榆溪河设计洪水分析方法探讨

李 珂

（陕西黄河生态工程有限公司,陕西 西安 710018）

在防洪工程中,设计洪水是水文分析计算不可缺少的。对于在有资料条件和无资料条件下,某些流域设计洪水的计算,相关规范上都有明确的规定,但有时一些流域因资料条件不好,或产汇流区域面积非单一的下垫面组成等因素,致使采用不同的分析思路和计算方法,得出的设计洪水计算成果差异较大。本文针对榆溪河设计洪水计算,根据红石峡水库时间运行情况和区间流域区分不同下垫面的产汇流条件,分析榆溪河河口处设计洪水计算,仅为类似流域的设计洪水计算提供参考。

1 基本情况

1.1 流域概况

榆溪河,又称帝原水、诸次水,为无定河一级支流。发源于榆林市榆阳区小壕兔乡刀兔海子西的水掌泉,于鱼河镇汇入无定河,是榆林市境内最长河流。流经风沙草滩、覆沙黄土梁峁涧地、川地、峡谷、丘陵沟壑等不同地貌类型,景观资源较丰富。河流含沙量小,水量稳定,有“清水河”之称。全长155 km,总流域面积5537 km2,平均比降3.07‰。榆溪河地形大体可分为：河源至红石峡为风沙区,约占总流域面积的77%；红石峡以下为风沙区与丘陵区过渡区,其中榆溪河以西主要为风沙区,约占总流域面积的17.6%,榆溪河以东主要为丘陵沟壑区,约总占流域面积的5.4%。红石峡以上流域地势呈北高南低,以下流域为东部高,西部低。左岸较大支流依次有五道河则、四道河则、三道河则、二道河则及头道河则；右岸较大支流为圪求河、白河,水系图见图1。河系发育不全,左密右疏,呈不对称水系。年平均流量11.8 m3/s,平均径流量3.7 亿m3,含沙量11.7 kg/m3,平均年输沙量431.9 万t。

图1 榆溪河水系图

1.2 洪水来源

榆溪河流域自上而下修建了多座水库,榆溪河流域水库基本情况见表1。根据《陕西省水库工程台账》,榆溪河上游支流的水库大多为小（1）型,水库滞洪能力有限,可忽略不计；而中营盘水库、李家梁水库等中型水库的防洪标准均高于防洪工程的防洪标准,下泄流量较小。榆溪河干流最下游红石峡水库,设计最大下泄流量为112 m3/s。河口与红石峡水库间沙河上建有尤家峁水库,设计最大下泄流量仅为6.29 m3/s。在考虑红石峡水库调蓄影响情况下,榆溪河下游河口段洪水主要来自区间来水。因此,根据上述榆溪河洪水来源的分析,榆溪河设计洪水可不考虑上游河口、中营盘、李家梁、石峁和尤家峁等水库的影响后,榆溪河下游洪水主要由红石峡水库下泄洪水和区间洪水组成。

表1 榆溪河流域水库基本情况表

2 设计洪水分析

2.1 基本资料

历史上,榆溪河干流曾先后设立过三个水文站,但设站时间都不长,从而导致各站的资料长度都较短；在邻近的流域中,海流兔河下游设有韩家峁水文站,马湖峪河下游设有马湖峪水文站,秃尾河中游设有高家堡水文站,各水文站均有观测降水、水位、流量等数据。榆溪河及邻近流域水文站情况,见表2。根据各水文站的分布情况,韩家峁、榆林水文站为风沙区代表站,马湖峪水文站为黄土丘陵区代表站,高家堡水文站为风沙区与黄土丘陵区过渡带代表站。

表2 榆溪河流域及邻近流域水文站情况

1959 年设立的榆林水文站位于南郊流水沟村,控制面积为4938 km2,具有1959 年～1967 年共9 年的实测洪水资料,该站实测最大洪峰流量为752 m3/s（1967 年9 月）,是由于沙河垮坝造成出口处岸坡滑塌,形成沙坝堵塞干流,后经抢险将沙坝开口,形成该次洪水,故不属于天然状态下洪水。除此以外,其余年份最大洪峰流量为53.2 m3/s～157 m3/s,平均值为88.7 m3/s。

