水環(huán)境綜合治理工程區(qū)洪水探討

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［摘要］周河為北洛河源頭左岸較大的一級支流，志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項目一期工程位于周河中游。為研究該工程所在區(qū)域洪水特征，將位于周河流域的志丹水文站作為參證站，在收集整編水文站1964－2010年共47a的實測洪水資料的基礎上，對工程區(qū)洪水特性進行分析，并基于水文比擬法、地區(qū)經驗公式法和綜合參數(shù)法分別進行設計洪水推算，最終選擇合理的設計洪水成果。分析結果顯示：工程區(qū)年最大洪水一般發(fā)生7－8月，10月偶爾也有洪水發(fā)生，志丹水文站歷史實測最大洪峰流量為2610m3／s（1977年7月6日），最小洪峰流量為123m3／s（1952年7月31日）；對設計洪水成果比選后，認為采用水文比擬法計算的工程區(qū)設計洪水成果比較合理。分析結論對保證該工程的安全實施提供了科學準確的決策依據(jù)。

［關鍵詞］水環(huán)境治理；工程區(qū)；洪水特性；設計洪水；計算成果；周河

1流域概況

周河為北洛河源頭左岸較大的一級支流，位于東經108°31′～108°50′，北緯36°35′～37°10′之間，發(fā)源于白于山南麓靖邊縣周家嘴，從志丹縣順寧鄉(xiāng)的大擺溝入縣境，由西北流向東南，經周河鄉(xiāng)、志丹縣城后轉向南流，過雙河鄉(xiāng)，于永寧鄉(xiāng)川口匯入洛河。河流全長85．1km，流域面積1334km2，河道平均比降3．7‰。流域呈羽型，較大支流有駙馬溝、孫岔溝、麻子溝等。周河流域地貌類型主要分為黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)和河谷階地區(qū)。梁峁溝壑區(qū)地貌以梁為主，梁頂間或有大型的孤立峁，溝谷密度大，侵蝕強烈，河溝深切，滑坡、瀉溜、崩塌普遍。梁、峁、坡已多辟為梯田。河谷階地區(qū)沖積階地發(fā)育，一級階地相對高出河床3～10m，面積較大而連片，階地堆積物下多石礫層。二級階地一般高出河床15～25m，由于深切侵蝕，二級階地被分割成塊狀。該縣優(yōu)良農田多集中在二級階地上。本次主要以擬建的志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項目一期工程為例，對該工程治理項目區(qū)的暴雨洪水特性、設計洪水計算分析過程及成果合理性比選方法進行總結，也為掌握周河流域水文氣象特征有參考價值。流域水系分布見圖1。

2研究區(qū)參證水文站選取

擬建的志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項目一期工程位于周河中游，流域內沒有較大水利水電工程，選擇距離工程項目區(qū)最近的為志丹縣水文站為參證站進行分析計算最為合適。該水文站距離工程區(qū)大約5km，由陜西省水利廳于1960年8月設立，為專用水文站，資料未勘印；1961年12月11日停測，1964年7月交由陜西省水文總站管理，將斷面下遷1．5km，開始恢復測驗工作，1965年5月斷面上遷100m，更名為志丹水文（二）站，位于陜西省志丹縣城關鎮(zhèn)，地處東經108°46′、北緯36°49′，控制流域面積774km2，距河口距離31km，觀測項目齊全，連續(xù)觀測至今。本次收集志丹水文站1964－2010年共47a的實測洪水資料對暴雨洪水特性進行分析。水文站概況見表1．

3洪水分析

3．1暴雨洪水特性

周河流域的洪水均系暴雨所致，暴雨多為雷暴雨。周河流域一次暴雨歷時最大暴雨期為24h左右，其主雨峰均為12h，次洪水歷時一般1～2d左右，單峰居多，該流域呈暴雨多發(fā)生地，志丹附近有暴雨中心，主要原因是該地區(qū)的地形主要屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，植物匱乏、山大溝深、坡度比較陡，加之周河流域的河床比降較大，造成河槽的調蓄洪水的能力不佳，該流域的洪水經常攜帶著大量的泥沙和石塊，洪水具有來勢迅猛、歷時短、暴漲暴落，峰高量小，峰型尖瘦，洪峰過程與沙峰過程基本同步或沙峰稍滯后及含沙量大的特點。通過分析志丹水文站1964－2010年47a實測洪水資料來看，洪水通常下最早發(fā)生在每年4月份，年最大洪水一般在7－8月發(fā)生，偶然個別年份，10月份如果有連陰雨影響的話，也會有洪水發(fā)生。志丹水文站歷史實測的最大洪峰流量為發(fā)生在1977年7月6日的洪水，最大洪峰流量為2610m3／s；最小洪峰流量則發(fā)生在1952年7月31日，最小洪峰流量為123m3／s。

