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        延河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

        2020-11-19 07:43:58
        陜西水利 2020年9期
        關(guān)鍵詞:王瑤洪量延河

        梁 曦

        (陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

        1 概況

        延河發(fā)源于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng),流經(jīng)安塞縣、寶塔區(qū)于延長(zhǎng)縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近注入黃河,全長(zhǎng)286.9 km,比降3.3‰,流域面積7725 km2。延河水系主要支流有杏子河、平橋川、西川河、南川河、蟠龍川等。流域地形西北高、東南低,為黃土丘陵溝壑區(qū),因長(zhǎng)期受流水切割,梁狀丘陵比較發(fā)育,塬面支離破碎,溝壑縱橫,丘陵起伏,植被差,水土流失嚴(yán)重。以化子坪、延安甘谷驛為界,將延河劃分為上、中、下游河段。上游段河谷狹窄多呈V 形,河道平均比降6.7‰,河道彎曲度較大;中游段長(zhǎng)114.8 km,河谷明顯展寬,平均寬度達(dá)600 m;下游段長(zhǎng)110.4 km,在火焰山至河口的20 km 內(nèi),河谷狹窄,河寬僅30 m~100 m 形成典型的陡壁峽谷。

        2 設(shè)計(jì)洪水頻率計(jì)算

        2.1 測(cè)站及資料系列

        延河流域自20 世紀(jì)50 年代以來,先后設(shè)立有甘谷驛水文站、延安水文站、棗園水文站、杏河水文站、安塞水文站共5 個(gè),控制流域面積從479 km2到5891 km2,站點(diǎn)觀測(cè)資料系列均超過30 年,能夠滿足分析計(jì)算要求,各站基本情況見表1。

        表1 延河流域各水文站基本情況

        2.2 洪水資料審查

        各水文站洪水資料均來源于正式整編的年鑒,成果可靠;各水文站均包含了若干個(gè)連續(xù)的大、中、小洪水過程,洪水系列均值、CV值隨系列的增加趨于穩(wěn)定,說明所選資料具有較好代表性。

        延安站1959 年~1964 年洪峰流量為楊家灣站斷面值,延安站斷面在原斷面以上100 m,之間沒有支流加入,認(rèn)為洪水資料沒有變化,與延安站斷面流量一致,合并為同一系列處理。1973 年1 月在杏河子上杏河水文站下游17.5 km 處設(shè)立有王瑤水庫(kù),壩址控制流域面積820 km2,是一座以防洪為主,兼供水、灌溉、發(fā)電為一體的大(二)型水利工程,需對(duì)建庫(kù)后洪水資料進(jìn)行還原。建立延安站及甘谷驛站1973 年以前峰量關(guān)系 Q延=0.18904W延1.171(r=0.91);Q甘=0.593W甘0.966(r=0.96),再以延安站及甘谷驛站同場(chǎng)次洪水洪量加王瑤水庫(kù)相應(yīng)實(shí)測(cè)攔蓄量作為水文站還原后的天然洪量,按峰量關(guān)系還原1973 年后各水文站天然洪峰流量,年最大1 日及3 日天然洪量為實(shí)測(cè)洪量加相應(yīng)王瑤水庫(kù)實(shí)測(cè)攔蓄洪量,還原后系列具有一致性。

        2.3 歷史洪水及重現(xiàn)期

        依據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》[1]和《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》[2],甘谷驛站附近河段調(diào)查到 1917 年、1933 年、1940 年、1942 年歷史洪水,最大洪峰流量分別為6300 m3/s、6300 m3/s、4850 m3/s、2900 m3/s,另外 1977 年 7 月 6 日甘谷驛站發(fā)生特大洪水9050 m3/s,扣除下泄還原天然洪峰9700 m3/s,該場(chǎng)被《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》刊印成果和洪水調(diào)查單位認(rèn)定約為200 年一遇洪水,其他洪水量級(jí)與實(shí)測(cè)相差不大放入實(shí)測(cè)系列中。

