黃河府谷天橋段防洪工程設計洪水分析

齊小利

（府谷縣應急救援保障中心，陜西 府谷 719499）

黃河在陜西府谷縣境長103km，該段河道自天橋水電站以下是上寬下窄，其中最寬處達1600m，最窄處只有540m，河勢復雜。特別是黃河天橋水電站下游400m 至東門灣段還沒有得到治理，嚴重威脅府谷縣城防洪安全，為對此段進行治理，需對工程區設計洪水進行分析。

1 概況

府谷縣河流較多。一級河流有黃河；四級河流有皇甫川（黃甫川）、孤山川、悖牛川。其中50 km2～100 km2流域面積的河流有6 條，均屬黃河水系。黃河自府谷縣墻頭農業園區入境，流經九個鄉鎮，流程103 km，占黃河全長的1.9%；多年平均流量為822 m3/s。汛期最大流量可達11500 m3/s。

2 暴雨洪水泥沙特性

2.1 暴雨特性

治理河道以上位于黃河中游溫帶大陸性季風氣候區，年均降雨量453 mm，但年內分配不均，主要降雨集中在7月、8 月兩個月，占年降水量的56%。項目區位于黃河中游，暴雨具有強度大、歷時短特點，降雨區域相對于上游地區較小，其發生時間主要在7 月中旬～8 月中旬。區間暴雨中心多位于靠近天橋壩址的皇甫川、清水川的中上游地區，如實測大洪水1972年7 月19 日和1977年8 月1 日兩次暴雨中心皇甫川站6h 降雨量分別為153 mm 和120 mm。1989年7 月21 日皇甫川一級支流川掌溝流域，暴雨中心最大降雨量達141.2 mm。2003年7 月30 日皇甫站最大降雨量為121 mm。

2.2 洪水特性

府谷水文站斷面的洪水是由河口鎮以上和河口鎮至府谷區間兩個區域特征和氣候條件相異地區的洪水組合后形成的。上游地區的洪水是由大面積、小強度、長歷時的暴雨形成，且受到湖泊、草地等的調蓄，過程線多為長歷時矮胖型，一般洪水歷時可達30d～40d，其發生時間主要集中在7月和9 月、10 月時段。區間洪水是由強度大、歷時短、范圍小的暴雨造成，加之地面坡度大，常形成峰高量小，峰形尖瘦的洪水過程，洪水歷時一般一天左右，主要發生在7 月、8月，尤其以8 月為多。而且實測資料表明，上游和區間兩個地區的較大洪水一般是不相遭遇的，對上游地區洪水來說只是組成洪峰的基流部分，而中游地區的洪水則是洪峰的主體。

2.3 泥沙特性

根據義門水文站、府谷水文站資料統計，黃河府谷段多年平均年輸沙量為2.08 億t，最大年輸沙量8.67 億t（1967年），最小年輸沙量0.038 億t（2005年），兩者倍比高達228.2。泥沙主要集中在汛期洪峰期間，皇甫川來水來沙情況對黃河干流影響較大。

來沙量年際差別也很大，義門站1967年來沙量達8.67億t，而1965年來沙量僅為1.15 億t，兩者倍比為7.5。來沙的另一特點是曲峪以上來沙顆粒較細，皇甫川入匯以后顆粒變粗。

3 項目涉及水利設施

治理河段以上黃河干流上已先后建成龍羊峽等9 座大型水利水電樞紐工程，其中萬家寨、龍口、天橋距治理段較近，對治理段洪水有一定影響。

其主要設計指標參數見表1。

表1 黃河北干流河段水庫主要設計指標參數

本次河道治理位于府谷縣城附近，控制流域面積404039 km2。治理河段以上有天橋水電站，天橋水電站與治理斷面區間162 km2。

治理河段范圍內為府谷站，該站1953年設立處原設有黃河義門水文站，控制流域面積403877 km2，因義門站處于天橋水庫庫區內，因此于1975年遷至壩下8 km 處建立府谷水文站，流域面積404039 km2。為分析研究黃河天橋水庫的沖淤變化規律，1973年6 月在壩址至河曲水文站之間還布設了28 條測淤斷面，至今具有1973～2011年共39年淤積測驗資料。

4 設計洪水

4.1 歷史調查洪水

天橋壩址調查到得歷史洪水有1869年、1896年、1909年、1929年、1933年、1945年等，對1945年洪水群眾反映最多，并在義門水文站下游2 km 處的鐵匠鋪調查到了洪痕水位，其他各年洪水未調查到洪痕水位。1969年進行天橋電站設計時，根據1945年調查到的洪痕水位，推算其流量為10500 m3/s，1972年大水后，經歷史洪水符合發現原調查的1945年洪水偏小，經推算為13000 m3/s。

4.2 歷次設計洪水成果

天橋電站是1969年設計，1970年開始施工的一座低水頭徑流電站，原設計洪水系按1945年調查洪水10500 m3/s，適當加大為13000 m3/s 作為設計依據，未進行洪水頻率分析。

1972年按照1945年洪水流量和重現期加入到義門站實測1945年～1972年系列中進行頻率分析，同時根據此頻率分析成果對工程設計防洪標準進行檢查，對這次洪水復核成果經原水電部審定后沿用下來，直到1992年進行天橋大壩安全復核時，考慮到從1972年以來壩址出現過幾次較大洪水，特別是1989年洪水還原后洪峰流量為14300 m3/s 比1945年洪水還大，所以提出延長實測系列并考慮萬家寨工程調蓄作用的影響對洪水進行了復核。