3．2歷史洪水及重現(xiàn)期

依據(jù)陜西省水文水資源勘測局（原陜西省水文總站）1985年匯編的《陜西省洪水調查資料》和《延安市實用水文手冊》，周河在入洛河口上游的川口洼斷面共進行洪水調查6次，較可靠的成果4次，即1917年2360m3／s，1956年2350m3／s，1939年1730m3／s，1933年1450m3／s。當時調查歷時特大洪水主要來源于志丹至周河入洛河口區(qū)間暴雨。目前志丹站實測系列中大洪水值已大于或相當于調查成果，為安全考慮，本次洪水計算直接采用志丹站實測系列進行分析。

3．3資料選用

由于志丹水文站位于工程區(qū)河段上游，其間沒有支流加入，本次評價采用志丹水文站資料為依據(jù)，進行洪水頻率分析計算，作為各工程斷面的設計洪水。3．3．1選樣方法采用年最大值法選樣。選取洪峰流量資料系列進行頻率計算，即每年選取一個年最大洪峰流量，n年資料可選出n個年極值，組成一個計算樣本。3．3．2實測洪水資料系列周河流域設有志丹水文站，觀測項目齊全，連續(xù)觀測至今，斷面位置雖發(fā)生遷移，但遷移范圍極小，不影響資料的連續(xù)性。根據(jù)本次水文計算任務，收集周河志丹水文站1964－2010年的實測洪水資料。1）資料“三性”分析（1）資料可靠性分析支流周河志丹水文站1964－2010年洪水實測系列，均來源于陜西省水文數(shù)據(jù)庫及《水文年鑒》，并進行了核對，調查洪水資料來源于《陜西省洪水調查資料》。該站測驗河段順直，斷面穩(wěn)定，連續(xù)觀測至今，經對測驗情況進行了解，中低水采用流速儀測流，高水采用均勻浮標或中泓浮標測流，洪水過程控制完整，浮標投放符合規(guī)范要求，浮標和流速系數(shù)為本站分析試驗值，并經陜西省水文水資源勘測局（原陜西省水文總站）審查批準后使用，流量資料計算方法正確，成果可靠。因此，周河志丹水文站年最大洪峰流量資料系列可靠性好，數(shù)據(jù)準確可靠。（2）系列一致性分析資料一致性是指一個系列不同時期的資料成因是否相同。水文頻率計算洪水資料必須具有一致性，也就是各年洪水的流域產流、匯流條件應保持基本相同。當流域內修建水庫、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會影響洪水資料的一致性。周河志丹水文站以上未建大中型水利工程，人類活動對志丹水文站的洪水影響較小，從志丹水文站累積年最大洪峰流量－歷時曲線圖（圖2）可以看出，曲線總趨勢呈直線，雖有周期性擺動，但曲線斜率沒有發(fā)生變化，說明資料的一致性好。（3）系列代表性分析周河志丹水文站站具有從1964－2010年47年洪峰流量系列。點繪年最大洪峰流量歷時過程線圖和差積過程線，進行周期分析可知，志丹水文站45a洪水系列中包含有大、中、小水和豐、平、枯時段的各種來水組合，其中洪水系列中包括了一個豐水和枯水時段，豐水時段為1967－1977，枯水時段為1978－2010。其中豐水年8年，平水年20a，枯水年19a。從點繪的年最大洪峰流量歷時過程線（圖3）和年最大洪峰流量差積曲線（圖4）以及逆序累加洪峰流量均值模比系數(shù)圖（圖5）可以看出，隨著系列的增加，洪峰流量的均值趨于穩(wěn)定。因此，志丹水文站實測洪水系列資料，代表性較好，能滿足本次洪水頻率計算的需要。2）設計洪水成果的合理性分析本次計算采用資料系列長，資料的可靠性、一致性和代882表性好。并考慮了歷史調查洪水，洪峰流量均值模系數(shù)C值與原陜西省水文總站編制的《陜西省水文圖集》和《延安市水文手冊》基本一致，但本次的Cv值由于采用資料系列長，地區(qū)分布更合理。說明本次洪峰流量（天然）計算資料詳實，分析全面，成果合理可靠。

