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        河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界設(shè)計洪水分析研究

        2020-11-20 08:48:42曹均昌
        陜西水利 2020年8期
        關(guān)鍵詞:青陽劃界新橋

        曹均昌

        (陜西省水利信息宣傳教育中心,陜西 西安 710004)

        0 引言

        陜西省以秦嶺為界南北河流分屬長江水系和黃河水系,主要河流有漢江、丹江、嘉陵江、黃河、渭河、涇河、洛河、無定河等。由于歷史原因大部分水利工程的管理范圍及保護范圍界限不清,為了落實“河長制”相關(guān)責(zé)任,根據(jù)陜西省《河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界技術(shù)指南(試行)》(陜水河湖發(fā)〔2019〕12 號)要求[1],本文以紅柳河和新橋水庫為例就劃界過程中洪水分析計算進行探討。

        1 流域及水利工程概況

        1.1 河流水系及水利工程

        紅柳河系黃河以及支流無定河的源頭河段。發(fā)源于白于山北麓,下游出省界進入內(nèi)蒙后即稱無定河,新橋水庫以上河道支流呈現(xiàn)葉脈狀,流域內(nèi)溝壑密布,除干流段外,支流均無常流水,新橋水庫以下至內(nèi)蒙古省界,干流兩岸無支流匯入。

        紅柳河干流中段有新橋水庫,下段有金雞沙水庫。干流上段在支流中1962 年建成營盤山水庫,1980 年建成楊伏井水庫。紅柳河支流石窯溝,于1979 年建成水路畔水庫。支流八里莊溝,1978 年建成邊墻渠水庫。支流石拐子溝,20 世紀(jì)70 年代建成周灣水庫。

        新橋水庫位于靖邊縣西北部無定河上游紅柳河干流上,距靖邊縣城40 km,是一座兼有防洪、攔泥、灌溉等多種任務(wù)的綜合利用水庫。水庫樞紐工程由大壩、放水洞和引洪渠等組成。新橋水庫控制流域面積1332 km2,減去上游支流五庫控制面積471 km2,控制區(qū)間流域面積861 km2。除險加固后,水庫正常蓄水位1371.65 m,設(shè)計洪水位1372.80 m,校核洪水位1374.85 m,壩頂高程1376.50 m,最大壩高47 m。

        1.2 氣象

        由于紅柳河流域位于毛烏素沙漠南緣地帶,屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,冬季受西北利亞冷氣團控制,形成較強勁的西北季風(fēng),氣候嚴(yán)寒而干燥,夏季副熱帶高壓的西南和東南氣流受當(dāng)?shù)匕子谏接绊?,使流域源區(qū)降水量增加,而其他區(qū)域降水量相對稀少,當(dāng)副熱帶高壓較強時,往往夏末初秋降水量增大,且多雷陣雨或局部暴雨。據(jù)統(tǒng)計,多年平均降水量424 mm,其中7 月~9 月降水量占全年降水量的74.3%,最大降水量744.6 mm(1964 年)和最小降水205 mm(1965 年)相差3.6 倍以上,最大日降水量150 mm(1977 年7 月6 日)。受毛烏素沙漠影響,流域內(nèi)晝夜溫差懸殊,流域內(nèi)年平均氣溫7.8℃,極端最高氣溫37.7℃(1966 年6 月21 日),極端最低氣溫-29.5℃(1975 年12 月12 日),年蒸發(fā)量1275 mm,無霜期130 d~146 d,最大風(fēng)力10 級,歷年最大風(fēng)速24 m/s,多年平均最大風(fēng)速14.5 m/s,風(fēng)向多為西北,多有沙暴、冰雹災(zāi)害天氣,最大凍土深度1.06 m。年平均日照時數(shù)2760 h,光能潛力大。

        2 設(shè)計洪水計算

        2.1 暴雨洪水特性

        紅柳河流域的洪水是由暴雨形成的,因而洪水與暴雨有著相同的特性,暴雨集中在7 月~9 月,暴雨過程歷時短,強度大,由此而形成的洪水亦在7 月~9 月,洪水來勢猛,峰型尖瘦,峰高量小。