為考慮萬家寨水庫對天橋設計洪水的影響，需對天橋壩址、萬家寨至天橋區間的設計洪水進行分析。

4.2.1 天橋壩址設計洪水

1992年天橋大壩安全檢查進行設計洪水復核時，鑒于1968年后存在上游劉家峽和1980年后龍羊峽兩工程的調蓄作用，為了解不同資料條件對成果的影響，在統計選樣中考慮實測系列、天然系列（龍、劉影響還原）兩種系列資料（資料系列洪峰為1952年～1989年，洪量為1954年～1989年）進行頻率分析，提出兩種系列的頻率分析成果，成果見表2（1992年成果實測系列1 日洪量設計值較萬家寨設計值稍小，對統計參數進行調整，由原來的0.40 調整為0.41）。

本次將實測資料延長至1997年（統計仍按年最大洪峰、1 日、3 日洪量分別進行獨立選樣。延長的實測資料已考慮天橋水庫的影響還原），分析資料系列延長后天橋設計洪水的變化。經頻率分析，資料延長后設計洪水與原設計洪水成果比較見表2。

表2 天橋水庫設計洪水成果比較表 單位：Qm，m3/s；W，億m3

從歷次成果可以看出，其變化不大，并考慮到天橋水庫為低水頭樞紐，庫容較小，水庫調洪主要受1 日洪量控制，而天然系列洪量成果的還原計算，尤其是一日洪量存在不確定因素，誤差較大（如洪水傳播時間，龍、劉調蓄量計算等），而且采用天然系列成果還需進行龍、劉水庫調節計算，不僅計算情況復雜，也難以準確計算其影響量。因此本次確定采用實測系列洪水成果。

從安全考慮，本次天橋設計洪水成果仍采用1992年大壩安全檢查時復核確定的實測系列成果。

4.2.2 萬家寨至天橋水庫區間設計洪水

萬家寨至天橋區間設計洪水采用直接法推算。根據萬家寨、天橋及區間支流站實測資料條件，其區間洪峰流量系列，采用相減法由府谷（義門）站實測洪水過程減去相應萬家寨（缺測年份用河曲減偏關或河口鎮加放牛溝代替）洪水過程求得，對區間洪量系列，鑒于支流站控制流域面積已達區間面積的82%，因此采用相加法推求，即由皇甫川、清水川、偏關河、縣川河等支流同日平均流量相加，再乘以面積系數換算后求得。在區間洪峰流量頻率分析中，1989年洪峰流量12900 m3/s,為系列首位，根據區間洪水的主要來源支流—皇甫川調查歷史洪水資料考證，該年洪水比調查的歷史最大洪水1929年還大，因此其重現期亦按1929年以來最大洪水處理，初步確定為70年。經頻率分析，萬家寨至天橋水庫區間設計洪水見表3。

表3 萬家寨至天橋水庫區間設計洪水成果比較表 單位：Qm，m3/s；W，億m3

從表中可以看出，本次成果與1992年成果基本相同，為保持成果一致性，本次推薦萬家寨至天橋水庫區間設計洪水仍采用1992年成果。

4.3 設計洪水過程線

設計洪水過程線采用典型年洪水過程，按設計洪水峰、量控制按照1∶1.1 進行放大的方法。

根據天橋現有實測資料，從形成特大洪水的暴雨及洪水特性相似性和對水庫調洪不利等因素考慮對洪峰流量大于7500 m3/s 以上的1989年、1972年、1979年、1988年、1969年等5 次較大洪水進行綜合分析比較，最后確定選用1969年和1979年作為代表不同來源區的洪水典型。1969年代表以萬家寨以上來水為主的典型（萬家寨水庫已經建成，此種類型洪水對天橋已不起控制作用）；1979年代表以萬家寨—天橋區間來水為主的典型。

設計洪水的地區組成為：1969年型洪水以天橋、萬家寨以上同頻率，萬天區間相應；1979年型洪水以天橋、萬天區間同頻率，萬家寨以上相應。

其洪水過程見圖1、圖2。

圖1 天橋水庫50年一遇設計洪水過程（1969年典型）

圖2 天橋水庫50年一遇設計洪水過程（1979年典型）

4.4 天橋水庫調洪演算

天橋水庫P=2%洪水過程線見圖1、圖2。

采用天橋水庫除險加固（2004年2 月）設計時采用的水位庫容曲線，見表4。

表4 天橋水庫水位庫容曲線

天橋水庫的起調水位為汛限水位：830 m。根據水量平衡的原理進行調洪計算，調洪計算時段為0.5 h，計算結果見表5。

表5 天橋水庫調洪計算成果表（P=2%）

4.5 治理段設計洪水成果

治理段位于天橋水庫下游0.4 km，其間無大的支流匯入，故天橋水庫最大泄量即為治理段設計洪水成果，即治理段50年一遇時間設計洪峰流量為13600 m3/s。

5 結語

由于上游建設了眾多大型水利工程，受調蓄等多重因素影響，使得項目區設計洪水變得較為復雜，通過調查洪水、歷史設計洪水分析探討，以及天橋水庫的調洪演算可知，天橋水庫最大泄量即為治理段50年一遇設計洪水成果13600 m3/s，可為項目建設提供科學依據。