無(wú)資料地區(qū)平利縣西河鄉(xiāng)段防洪工程洪水分析計(jì)算

呂 莎

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001)

1 流域特性

壩河是漢江南岸一級(jí)支流，位于北亞熱帶邊緣濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)雨量充沛，多年平均降水量964mm，多年平均徑流量8.43億m3。實(shí)測(cè)資料表明，本流域降水主要集中在7月～9月，5月～10月（汛期）都有可能出現(xiàn)年最大洪水，其中5月～6月出現(xiàn)年最大洪水的頻次相對(duì)較少，量級(jí)稍低；7月～8月西太平洋副熱帶高壓西伸北躍速度較快，與西北的冷空氣交綏，形成本流域強(qiáng)度較大的降雨過(guò)程，基本特點(diǎn)是多陣性暴雨，籠罩面積較小，強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較短，形成的洪水峰高時(shí)短，陡漲陡落；9月～10月，隨著西北冷空氣的加劇，副高壓開(kāi)始緩慢南撤東移，常在本流域上空產(chǎn)生冷暖空氣交綏，出現(xiàn)連陰雨過(guò)程，其間常伴有暴雨出現(xiàn)，基本特點(diǎn)是籠罩面積較大，強(qiáng)度較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，造成的洪水峰型較肥，過(guò)程平緩，歷時(shí)較長(zhǎng)，一次較大洪水過(guò)程歷時(shí)約3～5天。

壩河蜿蜒曲折，彎道、峽谷、急灘較多，屬典型的山溪性河流。流域南高北低，上游重山疊嶺，懸崖陡壁，河谷幽深，林草叢生，人煙較少，森林覆蓋率高，水源涵養(yǎng)條件好，對(duì)徑流具有良好的調(diào)節(jié)作用；中下游河谷開(kāi)闊，山勢(shì)較緩，河段較寬，河床多形成漫灘，人類活動(dòng)頻繁。壩河河道兩岸斷續(xù)分布有一級(jí)階地、殘留二級(jí)階地，近代新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在本區(qū)主要表現(xiàn)為地殼上升與河流下切，形成了群峰屹立、山勢(shì)雄偉的中低山剝蝕、侵蝕地貌景觀。壩河河道比降較大，產(chǎn)流匯流速度快，洪水暴漲暴落。

西河鄉(xiāng)防洪治理段位于壩河下游，流域上游建有古仙洞水庫(kù)及投洞子水庫(kù)，洪水災(zāi)害頻發(fā)，控制流域面積1117km2,河長(zhǎng)為95.93km，河道平均比降5.3‰，洪水主要來(lái)源于暴雨，洪水多呈單峰型，持續(xù)時(shí)間1～6天，水位流量關(guān)系呈單一線關(guān)系。壩河大洪水和特大洪水主要發(fā)生在7月、8月，桂花園站實(shí)測(cè)最大洪峰流量2210m3/s（2010年 8月 16日），次大洪峰流量1520m3/s（1982年 7月 21日）。

2 水文基本資料

桂花園水文站是本流域內(nèi)唯一由陜西省水文局設(shè)立的國(guó)家基本水文站，測(cè)站位置、測(cè)站設(shè)備和測(cè)驗(yàn)精度符合國(guó)頒標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)驗(yàn)方法和資料整編質(zhì)量符合規(guī)范要求，資料可靠性和一致性較好，滿足相關(guān)規(guī)范要求。西河鄉(xiāng)和桂花園水文站屬于同一流域和同一暴雨區(qū)，但流域面積略小，故將桂花園水文站作為本工程水文分析、計(jì)算的參證站。

3 歷史洪水

《陜西省洪水調(diào)查資料》刊載有壩河桂花園河段2場(chǎng)歷史洪水，分別為1934年洪水和1982年洪水。1934年洪水洪峰流量為1750m3/s，成果較可靠；1982年洪水洪峰流量為1520m3/s，為實(shí)測(cè)洪水，成果可靠。根據(jù)調(diào)查，桂花園㈡水文站設(shè)立于1963年3月，自建站以來(lái)實(shí)測(cè)洪水系列中2010年7月19日洪水（洪峰流量為2280m3/s）最大，其次為1982年洪水。

4 治理段投洞子電站和古仙洞水庫(kù)洪水調(diào)度運(yùn)用情況及其對(duì)下游影響分析

4.1 古仙洞水庫(kù)

