王 嬌

(神木市水利水電工作隊(duì)，陜西 榆林 719399)

1 概 況

神木市大柳塔鎮(zhèn)有東川礦業(yè)有限公司、麻溝蜂窩渠煤礦等，面積約11.2297 km2。其中東川礦業(yè)有限公司位于神木市悖牛川河道右岸特嘛溝至郭家灣大橋區(qū)間，河道長(zhǎng)度約13.60 km，受悖牛川河道洪水威脅較大。為了加快神木縣大柳塔東川礦業(yè)有限公司整合區(qū)煤炭資源步伐，保障當(dāng)?shù)匕踩柙谧蟀度缢逯镣跫业?1.13 km、右岸特麻溝溝口北端至郭家灣大橋4.90 km建設(shè)防洪工程。為確保工程科學(xué)設(shè)計(jì)，需對(duì)悖牛川大柳塔段防洪區(qū)不同頻率下的洪水量級(jí)和河勢(shì)演變進(jìn)行分析計(jì)算。

2 河道現(xiàn)狀及防洪分析

2.1 河流水系

悖牛川發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的神山溝，流域面積2274 km2，干流總長(zhǎng)108.6 km，河道平均比降3.33‰，其中陜西省境內(nèi)流域面積724 km2，河長(zhǎng)38.7 km，河道比降2.6‰，在神木縣店塔注入窟野河[1]，是窟野河左岸的一級(jí)支流。此次規(guī)劃治理河段屬悖牛川中下游河段，具有山區(qū)性河流的典型特征，其海撥高程在1044～1086 m之間。由于沿程地形險(xiǎn)峻、陡峭，加之地質(zhì)構(gòu)造和巖性的變化，使得河道形成節(jié)狀型，河岸階地明顯，比降為3.072‰。

2.2 防洪現(xiàn)狀

經(jīng)過調(diào)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應(yīng)堤防工程一處，抽水站在2+100以南，站址長(zhǎng)30 m，漿砌石防洪堤長(zhǎng)198 m。左岸屬府谷縣大昌汗和老高川兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄，有建成的防洪堤防3.2 km；右岸為神木縣管轄，有建成防洪堤2.4 km。兩處堤防均不在堤線位置，壓縮了河道行洪斷面，利用價(jià)值低。

3 暴雨洪水特性與水文分析

3.1 暴雨洪水特性

(1)窟野河暴雨洪水特性。流域暴雨發(fā)生日期最早在4月，最遲到10月，主要發(fā)生在7—8月。一次暴雨歷時(shí)約為2～3 d，最大暴雨期為24 h左右，其主雨峰約為12 h?？咭昂恿饔虮┯辏搭愋头咒h面雨和雷暴雨兩種：前一種特點(diǎn)是歷時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)度均勻，籠罩面積大。例如1978年8月31日暴雨，歷時(shí)達(dá)24 h；后一種特點(diǎn)是雨量集中，歷時(shí)短，強(qiáng)度大，籠罩面積小。例如1979年8月10日暴雨，主要集中在悖牛川中下游地區(qū)。流域洪水主要由暴雨形成，暴雨的時(shí)空分布與下墊面的產(chǎn)匯流條件決定該流域的洪水特性。

(2)悖牛川暴雨洪水特性。悖牛川大柳塔防洪工程所在地屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候[2]，年降水量380～410 mm左右，降雨主要出現(xiàn)在7—8月，約占全年降水量的70%～80%。其洪水漲落平穩(wěn)，一般以單峰洪水為主，峰型較胖，一場(chǎng)洪水一般在1～2 d左右。由于悖牛川流域位于毛烏素沙漠東南邊沿，陜北黃土高原的東北部，屬于沙漠風(fēng)積型地貌，沙丘連綿，土地寬闊平緩，流域形似掌狀，因此流域匯流時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

3.2 參證站的選擇及洪水選樣

悖牛川大柳塔段上游有新廟水文站，距工程處10 km，控制流域面積1527 km2。新廟水文站建于1966年[3]，有52 a實(shí)測(cè)水文資料?？咭昂由嫌卧阢Ｅ４▍R入前稱烏蘭木倫河，上游1985年1月設(shè)阿騰席熱水文站，控制流域面積338 km2；1986年5月設(shè)石圪臺(tái)水文站，1992年撤銷，該站控制流域面積2169 km2；烏蘭木倫河悖牛川入?yún)R口上游有王道恒塔水文站，1958年10月設(shè)立，控制流域面積3839 km2。石圪臺(tái)站僅有1年半觀測(cè)資料；阿騰席熱站設(shè)于1985年，資料年限較短；因此整治河段設(shè)計(jì)斷面洪水本次以悖牛川新廟站為設(shè)計(jì)依據(jù)站、以烏蘭木倫河王道恒塔站為參證站分析計(jì)算。