        2.2 設(shè)計洪水分析計算

        設(shè)計洪水分析計算采用匯水面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法和水文比擬法三種方法進行計算。由于劃界河段有支流加入,面積相差較大,將劃界河段劃分為5 段分別計算各段的設(shè)計洪水。各段河流特征值見表1。

        表1 設(shè)計洪水計算斷面以上流域及河道特征值表

        2.2.1 匯水面積相關(guān)法

        根據(jù)《榆林地區(qū)實用水文手冊》中洪峰流量匯水面積相關(guān)法進行計算[2],計算公式為:

        式中:QN為重現(xiàn)期為N 的洪峰流量,m3/s;CN、n 為重現(xiàn)期為N的地理參數(shù)、指數(shù);F 為匯水面積。

        按黃土丘陵溝壑區(qū),查《榆林地區(qū)實用水文手冊》中的洪峰流量—相關(guān)參數(shù)表(表6-9),計算結(jié)果見表2。

        表2 匯水面積相關(guān)法計算的不同頻率洪峰流量表

        2.2.2 地區(qū)綜合參數(shù)法

        采用下式計算:

        式中:QN為設(shè)計重現(xiàn)期為N 的洪峰流量,m3/s;H6為設(shè)計重現(xiàn)期為N 的設(shè)計流域6 h 面雨量,mm;f 為流域形狀系數(shù),f=F/L2(F 流域面積、L 河長);C、α、m、n 均為經(jīng)驗性參指數(shù)。

        本公式適應(yīng)范圍為流域面積小于1500 km2溝道。

        由《榆林地區(qū)實用水文手冊》找出各頻率對應(yīng)的c、α、m、n 值,并查6 h 均值圖和CV等值線圖,計算各設(shè)計頻率下的6 h 面雨量,將以上值代入公式,其計算參數(shù)和結(jié)果見表3。

        表3 地區(qū)綜合參數(shù)法計算的不同頻率洪峰流量表

        2.2.3 水文比擬法

        (1)參證站洪水計算

        青陽岔水文站位于陜西省靖邊縣青陽岔鄉(xiāng)青陽岔村,1958 年10 月21 日建站,由黃河水利委員會領(lǐng)導(dǎo),控制流域面積586 km2。1971 年1 月1 日,重新測算,控制面積662 km2。2010 年10 月,斷面下遷34 km 到橫山縣石灣鎮(zhèn)石仁坪村,流域控制面積1260 km2。該站自建站以來實測水文資料齊全,目前收集到1959 年~2019 年連續(xù)61 a 實測水文資料,資料可靠。

        ①可靠性分析:青陽岔水文站屬國家基本水文站,自1958 年~2019 年具有連續(xù)61 a 實測洪水資料,成果均編入國家水文年鑒。該站測驗河段較順直,河床為沙卵石,沖淤變化大,測站控制條件良好。該站中、低水采用流速儀法測流,高水采用浮標(biāo)測流,經(jīng)抽樣檢查,歷年洪水過程控制完整,測驗方法符合規(guī)范要求,浮標(biāo)系數(shù)采用合理,年最大流量系列資料連續(xù),洪水流量資料可靠。

        ②青陽岔站洪峰流量資料一致性處理:青陽岔站有1958 年~2019 年歷年實測年最大洪峰流量,2010 年10 月后斷面下遷34 km,集水面積增加到1260 km2,因此對2011 年后的年最大洪峰流量進行處理,采用面積比擬法(洪峰面積指數(shù)為2/3)計算,將2011 年后的實測資料還原成產(chǎn)洪面積為662 km2的洪水,與2010 年以前的資料系列相一致。