4.1.1 工程概況

古仙洞水庫(kù)總庫(kù)容2835萬(wàn)m3，興利調(diào)節(jié)庫(kù)容2024萬(wàn)m3，死庫(kù)容756萬(wàn)m3，屬Ⅲ等中型工程。水庫(kù)樞紐由大壩、引水洞、排沙洞等建筑物組成。大壩為雙曲拱壩，壩頂高程516.40m，壩基底高程455.00m，最大壩高61.40m，壩體采用細(xì)石砼砌塊石。拱壩頂部設(shè)有5孔有閘門(mén)控制的溢流表孔，溢流堰頂高程510.00m，單孔孔口尺寸10×6.4m（寬×高），最大泄洪流量為1662m3/s。沖沙孔底板高程470.00m，進(jìn)口孔口尺寸1.6×1.6m（寬×高），出口孔口尺寸1.6×1.3m（寬×高）。大壩為五十年一遇設(shè)計(jì)、五百年一遇校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為1216m3/s、1901m3/s。

由汛限水位（514.00m）起調(diào)，調(diào)洪演算結(jié)果如下：

設(shè)計(jì)洪水位514.88m，入庫(kù)洪水1216 m3/s，相應(yīng)下泄流量1085m3/s，削峰流量131m3/s，削峰率 10.8%；

校核洪水位516.40m，入庫(kù)洪水1901 m3/s，相應(yīng)下泄流量1662m3/s，削峰流量2239m3/s，削峰率12.6%。

4.1.2 水庫(kù)運(yùn)行方式

主汛期（5月～10月）保持低水位運(yùn)行，庫(kù)水位保持在510.00m～514.00m，即汛限水位以下；非汛期（11月～次年4月），盡量保持在高水位運(yùn)行，庫(kù)水位在494.00m～516.00m。

按照古仙洞水力發(fā)電公司編制的《2010年古仙洞水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃》規(guī)定：在主汛期，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到514.00m時(shí)，全部開(kāi)啟沖沙孔閘門(mén)和5孔表孔閘門(mén)時(shí)，表孔下泄流量為810m3/s，發(fā)電引水流量為12m3/s，沖沙孔下泄流量為48m3/s，以上三項(xiàng)流量合計(jì)為870m3/s；當(dāng)水庫(kù)達(dá)到校核洪水位516.40m時(shí)，全部開(kāi)啟5孔表孔閘門(mén)時(shí)，表孔下泄流量為1349m3/s，發(fā)電引水流量為12m3/s，沖沙孔下泄流量為50m3/s，以上三項(xiàng)流量合計(jì)為1418m3/s；當(dāng)入庫(kù)流量大于544m3/s時(shí)，除滿足發(fā)電用水外，沖沙孔和表孔閘門(mén)全部打開(kāi)敞泄。

4.2 投洞子電站

投洞子電站位于壩河干流，壩址以上流域面積 884km2，總庫(kù)容558萬(wàn)m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。樞紐建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核，大壩的設(shè)計(jì)洪峰流量和校核洪峰流量分別為1320m3/s、1720m3/s。大壩壩型為漿砌石重力壩，由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成，溢流壩段設(shè)三孔10m×8m弧形鋼閘門(mén)擋水和泄洪。溢流壩段長(zhǎng)度38m，高度20m。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行方式，當(dāng)上游來(lái)水大于660m3/s時(shí)，下泄量等于來(lái)水量。

6.2.4 不得經(jīng)營(yíng)下列國(guó)家和本市禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品、食品添加劑和食品相關(guān)產(chǎn)品：《中華人民共和國(guó)食品安全法》第三十四條規(guī)定的禁售食品、食品添加劑、食品相關(guān)產(chǎn)品； 《食用農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)銷售質(zhì)量安全監(jiān)督管理辦法》第二十五條規(guī)定的禁售食用農(nóng)產(chǎn)品；《上海市食品安全條例》第二十三條規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品；《上海市人民政府關(guān)于禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)食品品種的公告》規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品。

4.3 削峰作用評(píng)價(jià)

從以上情況看，古仙洞電站和投洞子電站的消峰作用有限。偏安全起見(jiàn)，進(jìn)行下游河道防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)，可不考慮其調(diào)洪作用。

5 洪水計(jì)算

5.1 面積比擬法

5.1.1 實(shí)測(cè)洪水資料

壩河桂花園水文站1963年～2010年洪水實(shí)測(cè)系列，來(lái)源于《水文年鑒》，流量資料計(jì)算方法正確，成果可靠，經(jīng)陜西省水文水資源勘測(cè)局審查批準(zhǔn)后使用。調(diào)查洪水資料來(lái)源于《陜西省洪水調(diào)查資料》，2013年4月對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了核對(duì)。桂花園水文站斷面遷移前后面積變化＜1%，上游700m上建有桂花電站，從桂花園水文站累積年最大洪峰流量～歷時(shí)曲線圖（圖1）可以看出，曲線總趨勢(shì)呈直線，雖有周期性擺動(dòng)，但曲線斜率沒(méi)有發(fā)生變化，人類活動(dòng)對(duì)資料的一致性產(chǎn)生影響，但影響程度較小，由于本次計(jì)算未收集到壩河桂花水電站相關(guān)資料，因此，不考慮對(duì)該站的洪峰流量資料進(jìn)行一致性處理。