        延河干流近100 年~200 年間曾發(fā)生過5 次較大的洪水,延河市東關(guān)河段 1977 年、1933 年、1917 年、1940 年、1942 年調(diào)查到大洪水分別為 8780 m3/s、4580 m3/s、4290 m3/s、4290 m3/s、3050 m3/s。延安站1977 年實(shí)測(cè)洪水為7200 m3/s,扣除下泄還原天然洪峰 8310 m3/s,1933 年、1917 年、1940 年、1942 年歷史洪水通過水文比擬法推算到延安站,分別為4070 m3/s、3810 m3/s、3810 m3/s、2710 m3/s。1977 年洪水按 200 年一遇處理,其他洪水量級(jí)與實(shí)測(cè)相差不大放入實(shí)測(cè)系列中。

        支流西川河在延安市棗園鄉(xiāng)裴莊村河段歷史洪水除1989 年棗園站實(shí)測(cè)2460 m3/s 外,還有調(diào)查的有1933 年、1959 年洪水,洪峰流量分別為2350 m3/s、1660 m3/s。1989 年洪水為1933 年以來調(diào)查最大洪水,故其重現(xiàn)期按調(diào)查期確定為80 年一遇,1933 年洪水為第二個(gè)洪水,重現(xiàn)期確定為40 年一遇。

        支流杏子河在王瑤河段近100 年~200 年間也發(fā)生了3 次大洪水,即 1866 年(清朝同治五年)、1917 年、1977 年,洪峰流量分別為 3100 m3/s、2720 m3/s、2620 m3/s,次大洪水1940 年、1956 年,洪峰流量分別為 1980 m3/s、1290 m3/s,1866 年為距今最大洪水,重現(xiàn)期確定為150 年,1917 年洪水重現(xiàn)期75 年,1977 年洪水重現(xiàn)期50 年。

        延河李家溝河段歷史上發(fā)生過三次大洪水,即1917 年、1977 年、1969 年,洪峰流量分別為 3040 m3/s、2390 m3/s、1820 m3/s;延河真武洞河段在1977 年發(fā)生大洪水為2710 m3/s。1917 年洪水距今100 a,故1917 年洪水重現(xiàn)期確定為100 年一遇,1977 年洪水重現(xiàn)期確定為50 a 一遇。

        2.4 洪水頻率計(jì)算

        各水文站洪水系列加入歷史洪水,按不連續(xù)系列計(jì)算,矩法估計(jì)初值,應(yīng)用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行目估經(jīng)驗(yàn)適線,著重考慮中上部分的較大洪水點(diǎn)據(jù),頻率計(jì)算成果見表2~表4。

        由成果表看出:就同一水文站而言,變差系數(shù)CV及偏態(tài)系數(shù)CS隨歷時(shí)增長(zhǎng)而減少,即洪峰流量的CV和CS值大于不同時(shí)段洪量 CV值和 CS值,1 日洪量 CV及 CS大于 3 日洪量 CV及 CS值,洪量均值隨歷時(shí)的增加而增加;就流域面上而言,下游甘谷驛站洪峰流量及洪量均值大于延安站、延安站均值大于上游三站,洪峰流量及洪量CV從上游到下游減小,各水文站CS/CV為3.0,均符合地區(qū)分布規(guī)律。

        表2 延河流域各站設(shè)計(jì)洪峰成果表

        表3 延河流域各站設(shè)計(jì)1 日洪量成果表

        表4 延河流域各站設(shè)計(jì)3 日洪量成果表

        3 設(shè)計(jì)洪水地區(qū)綜合分析

        根據(jù)各站頻率適線成果,建立水文站設(shè)計(jì)洪水與流域面積冪函數(shù)模型 Qp=K1Fn1,W1日=K2Fn2,W3日=K3Fn3。不同頻率洪峰流量中 n1在 0.51~0.54 之間,基本為 0.52;不同頻率 1 日洪量中n2在0.78~0.85 之間,基本接近0.8;不同頻率3 日洪量中n3在0.81~0.88 之間,基本接近0.83。經(jīng)綜合分析不同頻率面積指數(shù)可取同一值,建立地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式,見表5。將五個(gè)水文站設(shè)計(jì)洪水與面積取對(duì)數(shù),斜率即為面積指數(shù)n,繪制設(shè)計(jì)洪水與面積雙對(duì)數(shù)圖,見圖1~圖3。從圖4 中可以看出頻率計(jì)算成果點(diǎn)據(jù)基本落在地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式直線附近。