3．4工程區(qū)設計洪水計算

本工程設計洪水按照多種方法、綜合分析、合理選用的原則確定。采用水文比擬法、地區(qū)經驗公式法和綜合參數(shù)法進行洪水推算。3．4．1水文比擬法采用志丹水文站洪峰流量計算成果，按照水文比擬法計算工程區(qū)設計洪峰流量。計算公式如下：Q工＝（F工／F參）2／3Q參（1）式中：Q工、Q參分別為工程區(qū)和參證站設計洪峰流量（m3／s）；F工、F參分別為工程區(qū)和參證站流域面積（km2），F(xiàn)參＝774。以志丹水文站為參證站，按照水文比擬法推算的工程區(qū)設計斷面處洪水成果見表2。3．4．2地區(qū)經驗公式法經驗公式為：Qmp＝Kp×Fn（2）式中：Qmp為設計頻率為P的洪峰流量（m3／s）；F為設計流域面積（km2）；Kp、n為設計頻率為P的經驗參數(shù)和指數(shù)。查《延安地區(qū)實用水文手冊》知，指數(shù)n為0．61，查出不同頻率的Kp值后，將F工代入，即可求得不同頻率的設計洪峰流量，計算成果見表3。3．4．3綜合參數(shù)法按照《延安地區(qū)實用水文手冊》以流域內設計暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎建立的多因素經驗公式推算工程設計洪水。計算公式如下：QmN＝C×Nα×Fβ×ψγ×Hη3N（3）式中：QmN為重現(xiàn)期為N的設計洪峰流量（m3／s）；F為設計流域面積（km2）；ψ為流域形狀系數(shù)，ψ＝F／L2；H3N為設計重現(xiàn)期3小時面雨量；其它為經驗參數(shù)，C＝2．54，α＝0．17，β＝0．58，γ＝0．11η＝0．49。通過計算，不同頻率設計洪峰流量見表4。3．4．4設計洪水的確定根據(jù)多種方法計算的工程區(qū)設計洪水及工程區(qū)歷史大洪水調查成果見表見表5。從表5中可以看出，幾種方法計算的工程區(qū)設計洪水成果相差較大，水文比擬法計算的洪水成果最大，地區(qū)經驗公式法和綜合參數(shù)法計算結果比較接近。綜合參數(shù)法和洪峰面積相關法建立時間較早，基礎參數(shù)極為有限，按這兩種方法計算的洪水成果誤差依然較大。由于工程區(qū)流域面積最大為工程末端927．5km2，與志丹水文站流域面積774km2僅相差19．8％，以志丹水文站為參政站，采用水文比擬法計算的工程區(qū)設計洪水，成果比較合理。

4結語

志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項目一期工程具有顯著的社會效益和環(huán)境效益，可促進縣域社會可持續(xù)發(fā)展，對水環(huán)境和生態(tài)平衡具有十分有利的影響。通過對志丹縣北洛河水環(huán)境綜合治理項目一期工程區(qū)進行洪水分析，可摸清工程區(qū)內的暴雨洪水特征，同時確定的準確設計洪水成果，對施工期制定安全合理的分洪避洪措施、保證施工工期進行具有關鍵作用，能保證整個工程的安全順利實施。

參考文獻

［1］張亞軍．清水川流域暴雨洪水特性與河道演變分析［J］．陜西水利．2018．（06）：04－06．

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［3］余琳．給水網管的優(yōu)化布置研究［J］．地下水．2019（2）：66－67．

作者：趙田文 徐海燕 單位：陜西省志丹縣河長制領導小組辦公室 陜西省延安市志丹縣水利工作隊