用年最大值法，對(duì)悖牛川新廟水文站、烏蘭木倫河王道恒塔水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行洪峰流量選樣，即每年只選取一個(gè)最大瞬時(shí)洪峰流量，作為頻率計(jì)算樣本。

3.3 洪水分析

3.3.1 洪水資料的還原

新廟水文站以上無大中型蓄水調(diào)節(jié)工程，洪水資料可視為天然系列，無需還原。窟野河上游烏蘭木倫河2004年11月建成烏蘭木倫水庫(kù)。烏蘭木倫水庫(kù)控制流域面積328 km2，總庫(kù)容9880萬m3，當(dāng)大于190 m3/s時(shí)開始排沙運(yùn)行方式，可將1000 a一遇和100 a一遇的入庫(kù)洪峰9120 m3/s、5340 m3/s削減為3380 m3/s、2170 m3/s；據(jù)設(shè)計(jì)單位分析，壩址以上洪量約占王道恒塔站洪峰的10%，在構(gòu)成中烏蘭木倫水庫(kù)的影響也應(yīng)很小，故可以忽略，不再還原。據(jù)陜西省歷史洪水資料匯編，烏蘭木倫河王道恒塔1946年發(fā)生了大洪水，但由于斷面形態(tài)變化很大，難以確定當(dāng)時(shí)的斷面，故無法定量分析。

3.3.2 水文站洪水頻率計(jì)算

(1)悖牛川新廟站。根據(jù)新廟站1966～2007年42 a實(shí)測(cè)洪峰流量資料，經(jīng)驗(yàn)頻率按連序系列計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)用矩法計(jì)算，作為初試值，偏態(tài)系數(shù)采用Cs=2.5Cv，采用P-Ⅲ型曲線目估適線，見圖1，統(tǒng)計(jì)參數(shù)及不同頻率洪峰流量見表1。

表1 悖牛川新廟站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果 m3/s

圖1 悖牛川新廟站年最大洪峰流量頻率曲線

(2)烏蘭木倫河王道恒塔站。根據(jù)王道恒塔水文站 52 a實(shí)測(cè)洪峰流量資料，經(jīng)驗(yàn)頻率按連序系列計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)用矩法計(jì)算，作為初試值，偏態(tài)系數(shù)采用Cs=2.0Cv，采用P-Ⅲ型曲線，目估適線，見圖2，統(tǒng)計(jì)參數(shù)及不同頻率洪峰流量見表2。

圖2 烏蘭木倫河王道恒塔站年最大洪峰流量頻率曲線

m3/s

(3)合理性分析。王道恒塔站流域面積大于新廟站，其中平均最大洪峰流量1980 m3/s大于新廟站1520 m3/s，兩站Cv值分別為1.35、1.20，Cs/Cv介于2.0～2.5，均符合參數(shù)的地區(qū)分布規(guī)律，由以上分析可知成果基本合理。

3.3.3 工程河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

悖牛川大柳塔防洪工程長(zhǎng)約16.3 km，設(shè)計(jì)上斷面為支流大昌汗溝匯入處，控制流域面積1598 km2，下斷面控制流域面積1781 km2；以新廟水文站、王道恒塔水文站洪水計(jì)算成果，按面積比擬法，洪峰指數(shù)為2/3，計(jì)算設(shè)計(jì)斷面不同頻率洪峰流量，其結(jié)果見表3。

表3 整治河段設(shè)計(jì)斷面洪水成果表 m3/s

從表3可以看出，新廟水文站計(jì)算成果比王道恒塔水文站計(jì)算成果偏大22.9%～24.4%。因?yàn)樾聫R水文站就在悖牛川上，和工程處洪水特性一樣，其成果較鄰近流域王道恒塔站成果更能體現(xiàn)本流域的洪水特性且更偏于安全，從安全角度，推薦以新廟站為設(shè)計(jì)依據(jù)站計(jì)算的設(shè)計(jì)斷面洪水成果。

