2013 年11 月,以下简称《活鸡兔沟初设》）、《陕西省中小河流治理工程神木市活鸡兔沟中鸡镇段防洪工程初步设计报告》（陕西水环境工程勘测设计研究院,2018 年11月,以下简称《活鸡兔沟初设》）、《窟野河流域综合规划》（水利部黄河水利委员会,2019 年9 月,以下简称《流域规划》）中的新庙站设计洪水成果通过了黄委的审查。本次计算成果与以往成果比较情况见表3。

表3 新庙站历次洪水计算成果比较表 单位：m3/s

从表中可以看出,本次计算成果比《矿区规划》成果偏小9.4%～13.7%,比《活鸡兔沟初设》（内蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,与《活鸡兔沟初设》成果基本一致,其原因主要是近期以来悖牛川流域一直处于枯水时段,发生大洪水次数减少,随着资料系列的延长,使均值随系列延长而减小。鉴于窟野河上中游设计洪水涉及黄河治理、窟野河规划诸多方面因素,黄河勘测规划设计有限公司在编制《矿区规划》时考虑的因素比较全面,成果比较合理,《流域规划》经分析仍采用《矿区规划》成果,故仍以《矿区规划》成果作为本次计算的依据。

7.2 高石崖站成果对比与选用

孤山川高石崖站洪水频率分析计算工作,以往进行过多次。陕西水环境工程勘测设计研究院在2010 年7 月编制了《陕西省府谷县孤山川重点段防洪工程初步设计报告》（以下简称《孤山川初设》）,高石崖站设计洪水成果通过省水利厅及榆林市水利局的审查。本次计算成果与以往成果比较情况见表4。

表4 高石崖站历次洪水计算成果比较表 单位：m3/s

从表中可以看出,本次计算成果比《孤山川初设》成果偏小5.9%～6.1%,其原因主要是近期以来孤山川流域一直处于枯水时段,发生大洪水次数减少,随着资料系列的延长,使均值随系列延长而减小。鉴于高石崖站设计洪水涉及诸多方面因素,《孤山川初设》考虑的因素比较全面,成果比较合理,成果已通过了省水利厅的审查,防洪工程已经实施,故仍以《孤山川初设》成果作为本次计算的依据。

7.3 申家湾站成果对比与选用

佳芦河申家湾站洪水频率分析计算工作,以往进行过多次。黄河勘测规划设计有限公司于2019 年12 月编制了《榆林黄河东线马镇引水工程黄石沟调蓄水库初步设计报告》（以下简称《黄石沟水库初设》）、陕西省水利电力勘测设计研究院于2019 年12 月编制了《榆林黄河东线马镇引水工程神木支线初步设计报告》（以下简称《神木支线初设》）,申家湾站设计洪水成果通过陕西省水利厅、榆林市水利局的审查。本次计算成果与以往成果比较情况见表5。

表5 申家湾站历次洪水计算成果比较表 单位：m3/s

从表5 中可以看出,本次计算成果比《黄石沟水库初设》《神木支线初设》成果偏小0～3.4%,主要是由于近期以来佳芦河流域一直处于枯水时段,发生大洪水次数减少,随着资料系列的延长,使均值随系列延长而减小。鉴于佳芦河设计洪水涉及黄河治理、佳芦河规划诸多方面因素,黄河勘测规划设计有限公司在编制《黄石沟水库初设》时考虑的因素比较全面,成果比较合理,《神木支线初设》经分析仍采用《黄石沟水库初设》成果,故仍以《黄石沟水库初设》成果作为本次计算的依据。

7.4 曹坪站成果对比与选用

曹坪站设计洪水频率分析计算工作,以往进行过多次。陕西水环境工程勘测设计研究院在2017 年编制了《陕西省中小河流治理项目子洲县岔巴沟三川口镇段防洪工程初步设计报告》,曹坪站设计洪水成果通过省水利厅的审查。黄委设计院完成《黄石沟调蓄水库初步设计》时,对曹坪站设计洪水进行了详细分析计算,通过陕西省发改委的批复。本次计算成果与以往成果比较情况见表6。

表6 曹坪站历次洪水计算成果比较表 单位：m3/s

从表6 中看出,本次计算成果与《黄石沟水库初设》《岔巴沟防洪初设》成果都比较接近,相差在-2.5%～15.9%以内。考虑到“黄石沟水库初设”为近期审批成果,本次曹坪站设计洪水采用“黄石沟水库初设”成果。

8 呼家沟设计洪水

呼家沟沟口处的设计洪水采用水文比拟法进行计算,计算公式为：

式中：Q设、Q参分别为设计断面和参证站洪峰流量；F设、F参分别为设计断面和参证站集水面积；n 面积指数采用0.67。

经过计算,求得呼家沟沟口处的设计洪水,成果见表7。

表7 呼家沟沟口处水文比拟法设计洪水计算成果表单位：m3/s

从表7 中可以看出,水文比拟法采用了近期实测的水文资料,成果精度相对较高,但考虑到因地区水文特性不同,成果有一定差异,高石崖站计算的设计洪水大于申家湾站和曹坪站计算的设计洪水,小于新庙站设计洪水。经综合分析比较,本次呼家沟沟沟口处设计洪水采用以高石崖站为参证站水文比拟法求得的成果,10 年一遇洪峰流量为578 m3/s,20 年一遇洪峰流量为892 m3/s。

9 结语

1）依据新庙、高石崖、申家湾和曹坪站实测资料,按年最大值法选样,得到了新庙1966 年～2017 年、高石崖1953 年～2017 年、申家湾1957 年～2017 年和曹坪站1959 年～2017 年可靠性、一致性、代表性较好的资料系列。

2）新庙站实测最大洪水为1989 年7 月21 日洪水,次大洪水为1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水为1976 年8 月2 日洪水；高石崖站实测最大洪水为1977 年洪水；申家湾站实测最大洪水为1989 年7 月21 日洪水,次大洪水为1978 年8 月30 日洪水,第三大洪水为1976 年8 月2 日洪水。

3）按照考虑历史洪水的连续长系列进行频率分析计算,年最大洪峰频率成果符合参数的地区分布规律。本次按长系列分析计算的新庙站成果比《矿区规划》成果偏小9.4%～13.7%,比《活鸡兔沟初设》（内蒙院）成果偏小7.7%～17.5%,高石崖成果比《孤山川初设》成果偏小5.9%～6.1%,申家湾成果比《黄石沟水库初设》《神木支线初设》成果偏小0%～3.4%,曹坪站计算成果与《黄石沟水库初设》《岔巴沟防洪初设》成果都比较接近,相差在-2.5%～15.9%以内。