清涧河流域水利水保措施控制洪水条件分析

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简介： 通过分析清涧河流域水利水保措施对“1984.7”洪水影响表明,流域水利水保措施控制洪水必须满足一定的控制条件,如欲控制一次降雨100mm 的洪水,则需流域单位面积库容在7 万m3/km2 以上,若控制更高频率的洪水,则需更大的单位面积库容;通过分析清涧河流域水利水保措施对“2002.7”洪水影响表明,由于水利水保措施蓄水拦沙作用的衰减和人为增沙等因素的影响,水利水保措施对较大暴雨洪水的控制作用较低,甚至致洪增沙。据此,对清涧河流域水库、淤地坝建设提出了一些对策建议。
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清涧河流域位于黄河中游河口镇至龙门区间右岸中部地带,发源于陕西省安塞县,流经子长县和清涧县,于延川县苏亚河汇入黄河,河长167.8km ,总面积4 080km2 ,其中水土流失面积4 006km2 ,延川水文站控制面积3 468km2 。清涧河流域地理位置处于延河与大理河之间,气候、土壤、植被、地形等自然条件具有由南向北的过渡性特征;治理措施主要为坝库控制与大面积水土保持相结合,具有地区的相似性,在陕北多沙粗沙支流治理中具有一定的代表性。

　　1 　水利水保措施对“1984.7”洪水影响分析

　　1.1 　降雨及产流、产沙情况

　　1984 年7 月10 日～11 日,清涧河流域突降暴雨,26h 降雨93.8mm ,最大点日雨量110.6mm(简称“1984.7”暴雨) 。为分析此次暴雨对洪水影响,以1970 年为分界年份,选择治理前后两次降雨特性大致相同或相近的1966 年7 月(简称“1966.7”暴雨) 与“1984.7”暴雨进行对比分析。1966 年视为治理前,1984 年视为治理后,两次暴雨产流、产沙的差异视为水利水保措施削洪减沙作用。

　　表1 为两次暴雨的降雨、产流、产沙情况。从表列成果可以看出“, 1984.7”暴雨较“1966.7”暴雨的降雨量多24.2mm ,偏大34.8 % ,而洪峰流量、洪量、输沙量则分别偏小97.1 %、95.3 %和96.4 % ,几乎全拦全蓄。从一般降雨产流、产沙规律来看,“1984.7”洪水较“1966.7”洪水降雨量和降雨强度均较大,其所形成的洪峰、洪量、输沙量均应偏大,但事实却相反,究其原因主要是流域治理拦蓄了洪水,洪水是泥沙的载体,从而拦蓄了泥沙。

　　表1 　“1984.7”暴雨与“1966.7”暴雨的降雨产流产沙情况

　　1.2 　水利水保措施控制洪水条件分析

　　1.2.1 清涧河流域治理状况

　　水利水保措施对洪水、泥沙影响,涉及暴雨产流产沙、措施数量、措施构成、措施分布、措施质量等诸多因素,这里仅就坝库建设和治理程度进行分析。

　　1.2.1.1 　坝库建设

　　据陕西省水保局提供的资料,截止1985 年清涧河流域已建百万m3 以上水库7 座,总库容7 323 万m3 ;已建淤地坝4 428 座,总库容5.3 亿m3 ,两项合计总库容6.03 亿m3 ,折合单位流域面积有拦蓄库容14.8 万m3 。子长县水利水保局提供的清涧河流域子长县淤地坝发

　　展过程表明,1959 年前,先后建成任家畔、石畔、红石峁、强家坪、赵家焉、强家沟等7 座大型淤地坝,1970 年北方地区农业会议后,出现了打坝高潮,到1976 年,全县共建成淤地坝2 146 座,1977 年7 月6 日的一场特大暴雨冲毁大小淤地坝912 座,经当地群众对水毁淤地坝的修复,到1979 年淤地坝达到1 854 座,此后基本上未再新修淤地坝,到1986 年列为黄河上中游治沟骨干工程试点县后,新建治沟骨干坝18 座,列为全国生态环境治理重点县后,又新建淤地坝15 座,到1999 年底全县保存淤地坝1 244 座,淤地坝数量减少近50 %(图1) 。也就是说“, 1984.7”暴雨洪水泥沙的大幅度减少,大规模淤地坝建设起了相当大的作用。

　　图1 　清涧河流域子长县淤地坝座数变化

　　1.2.1.2 　治理程度

　　根据冉大川等[1 ]统计核实的各项治理措施面积,截止1989 年清涧河流域治理程度为2315 %(表2) 。

　　表2 　清涧河流域实有治理措施面积及治理度

　　注:治理程度为措施合计面积除以延川水文站控制面积(3 468km2)