4 河道演變分析

4.1 歷史演變

為了解整治段河道的演變情況，本次收集到1980年萬分之一地形圖和2003年千分之一地形圖，進(jìn)行套繪從而得到兩個(gè)不同年代的萬分之一河勢(shì)演變套繪圖。從套繪圖上可以看出該段河道平面變化情況基本相同；據(jù)調(diào)查和踏勘，悖牛川大柳塔段河道多年來沒有出現(xiàn)過大的擺動(dòng)，主流在100～200 m之間擺動(dòng)。河道基本處于天然狀態(tài)，基本沒有變化，受人類活動(dòng)影響較小，一直保持現(xiàn)狀。

4.2 近期演變

悖牛川屬于多泥沙河流，輸沙量主要集中在一場(chǎng)或幾場(chǎng)較大洪水。由于洪水年季分布不均，受來水影響，泥沙變化情況較大，所以河道斷面在年內(nèi)(年際)沖淤變化較為明顯。為進(jìn)行河道縱向沖淤變化分析，將1980年與2003年河道各橫斷面上的最低點(diǎn)點(diǎn)繪在河道縱斷面圖上，可以看出，目前該段河道上段沖淤變化在2.90 m以內(nèi)，最大沖刷為2.90 m，最大淤積為1.50 m，沖刷范圍和深度大于淤積范圍和深度，說明該段河道在這段時(shí)間是下切的，但幅度不大，據(jù)當(dāng)?shù)厝罕娊榻B，該段河道多年來一直保持現(xiàn)狀，從較長(zhǎng)期來看該河段處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 河床沖淤變化

悖牛川洪枯流量變化大，據(jù)新廟水文站資料統(tǒng)計(jì)，年最大洪峰流量系列中最大為8150.000 m3/s(1989年)，最小洪峰流量為135.000 m3/s(2007年)，最大值是最小值的60倍，而最小枯水流量為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之間持續(xù)時(shí)間4個(gè)月左右，小于0.300 m3/s的枯水流量持續(xù)時(shí)間約3個(gè)月。

新廟站輸沙量年內(nèi)年際變化大，7—8月輸沙量占全年輸沙量的91%，6—9月為99%，實(shí)測(cè)年最大輸沙量與最小輸沙量之比為323。多年平均含沙量為136.2 kg/m3，多年平均7—8月含沙量為206.7 kg/m3，最大可達(dá)1410 kg/m3。

河床的沖淤變化是復(fù)雜的，它與河流的水、沙特性等諸多因素有關(guān)。繪制悖牛川新廟水文站1967年、1972年、1976年、1978年、1980年、1982年、1986年、1989年、2004年和2005年汛前實(shí)測(cè)大斷面圖，從圖上看，普遍規(guī)律表現(xiàn)為大水沖刷小水淤積，沖淤幅度不大，沖刷位置一般在起點(diǎn)15.00～125.00 m范圍內(nèi)，最大沖刷在起點(diǎn)28.00～45.00 m之間，年最大沖刷在0.42～3.35 m之間，場(chǎng)次洪水沖淤面積變化在3%～8%之間。從新廟水文站1967—2005年實(shí)測(cè)汛前大斷面資料統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)驗(yàn)橫斷面的沖淤基本平衡。

4.4 河道演變趨勢(shì)

悖牛川大柳塔段河道走向比較順直，河床演變幅度、變形速度都比較小。規(guī)劃河段長(zhǎng)約13.6 km，河槽相對(duì)比較平順，河谷底寬650～1150 m，河床寬150～450 m，其河勢(shì)長(zhǎng)期處于一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)。隨著陜北能源化工基地的開發(fā)進(jìn)程的不斷加快，人類活動(dòng)對(duì)河流的影響將會(huì)更加劇烈，河道渠化的速度必將加快。本工程整治段，在大昌汗溝入?yún)R處，發(fā)育著沖(洪)積扇，由于支溝洪水較小，對(duì)主流頂沖作用亦較小，深泓線將會(huì)有所擺動(dòng)，但不影響主流的流向，加上整治河段堤防的控制，主流仍不會(huì)有較大偏離。因此整治河段在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)將保持河勢(shì)基本穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

大柳塔悖牛川段洪水暴漲暴落，為了確保當(dāng)?shù)孛旱V企業(yè)安全，以上游的新廟和王道恒水文站為參證站，利用年最大值法，作為頻率計(jì)算樣本，再采用面積比擬法，算出工程處不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水，即100 a一遇、20 a一遇、10 a一遇洪水分別為9878 m3/s、5731 m3/s、4069 m3/s。由于該河段為沙質(zhì)河床，河床的沖淤存在著一個(gè)往復(fù)性的循環(huán)演變過程，但多年的沖淤情況基本趨于平衡。