        表5 延河地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式

        圖1 設(shè)計(jì)洪峰地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)圖

        圖2 設(shè)計(jì)1 日洪量地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)圖

        圖3 設(shè)計(jì)3 日洪量地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)圖

        圖4 與以往工具書成果對(duì)比圖

        以頻率計(jì)算成果為基準(zhǔn),分析地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式相對(duì)誤差,見表6。可以看出對(duì)于大中小洪水,設(shè)計(jì)洪峰流量相對(duì)誤差絕對(duì)值基本在10%,W1日和W3日洪量控制在20%以內(nèi),表明本次擬定經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算基本可靠,有一定的參考價(jià)值。

        表6 地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式與頻率計(jì)算成果相對(duì)誤差表

        4 與以往工程設(shè)計(jì)工具書對(duì)比分析

        以100 年一遇洪水為例,對(duì)比1987 年《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中延河所屬的丘陵溝壑Ⅱ區(qū),經(jīng)驗(yàn)公式為QP100=48.0F0.61,擬定的地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式面積指數(shù)n 較《延安手冊(cè)》略小,直線斜率相對(duì)較緩,在大面積時(shí)洪水較《延安手冊(cè)》成果偏小,在小流域時(shí)洪水偏大,其原因在于流域面積大,洪水的消減坦化作用明顯,洪峰模數(shù)變小。根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果,各點(diǎn)據(jù)較《延安手冊(cè)》更接近擬定的經(jīng)驗(yàn)公式,更能體現(xiàn)目前延河流域洪水情況。

        以蟠龍川支流雷鼓川河上孫臺(tái)水庫(kù)百年一遇洪水為例,對(duì)比分析1985 年《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》[3]暴雨推求洪水采用的推理公式成果。孫臺(tái)水庫(kù)控制流域面積76.4 km2,河長(zhǎng)17.0 km,河道比降8.4‰,24 h 設(shè)計(jì)面暴雨量為171.8 mm,通過產(chǎn)匯流計(jì)算后推得設(shè)計(jì)洪峰流量為943 m3/s。由地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式推求洪水為877 m3/s,較《暴雨圖集》成果略小7%,大于《延安手冊(cè)》成果,《暴雨圖集》推求成果基本在擬定的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式直線上。

        5 水庫(kù)驗(yàn)證

        王瑤水庫(kù)下游15 km 處有招安站,控制流域面積1275 km2,自1957 年~1971 年有14 年實(shí)測(cè)洪水資料;王瑤水庫(kù)上游17.5 km處有杏河站,控制流域面積479 km2,自1980 年~2019 年有40 年實(shí)測(cè)洪水資料,將兩站洪水資料均采用水文比擬法移用到王瑤水庫(kù)壩址處。根據(jù)1957 年~2019 年54 年資料,加1866 年、1917 年、1977 年歷史大洪水,其重現(xiàn)期分別取150 年、75 年、50 年,進(jìn)行頻率適線推求設(shè)計(jì)洪水。

        以100 年一遇設(shè)計(jì)洪水為例,王瑤水庫(kù)頻率計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量、設(shè)計(jì)1 日洪量及設(shè)計(jì)3 日洪量分別為2870 m3/s、3000 萬m3、3400 萬m3,地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式成果分別為 3010 m3/s、2740 萬 m3、3200 萬m3,成果基本接近,相對(duì)誤差在6%左右,見圖5~圖7,頻率計(jì)算成果點(diǎn)據(jù)基本落在地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式線上。

        圖5 王瑤水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰與面積關(guān)系圖

        圖6 王瑤水庫(kù)設(shè)計(jì)1 日洪量與面積關(guān)系圖

        圖7 王瑤水庫(kù)設(shè)計(jì)3 日洪量與面積關(guān)系圖

        6 結(jié)語

        根據(jù)延河流域各水文站頻率計(jì)算結(jié)果綜合分析擬定地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式,設(shè)計(jì)洪峰流量面積指數(shù)為0.52,設(shè)計(jì)1 日洪量面積指數(shù)為0.8,設(shè)計(jì)3 日洪量面積指數(shù)為0.83,具有一定的精度;結(jié)合20 世紀(jì)80 年代《暴雨圖集》暴雨推求洪水推理公式法和《延安手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)公式成果,對(duì)比分析認(rèn)為地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式更合理;通過王瑤水庫(kù)洪水論證,認(rèn)為地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式滿足工程設(shè)計(jì)要求,而地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便,有一定使用價(jià)值。

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