　　1.2.2 水利水保措施控制洪水条件分析

　　1.2.2.1 　流域单位面积库容控制条件

　　“1984.7”降雨大幅度削洪减沙最主要的原因是当时流域有较大拦蓄库容,同时面上也进行了一定的水土保持治理。由此可以得出:对洪水、泥沙有较大的拦蓄作用,需单位流域面积库容保持在10 万m3/km2 ,同时治理程度在20 %以上。这一认识也可从大理河流域的水利水保措施对洪水、泥沙影响的分析中得到佐证[2 ] ,20 世纪80 年代初期对大理河流域1955 年～1980 年147 次洪水降雨、径流、泥沙资料进行了统计分析,以1970 年为分界年份,按照降雨量、降雨历时基本相同,前期影响雨量基本相近的条件,从中找出1970 年前后42 组对比洪水,从而计算出各年的削洪减沙百分数,计算结果表明,1971～1980 年平均削峰51.5 % ,减水41.4 % ,减沙44.7 %。据分析,产生这样大的效益最重要的条件是:单位流域面积库容达20 万m3/km2 。据调查,截止1980 年大理河流域已建成百万m3 以上水库84 座,总库容2.27 亿m3 ;百万m3 以下坝库3 072 座,总库容6.14 亿m3 ;两者合计总库容达8.41 亿m3 ,合单位面积库容21.5 万m3Pkm2 ,这些坝库控制了大理河流域面积的70 % ,而当时的治理程度仅为17.1 %。以上事实说明:长期有效地保持流域单位面积库容是实现流域洪水控制的关键,结合黄河中游韭园沟、大砭沟、王茂沟等分析,这一控制条件为流域单位面积库容应保持在7 万m3Pkm2 以上,流域治理程度在20 %左右。这对坝系规划以及坝库蓄洪拦沙效益的可持续性具有十分重要的指导意义。

　　1.2.2.2 　控制条件对控制洪水的保证率分析

　　分析得到的控制一次降雨100mm的洪水所需流域单位面积库容7 万m3/km2 ,对其控制洪水的保证率作了如下分析。

　　①洪水频率分析

　　延川水文站自1954 年建站至2003 年已有50 年的实测洪水资料,为分析控制一次100mm 降雨产生的洪水保证率,特对清涧河流域洪水理论频率进行了分析。

　　首先将延川水文站1954 年至2003 年已有的50 年实测最大洪峰流量按大小递减次序排列,按(1) 式求洪峰流量均值( Qc ) 和按(2) 式求变率( Ki )

　　式中　Qc 为洪峰流量均值; Qi 为历年洪峰流量; n 为统计年数。

　　进而求出变差系数( Cv ) 和偏差系数( Cs )

　　　　并选用Cs = 2 Cv ,查皮尔逊Ⅲ型曲线Kp ,并按(4) 式求不同理论频率洪峰流量QP ,

　　计算结果列于表3。

　　表3 　清涧河流域洪水理论频率计算

　　②保证率分析

　　清涧河“2002.7”暴雨所产生的洪峰流量为5 500m3Ps ,由表3 可知,相当于50 年一遇洪水,即目前确定的单位流域面积7 万m3/km2 库容只能控制50 年一遇洪水,如遇百年或千年洪水尚不能控制,如欲全部控制洪水还需要增加流域单位面积库容。

　　2 　水利水保措施对“2002.7”洪水影响分析

　　2.1 　“2002.7”暴雨、洪水、泥沙特点

　　2002 年7 月4 日～5 日,清涧河流域发生了一次高强度特大暴雨(简称“2002.7”暴雨) ,其主要特点为:

　　2.1.1 雨量大、强度高

　　据黄委会中游水文水资源局调查[3 ]“, 2002.7”暴雨中心瓷窑总降雨量高达463mm ,较1955～1969 年平均降雨量450.2mm 多12.8mm ,其中,7 月4 日～5 日,子长站最大24 小时降雨量为274.4mm ,较历史实测最大降雨量165.7mm(1977 年) 还偏多108.7mm;7 月4 日6 时15 分～7 时15 分和7 月4 日20 时05分～21 时05 分最大一小时降雨量分别达到78mm 和85mm。

　　2.1.2 峰量大,水位高

　　7 月4日子长站洪峰流量4 670m3/s ,是自1958 年7 月建站以来实测最大值;延川站7 月4日洪峰流量为5 500m/Ps ,是该站自1953 年7 月建站以来实测第二大洪水(图2) 。暴雨期间,子长站水位急剧上升,从7 月4日4 时15 分起涨至6 时42 分到达峰顶,水位涨幅7.95m;延川站从7 月4日9 时12 分起涨到11 时到达峰顶,水位涨幅9.97m ,为有实测资料以来第一高水位。

