龍安水庫洪水分析研究

梁 曦，惠 蕾，常 青

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710001）

0 前言

延河是黃河右岸一級支流，發源于榆林靖邊縣邊境白于山南麓，由西北流向東南，納入坪橋川后經安塞縣城，在碟子溝納入杏子河，至棗園鄉納入西川，在寶塔山納入南川，折向東北，至姚店北納入潘龍川，過甘谷驛再折向東南，從延川縣西河溝鄉注入黃河。延河全流域面積7725 km2，河長286.9 km，流域呈羽毛狀，支流如葉脈分布，主要支流有坪橋川、杏子河、西川河、南川河、潘龍川等。以安塞縣化子坪、延安甘谷驛為界，將延河劃分為上、中、下游河段。河源至化子坪為上游段，河谷狹窄多呈V形，河川最窄處寬度僅10 m左右，最寬處不過80 m，河道平均比降6.7‰，河道彎曲度較大；化子坪至甘谷驛為中游，長114.8 km，河谷明顯展寬，平均寬度達600 m；甘谷驛至河口為下游段，長110.4 km，在火焰山至河口的20 km內，河谷狹窄，河寬僅30～100 m，形成典型的陡壁峽谷。

龍安水庫位于延河干流安塞水文站上游約11 km處。龍安水庫壩址以上流域地形西北高、東南低，為黃土丘陵溝壑，控制流域面積1198 km2，河長75.5 km，河道平均比降3.12‰。龍安水庫是一座以防洪為主，兼顧供水、減淤，結合發電的水庫工程，研究水庫洪水對于大壩安全有著重要意義，同時對確保下游安塞縣及延安市城市防洪保安有重要作用。

1 洪水特性

流域洪水主要由暴雨形成。暴雨最早發生在5月，最遲出現在9月，但量級和強度較大的暴雨一般發生在7～8月。

暴雨分為兩種類型：一種是鋒面雨，其特點是歷時長，強度均勻，籠罩面積大；另一種是雷暴雨，其特點是雨量集中，歷時短，強度大，籠罩面積小。延河流域暴雨以雷暴雨出現機率較多。

洪水最早出現在5月，最遲到9月，但量級較大洪水一般均發生在7~8月。由于流域內山高坡陡，墾植指數高，植被稀疏，同時河槽調蓄能力較差，故洪水一般歷時短，暴漲暴落，峰高量小，峰型尖瘦，一次大洪水歷時約1~2天，主峰一般在12小時以內。

2 設計洪水

2.1 安塞站設計洪水

安塞站具有1981~2016年共36年實測洪水資料，選樣方法采用年最大值法，即每年只選取最大一個瞬時洪峰流量，作為頻率計算的樣本；洪量采用固定時段獨立選取年最大值法，即在年內各次洪水中，分別獨立選取其年最大值，設計時段采用 24 h、3日。

②歷史洪水及重現期

1977年，陜西省水文總站陜北分站為摸清“77.7”雨洪規律，對延河真武洞河段進行了洪水調查。1978年陜西省水電設計院為龍安水庫設計洪水提供洪水資料，在延河李家溝河段進行過洪水調查。根據《陜西省洪水調查資料》整編成果，延河李家溝河段歷史上發生過三次大洪水，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年發生大洪水為2710 m3/s。真武洞河段1917、1969年歷史洪水以1977年真武洞段與李家溝段倍比放大，分別為3447 m3/s、2064 m3/s。1917年洪水距今100年，故1917年洪水重現期確定為100年一遇，1977年洪水重現期確定為50年一遇，1969年洪水量級不大按連序系列處理。

以安塞站同場次洪峰、洪量資料進行相關分析，相關方程為 W24h=2.2975Q0.9093(r=0.87)、W3日=7.2261Q0.7869(r=0.84)。由此可以推求1917年、1977年、1969年W24h洪量分別為：3783萬 m3、3040 萬 m3、2373 萬 m3，3 日洪量分別為：4391 萬 m3、3630 萬 m3、2932 萬 m3。

③安塞站洪水頻率計算

根據1981~2016年36年實測資料系列，加入1917年、1977年歷史洪水，按不連序系列處理，用矩法計算統計參數作為初試值，采用皮—Ⅲ型曲線目估適線，適線時著重考慮曲線中、上部較大點據，頻率曲線見圖1～2，統計參數及不同頻率洪峰流量和洪水總量見表1。