根据榆溪河调查洪水可知,1956 年对榆溪河河段的历史洪水情况进行了调查,结果显示：河口河段附近,1937 年发生过特大洪水,洪峰流量为2200 m3/s,其次1944 年洪峰流量为1630 m3/s,1949 年洪峰流量为1510 m3/s。

2.2 设计洪水计算

榆溪河流域建有榆林水文站,具有1959 年～1967 年共9 年实测资料,由于系列较短,又受红石峡水库的调蓄影响,代表性较差,不能作为榆溪河流域设计洪水分析计算的依据。因此,在红石峡水库调蓄洪水的作用下,榆溪河流域洪水计算可采用上游红石峡水库下泄流量叠加坝址至河口区间流量,区间流量采用相似流域水文比拟法计算。

2.2.1 红石峡水库运用方式及下泄洪水

红石峡水库地处榆阳区榆阳镇桥头村,无定河水系榆溪河中游处,距榆林市城北4.5 km,库区属沙草原风及河源区,建于1955 年,坝址以上控制面积为4260 km2。该水库是一座以防洪为主,兼农业灌溉、水力发电、城市供水、水产养殖等综合利用的季节水库,规模为中型。红石峡水库大坝为浆砌石拱坝,最大坝高15 m,总库容1900 万m3。红石峡水库防洪标准为100 年一遇设计,500 年一遇洪水校核,泄流设施有坝顶溢流和泄水洞,坝顶溢流段长39.4 m,坝顶高程1072 m。东西泄洪洞断面2 m×1.8 m,东洞进口高程1061.81 m,西洞进口高程1063.81 m,东西泄洪洞最大泄流量为75 m3/s。根据《陕西省水库工程管理台账》,红石峡水库500 年一遇入库洪峰流量1570 m3/s,最大泄量265 m3/s,100 年一遇入库洪峰流量1270 m3/s,最大泄量112 m3/s,50 年一遇入库洪峰流量281 m3/s,最大泄量75 m3/s,10 年一遇入库洪峰流量101 m3/s,水库不下泄。

2.2.2 红石峡水库至入无定河河口区间设计洪水计算

榆溪河流域设计洪水产流面积分为风沙区和黄土丘陵区,河源至红石峡为风沙区,红石峡水库以下为风沙区与丘陵区过渡区,其中榆溪河以西主要为风沙区,以东主要为丘陵沟壑区。因此,红石峡水库至入无定河河口区间流域为风沙区和丘陵区混合区域。

马湖峪水文站是无定河支流马湖峪河出口控制站,与榆溪河相邻,水文站以上流域面积下垫面条件与榆溪河红石峡坝址以下至入无定河河口区间流域黄土丘陵区基本相似。韩家峁水文站是无定河一级支流海流兔沟河下游的控制站,与榆溪河相邻,该水文站控制流域下垫面为风沙区,与红石峡水库至入无定河河口区间流域风沙区下垫面条件基本相似。因此,根据《水利水电工程设计洪水计算规范》中计算设计洪水的规定,区间黄土丘陵区设计洪水以马湖峪水文站为参证站,区间风沙区设计洪水以韩家峁水文站为参证站,均采用水文比拟法进行分析,再叠加洪水计算。

（1）参证站选择

马湖峪水文站于1961 年8 月设立,位于陕西省米脂县龙镇候渠村,控制流域面积371 km2,距入无定河河口3 km,实测最大流量1840 m3/s（1970 年）,有自1961 年建站以来至2018 年的实测资料；韩家峁水文站位于无定河一级支流海流兔沟河下游,该站控制流域面积2452 km2,具有1957 年～2018 年共62 年实测洪水资料和1933 年历史调查洪水资料。统计马湖峪站和韩家峁站历年最大洪峰流量时程变化曲线,见图2。

图2 马湖峪站、韩家峁站年最大洪峰流量时程变化曲线

（2）调查洪水

根据《陕西省洪水调查资料》（陕西省水利厅1985 年）和《榆林水文手册》可知,马湖峪水文站1932 年最大洪峰流量5280 m3/s,较可靠；1970 年最大洪峰流量1840 m3/s,可靠；1942年和1954年调查的洪峰流量分别为1230 m3/s和899 m3/s,按一般洪水处理。