5.1.2 參證站設(shè)計(jì)洪水

桂花園水文站按1963年～2010年共48年年最大洪峰流量資料，將2010年洪水作為特大洪水，其重現(xiàn)期為81年，按不連續(xù)系列對(duì)桂花園水文站年最大洪峰流量進(jìn)行頻率分析，用下列各式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

洪水經(jīng)驗(yàn)頻率采用下列期望公式計(jì)算：

采用矩法估算不連續(xù)洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算公式如下：

按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44-93）推薦的方法，以年最大值法選樣，按不連續(xù)系列，用矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，選用P-Ⅲ型曲線適線，以矩法計(jì)算各站洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初始值，用離差平方和準(zhǔn)則先進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)抗肋m線和參數(shù)優(yōu)化計(jì)算相結(jié)合的辦法進(jìn)行頻率分析計(jì)算。遵循盡量使理論頻率曲線通過(guò)經(jīng)驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)的中心位置，側(cè)重考慮與上部和中部大水?dāng)?shù)據(jù)吻合的適線原則。通過(guò)人工調(diào)整均值x、Cv及Cs/Cv，盡可能使曲線擬合全部點(diǎn)據(jù)，尤其側(cè)重中、高水點(diǎn)據(jù)；分析經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的精度使曲線盡量靠近或通過(guò)比較可靠的點(diǎn)據(jù)，使調(diào)整后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)符合壩河流域特性和在地區(qū)上的變化規(guī)律。

采用桂花園水文站洪峰流量計(jì)算成果，按照水文比擬法計(jì)算工程區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算公式如（3）：

其中F工、F參分別為工程區(qū)和參證站流域面積(km2)，桂花園F工=1117km2，F(xiàn)參=1275km2。計(jì)算得到西河鄉(xiāng)工程段Q工=1105m3/s。

5.1.3 由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪峰流量

根據(jù)《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》，西河鎮(zhèn)治理段屬于陜南土石林區(qū)，由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)（m1i=1）0綜合圖”查算計(jì)算凈雨強(qiáng)度為 10mm 的 m1=2.12（F/J）0.268；由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線非線性改正指數(shù)（b）綜合圖”查算出非線性改正指數(shù)b=0.6906-0.1326lgF；計(jì)算造峰雨歷時(shí) tp=1.63（F/J）0.244及其平均雨強(qiáng)i=htp/tp，ik=18.75(F/J)0.181。

按m1=m1i=1（010/i）b，其中當(dāng)i大于ik時(shí)，取i=ik。

查“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)（m2）綜合圖”，m2=0.882(F/J)0.197，m2大于 1，取 m2=1。

由m1=nk和m2=1/n求得n、k參數(shù)值。

以n、k查“順時(shí)單位線表”，可得時(shí)段單位線，潛流按等腰三角形過(guò)程加入，底寬為地面徑流過(guò)程線底寬的2倍。基流按照Q0=0.31F0.5計(jì)算。計(jì)算得到西河鄉(xiāng)10年一遇洪峰流量見(jiàn)表3。

表1 壩河流域水文站基本情況表

圖1 桂花園水文站年最大洪峰流量累積曲線

表2 桂花園文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果 單位：m3/s

表3 瞬時(shí)單位線計(jì)算壩河西河鄉(xiāng)治理段設(shè)計(jì)洪水成果表

表4 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表

6 結(jié)論及建議

將上述方法計(jì)算的治理段設(shè)計(jì)洪水成果列于表4，從表中可以看出，水文比擬法計(jì)算的洪水成果小于《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》推求的洪水成果。

對(duì)于西河鎮(zhèn)段設(shè)計(jì)洪水，幾種方法的計(jì)算成果比較接近。P=10%時(shí)，水文比擬法結(jié)果略大，該工程段集水面積1117km2，與桂花園水文站流域面積1275km2相差僅8%，區(qū)間無(wú)較大支流匯入，上游投洞子電站和古仙洞電站的影響較小，根據(jù)實(shí)測(cè)洪痕點(diǎn)，采用明渠均勻流計(jì)算西河鄉(xiāng)實(shí)測(cè)洪痕處洪峰流量，與水文比擬法計(jì)算洪量相近，因此，推薦西河鄉(xiāng)段采用面積比擬法推求的設(shè)計(jì)洪水成果。陜西水利