龍脈水庫除險加固設計洪水分析研究

劉依松 聶其兵

（1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌市黃柏河流域管理局，湖北 宜昌 443000）

在病險水庫安全鑒定和除險加固設計中，設計洪水復核是關鍵基礎環節，直接影響到工程的安全、投資及效益.在進行除險加固設計時，要求補充收集并延長水文和氣象資料，充分運用水庫運行期實測水文資料，考慮建庫后上游地區人類活動的影響和大壩工程現狀，開展設計洪水的復核分析計算，為水庫調洪計算和大壩工程現狀抗洪能力評價提供基礎依據.

在國外，設計洪水的計算主要有兩條途徑：一是數理統計途徑，也稱頻率計算法；二是水文氣象途徑，推求可能最大暴雨PMP，或可能最大洪水PMF，亦稱水文氣象法.頻率計算法推求設計洪水常有兩種方法：一種是由實測流量資料推求設計洪水過程，另一種是由暴雨資料推求設計暴雨過程，用流域水文模型進行產、匯流計算，從而推求出設計洪水過程.

在國內常用數理統計法［1]，大部分洪水的一種較優分布均呈P－Ⅲ型［2－3]曲線形態，并獲得了廣泛應用.在除險加固設計洪水分析計算中，大型水庫主要先采用流量法、暴雨法計算不同頻率設計洪水，再經對比分析后，一般推薦采用實測流量法成果.中型水庫由于缺乏實測流量，一般采用實測暴雨資料計算設計洪水，針對流域資料情況在設計面雨量分析時常采用點面折減、算術平均、加權平均等方法進行計算.面雨量資料不足時，多通過點面關系推求流域面平均雨量.可能最大降水或可能最大洪水這一水文氣象法分析設計洪水避免了頻率分析計算的某些不足.

由實測暴雨資料計算設計洪水的暴雨法，與通過流量資料計算設計洪水相比較，是一種間接方法，其最大優點在于能充分利用暴雨資料，特別是當流量資料不足時，往往成為主要的途徑.計算時假定設計暴雨與相應的設計洪水同頻率，然后通過暴雨資料頻率分析確定設計暴雨，再通過產流分析確定設計凈雨，最后通過匯流分析確定設計洪水［4－5].本文以龍脈水庫為背景，通過論證分析采用實測暴雨資料的方法進行研究，確定設計洪水，為水庫除險方案和加固措施提供決策依據.

1 龍脈水庫簡況

龍脈水庫位于湖北省隨州市曾都區尚市鎮龍脈村，距離隨州市城區40km，水庫攔截漢江水系利河流域支流，承雨面積42km2，多年平均年降雨量960 mm，多年平均年徑流量1 397萬m3.設計總庫容2 216.1萬m3，是一座以灌溉為主兼有防洪、養殖等綜合水利用的Ⅲ等中型水庫.水庫于1974年10月動工，1975年5月工程基本竣工，主要建筑物為3級，水庫設計防洪標準為100年一遇洪水設計，1 000年一遇洪水校核，設計洪水位140.60m，校核洪水位141.1m，正常蓄水位138.30m，死水位126.00m.

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等建筑物組成，設計灌溉面積1 467萬hm2，實灌800萬hm2，保護下游人口5萬人，耕地1 601萬hm2，同時保護下游隨州城區、尚市鎮、厲山鎮、漢渝鐵路、316國道、隨岳高速公路、漢丹高壓輸變電線路等重要城鎮和交通干線.

漢江水系利河流域水支流主河道長19.35km，平均坡降4.96‰，沿程洪水主要由暴雨形成，洪水與當地暴雨一樣具有明顯的季節性，主要集中在6月下旬～8月下旬，7月份是暴雨發生最多的月份.

龍脈水庫以上無實測水文和雨量測站，但周圍的青苔站、吳山站水文站有降雨資料，青苔站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1979～2003年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年；吳山站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1977～2002年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年.

2 設計洪水復核

設計洪水復核一般主要采取瞬時單位線法、推理公式法和地區綜合法3種，然后通過分析比較選擇最大設計洪水進行除險加固設計.