据调查分析,韩家峁站1933 年历史洪水为上游暴雨造成沙海子决口形成,不属于天然洪水,在分析中予以剔除；1964 年8 月12 日～19 日洪水出现两次洪峰流量,第一次洪峰过程属于矮胖型,历时3d 左右；第二次洪峰过程属于尖瘦型,历时仅十几个小时,经调查,第二次洪水过程为上游沙海子坝溃坝洪水,因此,本次将1964 年最大洪峰流量418 m3/s更正为222 m3/s。

（3）洪水频率计算

采用《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）中的相关公式进行经验频率计算和统计参数估算,采用P-III型频率曲线适线法,进行适线计算。马湖峪水文站和韩家峁水文站的洪峰流量设计成果见表3。从表中可以看出,本次马湖峪水文站成果与《无定河流域综合规划》《陕西省无定河防洪治理工程初步设计报告》和《陕西省中小河流治理项目米脂县马湖峪沟防洪工程初步设计报告》较为接近,有差异原因主要由适线结果偏差引起。为与以往成果保持一致,本次采用无定河流域综合规划成果。韩家峁计算成果与《无定河流域综合规划》进行对比,结果基本一致,为了与已有成果保持一致,本次仍采用规划成果。

表3 马湖峪水文站、韩家峁水文站设计洪水流量成果表

（4）区间设计洪水计算

以榆溪河出口断面作为设计洪水计算的控制断面。榆溪河汇入口产流面积5537 km2,属于风沙区与黄土丘陵过渡地带。榆溪河出口断面至红石峡水库坝址的区间流域面积为1277 km2,经量算,其中风沙区面积为980 km2,与相邻的海流兔河韩家峁水文站以上流域下垫面条件基本形似；黄土丘陵区面积为297 km2,流域下垫面条件与马湖峪河马湖峪水文站以上流域基本相似。因此,榆溪河出口断面的区间流域设计洪水拟采用马湖峪站、韩家峁站为参证站比拟计算。计算公式为：

式中：Q区间为区间流域不同频率的洪峰流量,m3/s；Q韩为韩家峁站不同频率的洪峰流量,m3/s；Q马为马湖峪站不同频率的洪峰流量,m3/s；F风为区间流域风沙区产流面积,km2；F黄为区间流域黄土丘陵区产流面积,km2；F韩为韩家峁水文站控制流域面积,km2；F马为马湖峪水文站控制流域面积,km2。

计算结果见表4。

表4 区间流域设计洪水计算成果表

2.2.3 榆溪河河口处设计洪水计算成果

榆溪河河口断面的设计洪水在考虑红石峡水库调蓄影响下,按水库至计算断面区间同频率,与红石峡水库下泄相应叠加组成。红石峡水库10 年一遇以上、100 年一遇以下按最大泄量75 m3/s 下泄控制,100 年一遇按水库下泄112 m3/s 控制,10 年一遇及以下防洪标准相对较低,红石峡水库能控制下泄。因考虑到防洪工程的安全性,本次简化计算,将洪峰过程按洪水遭遇同频率叠加。榆溪河河口断面不同频率洪水计算成果见表5。由表5 可知,榆溪河河口断面50 年一遇设计洪水为2260 m3/s。

表5 榆溪河跨越断面设计洪水流量成果表

2.2.4 设计洪水合理性分析及成果采用

根据调査洪水可知,1937 年发生过特大洪水,洪峰流量为2200 m3/s,1937 年距2020 年相隔83 年,因此,1937 年洪水可按照80 年一遇的洪水考虑。将本次计算结果与调査洪水成果对比,所以,本次计算的榆溪河河口段50 年一遇设计洪水 2260 m3/s,成果分析是相对合理的。

3 结论

为了搞好防洪工程中水文分析计算工作,使该工程的建设既满足防洪要求、又经济合理,寻求一种好的设计洪水计算方法尤为重要。榆溪河河口设计洪水计算时,针对区间流域内下垫面的不同,区分下垫面条件采用不同参证水文站进行水文比拟法计算,再进行洪水叠加,得到设计断面的设计洪水。该方法较不区分下垫面条件计算设计洪水,计算成果更为可靠、更为合理,是更适于榆溪河流域防洪工程设计洪水的计算方法。