　　图2 　清涧河流域年最大洪水流量过程

　　2.1.3 输沙量大,侵蚀模数高

　　7 月4日子长站洪水输沙量为4 090 万t ,子长站以上913km2 范围内侵蚀模数高达44800t/km2 ;延川站输沙量达5 600 万t ,延川站以上3 468km2 流域范围内侵蚀模数达16 100tPkm2 ,均为两站历年次洪水侵蚀模数最大纪录。

　　2.2 　水利水保措施对“2002.7”洪水影响分析

　　2.2.1 降雨产流分析

　　径流量是降雨量与径流损失的函数。在黄土地区,径流的主要来源是降雨,如其它条件相同,降雨量越大,径流量也越大,而且超渗产流突出,地下径流年际变化不大,当年径流量主要受当年降雨量的影响。为此,点绘次洪降雨～产流关系(图3) ,可以看出,尽管经验点据比较散乱,但从不同年代来看,20世纪80 年代的点据偏于下方,说明水利水保措施对洪水径流量有一定影响,而“2002.7”暴雨产流又恢复到治理前或治理较少时段的产流水平,表明了水利水保措施拦蓄能力的脆弱性及拦蓄能力的降低。

　　图3 　清涧河流域次洪降雨与产流关系

　　径流系数除反映降雨产流状况外,在一定程度上也反映水利水保措施的有效拦蓄能力。统计子长站洪峰流量大于1 000m3/s 的较大暴雨径流系数(表4) 可知,1954～1969 年的4 次暴雨平均径流系数为0.33 ,1970～1979 年的3 次暴雨平均径流系数为0.14 ,90 年代的4 次暴雨平均径流系数为0.25 ,2002 年的2 次暴雨平均径流系数为0.46 ,2002 年径流系数的增大表明了水利水保措施拦蓄能力的降低。值得指出的是,1977 年7 月6 日面平均雨量140.4mm ,为统计暴雨的最大值,而径流系数却是最小值,这是由于当时清涧河流域有较大的坝库拦蓄库容,尽管也发生了局部水毁,径流系数只有0.1 ,说明水利水保措施有较大的拦蓄能力。而2002 年7 月4 日暴雨径流系数达0.63 ,并且汇流速度极快,洪水迅即冲入子长县城,致使当地群众的生命、财产遭受重大损失,说明了在特大暴雨条件下流域治理对洪水的拦蓄作用已很小。

　　2.2.2 降雨产沙分析

　　黄河中游河龙区间的主要支流,暴雨产沙量一般随暴雨产流量的高次方递增,清涧河流域“2002.7”暴雨产流量大,暴雨产沙量也多。表5 为“2002.7”暴雨与河龙区间其它支流大于100mm 暴雨的产流产沙统计表[4 ] ,可以看出,清涧河子长站“2002.7”暴雨产沙模数4.48 万t/km2 ,仅次于孤山川流域“1977.8”

　　暴雨产沙模数,而较其它几次暴雨产沙都大,说明了流域治理的拦沙作用已很小,甚或增沙。

　　根据表5 成果可以整理成表6 ,可以看出,控制一次降雨100mm以上洪水、泥沙所需库容约为5～10万m3/km2 ,平均为7 万m3/km2 左右,这与前面分析的控制洪水指标是一致的。从清涧河流域本身降雨产沙关系(图4) 可以看出,80 年代明显偏于下方,表示了在相同降雨条件下产沙量减少,而“2002.7”暴雨产沙与未治理或治理较少情况处于同一水平。

　　2.2.3 “2002.7”暴雨致洪增沙原因分析

　　2.2.3.1 　水利水保措施蓄水拦沙能力的衰减

　　清涧河流域已建的百万m3 以上水库7 座,总库容7 323 万m3 ,到1989 年库容淤损率已达34.2 %;已建淤地坝4 428 座,总库容5.3 亿m3 ,至1999 年已淤4.8 亿m3 ,库容淤损率达90.6 %。可见,坝库拦沙能力在大幅度衰减,远不能满足控制洪水的流域单位面积库容的要求;从防洪能力来看,小型、中型、大型淤地坝确定的设计洪水标准分别为10～20 年、20～30 年、30～50 年一遇洪水,据调查,随着时间的推移,清涧河流域现有淤地坝大部未达到上述防御暴雨洪水标准;此外,原有的淤地坝数量减少和失效是很大的,据子长县水利水保局2000 年调查,1976 年该县已修建各类淤地坝2 164 座,到1999 年仅保存了1 463 座,损失率达32.3 %。从治理程度来看,截止1996 年清涧河流域的治理度为25.6 %(见表2) 。