2.1 瞬時單位線法

2.1.1 設計點暴雨

龍脈水庫位于湖北省水文分區第Ⅵ區，設計點暴雨可采用兩種方式推求：一是根據鄰近的青苔站和吳山站實測資料，利用最大1h、6h、24h降雨量資料系列移置龍脈水庫，采取矩法計算洪水系列統計參數的初值，按P－Ⅲ型分布，考慮CS／CV值的地區規律，經適線后進行暴雨分析；二是利用2008年出版的湖北省暴雨統計參數圖集（新圖集）降雨量參數計算暴雨.兩種方法分析成果詳見表1.

表1 設計點暴雨設計成果表

顯然，青苔和吳山兩站的移置均值小于新圖集的均值，主因是新圖集綜合考慮了省內有據可查的歷史大暴雨及近鄰省份發生的大暴雨，資料可靠，代表性好，因此，龍脈水庫遇到暴雨可能與采用新圖集設計成果一致.本著從實際出發，多種方法比較，綜合分析，合理選定的原則，選用新圖集中的暴雨參數計算成果.

2.1.2 設計面暴雨

由1h、6h、24h的面深系數，確定不作形狀改正的設計面雨量成果見表2.

表2 設計面雨量成果表

產流過程是通過扣損法求得凈雨實現的.凈雨過程是由設計面雨量按扣除初損和穩損而得.雨型分配采用降雨徑流相關法，建立起相應區域的降雨～徑流相關查算圖.采用圖表中的雨型作為設計雨型，設計凈雨按扣除初損和穩損的方法推求，其它歷時設計面雨量，通過1h、6h、24h的設計面雨量間接推求.由相鄰歷時的面雨量之差，可得各設計頻率不同降雨時段的面雨量過程，根據設計雨型，對各時段面雨量重新進行排列，以確定設計面雨量時程分配.

2.1.3 設計洪水計算

匯流包括地表徑流和地下徑流兩部分.流域匯流參數取第Ⅵ水文分區的綜合公式；當設計雨強超過10mm／h或一般大、中洪水參數的綜合公式用于稀遇設計洪水，需對匯流參數作非線性改正，將所得各頻率的設計凈雨過程按上述時段單位線進行匯流計算，確定各設計頻率的地面徑流過程.設計洪水即將地面徑流與地下徑流進行匯流疊加，相應成果見表3.

表3 設計洪水成果比較表

2.2 推理公式法

根據瞬時單位線法計算成果，確定特征參數、各歷時的面雨量及暴雨遞減指數n1、n2值，依照圖表，在凈雨歷時tc＝12h，確定龍脈水庫設計洪水見表3.

2.3 地區綜合法

地區綜合法分別按暴雨途徑設計洪水地區綜合法、實測年最大流量設計洪水地區綜合法進行分析，按當地實際情況確定其設計洪水見表3.

3 洪水成果合理性分析

3.1 瞬時單位線法與推理公式、地區綜合法成果比較

與推理公式、地區綜合法成果相比，100年、1000年一遇洪水單位線法大于推理公式、地區綜合法成果，但推理公式法與單位線法成果很接近.三種方法設計洪水基本合理，但由于瞬時單位線法比較成熟，設計洪水過程線可以體現流域特性，且瞬時單位線法成果較其它方法為大，考慮上游砂河口水庫運行可靠性的影響，從偏于安全計，本次設計洪水成果采用瞬時單位線法成果.

3.2 瞬時單位線法與原成果比較

在暴雨資料采用上，原成果受當時條件限制，暴雨資料系列短，且僅采用了24h的設計暴雨，未進行時程分配.本次依據新圖集暴雨資料系列較長，且采用了歷時1h、6h、24h的設計暴雨，因此本次成果更為合理.龍脈水庫經過除險加固投入運行以來，經歷了2次洪水季節的考驗，表明設計洪水與實際情況吻合較好.

［1]王燕生.工程水文學［M].北京：中國水利水電出版社，1992.

［2]李元章.擬優數學模型及在水文頻率計算中的應用［D].南京：華東水利學院，1981.

［3]李松任.幾種頻率分布線型對我國洪水資料適應的研究［D].南京：華東水利學院，1981.

［4]水利部長江水利委員會水文局，水利部南京水文水資源研究所.水利水電工程設計洪水計算手冊［M].北京：水利電力出版社，1995.

［5]中華人民共和國水利部.SL44－2006.水利水電工程設計洪水計算規范［S].北京：中國水利電力出版社，2006.