        ③代表性分析:青陽岔站1959 年~2019 年共有61 a 較長實測年最大洪峰流量資料系列,且包含有豐、平、枯水年,系列代表性好。

        ④青陽岔站洪峰流量系列特大值處理:青陽岔站河段歷史上未發(fā)生大洪水,但實測系列中1964 年、2017 年洪水明顯偏大,需要做特大值處理。據(jù)歷史調(diào)查洪水分析,2017 年8 月26日實測洪峰流量1200 m3/s(一致性還原前為1840 m3/s)是1897 年以來最大的一場洪水,1964 年7 月21 日實測洪峰流量1140 m3/s 為第二大河水,其調(diào)查期N=122 年,按《水利水電工程設(shè)計洪水頻率計算規(guī)范》(SL 44-2006)中的3.1.3-1 公式計算,該次洪水的經(jīng)驗頻率P1=0.008。實測系列n-2 個連續(xù)洪水的經(jīng)驗頻率按規(guī)范3.1.3-2 公式計算。

        ⑤青陽岔站洪峰流量系列頻率計算:通過還原計算,得到該站1959 年~2019 年61 年系列的洪水資料。將1970 年洪水按特大值處理,組成不連序系列。采用皮爾遜Ⅲ型曲線,應(yīng)用頻率分析計算程序,按不連續(xù)系列參數(shù)計算公式,計算參數(shù)初始值,用離差平方和準(zhǔn)則先進行參數(shù)優(yōu)化,再經(jīng)目估適線,適線時著重考慮曲線中、上部的較大洪水點據(jù)調(diào)整統(tǒng)計參數(shù),計算成果見表4。頻率曲線見圖1。

        圖1 青陽岔水文站洪峰流量頻率曲線圖

        表4 青陽岔水文站不同頻率洪水成果表 單位:m3/s

        ⑥參證站成果合理性分析

        將本次的計算成果與《新橋水庫除險加固初步設(shè)計報告》、《金雞沙水庫除險加固初步設(shè)計報告》中對青陽岔站洪峰頻率分析成果進行對比,見表5。本次設(shè)計流量值比較,小于前兩次的設(shè)計成果,由于劃界河段從新橋水庫大壩開始,新橋水庫除險加固設(shè)計洪水成果已經(jīng)水利廳批復(fù),因此本次采用已批復(fù)的新橋水庫洪水成果作為本次劃界設(shè)計洪水計算成果。

        (2)劃界河段洪水計算

        劃界河段各控制斷面設(shè)計洪水以青陽岔作為參證站,按水文比擬法(洪峰面積指數(shù)為2/3)計算的設(shè)計洪水成果見表6。

        2.2.4 設(shè)計斷面成果確定

        本次劃界河段各控制斷面設(shè)計洪水,按以上三種計算方法進行了計算。從計算結(jié)果看出,匯水面積相關(guān)法偏小,地區(qū)綜合參數(shù)法偏大,面積比擬法適中。由于劃界河段從新橋水庫大壩開始,新橋水庫除險加固設(shè)計洪水成果采用成果為以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果,該成果為水利廳批復(fù)成果,因此采用以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果作為本次劃界設(shè)計洪水計算成果。各斷面設(shè)計洪水成果見表6。

        表6 水文比擬法計算的不同頻率洪水成果表 單位:m3/s

        3 設(shè)計洪水位

        根據(jù)《河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界技術(shù)指南(試行)》(陜水河湖發(fā)〔2019〕12 號),新橋水庫庫區(qū)保護范圍按新橋水庫校核洪水位劃界,庫區(qū)以上按10 年一遇洪水位劃界。洪水位采用能量守恒方程計算水面線,起始水位由曼寧公式計算出,然后從下游往上游推算,即可得到劃界河段設(shè)計洪水位。

        4 結(jié)語

        本文通過匯水面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法、水文比擬法三種方法對設(shè)計洪水進行了計算。最終新橋水庫除險加固設(shè)計洪水成果,即以青陽岔站為參證站的面積比擬法成果。對于新橋水庫庫區(qū)按校核洪水位劃定,紅柳河段按10 年一遇洪水位劃定。

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