　　由此可以推知,清涧河流域在遭遇超标准高强度暴雨时削洪减沙作用是不大的。

图4 　清涧河流域次洪降雨～产沙关系

　　表7 为清涧河流域几次淤地坝水毁调查成果,可以看出,虽然此次暴雨洪水淤地坝水毁率较前有所减少,但水毁增沙仍较严重,冲失坝地占总坝地的12.5 % ,较前有较大的增加。此外,坡面措施在暴雨作用下来水来沙仍然很大,据调查,清涧河流域梯田多为60 、70 年代修建,目前梯田质量大为下降;林草措施在近几年干旱条件下,成活率较低。因此,在暴雨作用下,坡面来水仍较大。从坝库运用方式来看,目前清涧河流域坝库已到了运用后期,无论是水库,还是淤地坝,其运用方式均“由拦转排”,增加河流洪水泥沙。此外,根据姚文艺等对皇甫川流域、三川河流域资料分析,若坝库控制面积小于流域面积的10 % ,尽管坡面的治理程度达到45 %以上,但对于一次面平均降雨量大于35mm、最大日降雨量大于50mm 的降雨,流域治理措施对洪水的控制作用较低[4 ] ,如果是一次降雨量大于100mm的暴雨,很可能使流域致洪增沙。显然“, 2002.7”暴雨时,清涧河流域未达到坝库控制洪水基本条件。

表7 　清涧河流域淤地坝水毁调查

　　2.2.3.2 　人类活动致洪增沙原因分析

　　清涧河流域石油、天然气等矿产资源丰富,开矿、修路、城镇或乡村建设等大量弃土、弃渣任意堆放,隐蔽着大量泥沙来源,在暴雨洪水作用下,增加洪水泥沙。现以该流域中山川水库淤积变化为例,说明人类活动增沙情况。中山川水库位于子长县秀延河支流白庙岔河上白石畔村,1972 年开工建设,1976年竣工,控制面积143km2 ,总库容4 430 万m3 ,到2000 年累计淤积2 280 万m3 ,占总库容的51.5 %。据水库淤积观测资料,水库各时段淤积量列于表8 ,由于该水库一直采用拦洪蓄水运用,因此可以认为,1990～2000 年的淤积量的增加大部为人类活动增沙所致,由表列成果可以看出,1990～2000 年水库淤积量为1975～1989 年水库淤积量的1.5 倍,即人类活动增沙约50 %。

　　表8 　中山川水库各时段淤积量变化

　　3 　结论

　　(1) 通过分析清涧河流域水利水保措施对“1984.7”洪水影响表明:流域水利水保措施控制洪水必须满足一定的条件,如欲控制一次降雨100mm的洪水,即相当于50 年一遇洪水,则需流域单位面积库容在7 万m3/km2 以上,若控制更高频率的洪水,则需更大的单位面积库容;通过水利水保措施对清涧河流域“2002.7”洪水影响分析表明,由于水利水保措施蓄水拦沙作用的衰减和人为增沙等因素的影响,水利水保措施对较大暴雨洪水的控制作用较低,甚至致洪增沙。因此,欲达到控制高强度暴雨所产生的洪水、泥沙,在淤地坝、水库规划设计中应考虑流域单位面积库容这一控制指标。

　　(2) 清涧河流域1985 年前修建了大量水库和淤地坝,曾发挥了巨大的削洪减沙作用,但由于该地区水土流失严重,已建水库和各类淤地坝大多数已进入运用后期,而且管理差、病险坝库多,一遇较大暴雨洪水,容易发生水毁,不仅使多年淤成的坝地大量冲失,同时也加重了干流水库与河道的泥沙淤积,如不及时采取除险加固和增加坝库数量及库容等有效措施,有可能会使多年治理的减沙效益毁于一旦。

　　(3) 清涧河流域不少已建水库或骨干坝正采用”蓄清排浑”的运用方式加以改造,普遍增建泄洪排沙设施,以求长期保持兴利库容。而这一地区的水沙主要集中在洪水期,如果洪水期不蓄水拦沙,则可能洪水过后无水可蓄,不仅不能为当地兴利,同时将洪水泥沙排入黄河又加重了黄河干流水库与河道的防洪与泥沙淤积的负担。为此,应在条件适宜时,对这些水库采用加高及除险加固的措施,增大库容并采用“蓄洪拦沙”的运用方式,这不仅可取得较大的综合效益,而且所需投资与增建泄洪排沙设施相比较,增加也不多,或者,在泄洪排沙水库或淤地坝的下游修建蓄洪拦沙工程,拦蓄利用排泄的洪水泥沙资源,减少或避免洪水、泥沙带来的危害。