圖1 安塞站年最大洪峰流量及W24h洪量頻率曲線圖

圖2 安塞站年最大3日洪量頻率曲線圖

表1 安塞站設計洪水成果表 單位：洪峰：m3/s;洪量：萬m3

2.2 壩址設計洪水

壩址斷面洪水計算以安塞站為參證站，采用下式計算：

式中：Q設、Q參分別為壩址斷面和參證站洪峰流量；W設、W參分別為壩址斷面和參證站洪水總量；F設、F參分別為壩址斷面和參證站流域面積；n、m為面積比指數。

根據《陜西省延安市王瑤水庫除險加固工程初步設計報告》（2002年），延河干流延安站、安塞站及支流西川棗園站，北洛河上游吳旗站及支流周水志丹站，清澗河子長站及杏子河王瑤水庫等7個水文站設計洪水，其洪峰流量面積比指數n值為0.58，24 h洪量面積比指數m值為0.76，三日洪量面積比指數m值為0.86，面積比指數直接采用該成果。

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006），對于大型工程或重要的中型工程，用頻率分析法計算的校核標準設計洪水，應對資料條件、參數選用、抽樣誤差等進行綜合分析檢查，成果可能偏小時，應加安全修正值。鑒于本工程為大（Ⅱ）型工程，同時承擔了對革命圣地延安的防洪保護的重要任務，通過抽樣誤差分析計算，本次將龍安水庫校核洪水的峰量均增加13%的安全修正值。

以工程5000年一遇修正后的校核洪水成果與鄰近流域延安、安塞、棗園、吳旗、志丹、子長等水文站設計洪水進行比較分析：采用洪峰流量、洪量設計值與流域面積建立地區綜合關系式，見圖 3～圖 4。當 P=0.02%時：Qm=146F0.58、W24h=41F0.76、W3日=22F0.86，成果見表2。設計頻率下洪峰流量、24 h洪量、3日洪量頻率計算成果相比地區綜合公式成果偏小約13%左右，分析原因主要是由于安塞站實測洪水系列樣本相對總體略偏枯所致。鑒于此，龍安水庫校核洪水加入安全修正值抬高13%是合理的。

圖3 鄰近流域水文站Qm～F和W24h～F關系圖

圖4 鄰近流域水文站W3日～F關系圖

表2 龍安水庫校核洪水成果分析表

表3 龍安壩址設計洪水成果表 單位：洪峰：m3/s;洪量：萬m3

2.3 成果采用及合理性分析

（1）洪峰流量及不同時段洪量統計參數比較

比較安塞站洪峰流量、年最大24小時洪量、3日洪量的平均流量可以看出：洪峰流量（491 m3/s)大于24小時洪量的平均流量（76.6 m3/s），24小時洪量的平均流量大于3日洪量的平均流量（31.9 m3/s），說明洪水特征量的均值是合理的。變差系數Cv隨著歷時的增加而減小，即洪峰流量的Cv（1.18）大于24小時洪量的Cv（1.08），24小時洪量的Cv大于3日洪量的Cv（1.01），可見Cv符合延河流域水文變化規律。偏態系數Cs隨歷時增長而減少，洪峰流量Cs/Cv為3.0，24小時洪量和3日洪量Cs/Cv均為2.5，符合該地區規律。

（2）用峰量關系合軸相關圖檢查

把安塞站同次洪水的洪峰流量、24小時洪量、3日洪量點繪在合軸相關圖上，其關系較好，且時段愈近，相關關系愈密切。分別在第一象限、第四象限、第三象限，定出Qm~W3日，W24h~W3日，W24h~Qm關系線，把洪峰流量及洪水總量的設計值，點繪在相關圖上，與實測點據尚能協調，見圖5。

以上分析說明，安塞站的設計洪水計算成果是合理的。龍安水庫控制流域面積1198 km2占安塞站流域面積1334 km2的90%，采用水文比擬法計算的龍安水庫壩址洪水較合理。

圖5 安塞站峰量關系合軸相關圖

3 結語

本文以安塞水文站為參證站對龍安水庫洪水進行分析與計算，最終推求得到合理洪水成果。通過對龍安水庫洪水研究，不僅對于大壩安全有著重要作用，同時對確保下游安塞縣及延安市城市防洪保安有重要意義，并為下一步在確保水庫自身安全的前提下與支流杏子河上王瑤水庫兩庫聯合運用發揮最大防洪效益提供了技術依據。