張家莊水庫(kù)應(yīng)急除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

郝鋒平

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024）

張家莊水庫(kù)應(yīng)急除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

郝鋒平

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024）

張家莊水庫(kù)所在流域?qū)儆跓o(wú)資料地區(qū)。利用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》中的瞬時(shí)單位線法對(duì)張家莊水庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，通過(guò)調(diào)查歷史洪水，與以往設(shè)計(jì)成果比較進(jìn)行洪水合理性分析，最終認(rèn)為瞬時(shí)單位線法計(jì)算成果是合理的。

張家莊水庫(kù)；設(shè)計(jì)洪水計(jì)算；瞬時(shí)單位線法；合理性分析

1 水庫(kù)概況

張家莊水庫(kù)位于孝義市舊城西2．5km的孝河上，壩址以上河流長(zhǎng)達(dá)45km，縱坡約1．27%，流域平均寬10．14km，控制流域面積465．1km2。

張家莊水庫(kù)是孝河干流上以防洪、工業(yè)、灌溉、生態(tài)旅游、供水為主的綜合利用水庫(kù)。水庫(kù)于1959年10月1日開(kāi)工，1960年6月攔洪蓄水，1963年完成大壩填筑及輸水管工程，1964年10月至1965年7月完成溢洪道一期泄槽開(kāi)挖與護(hù)砌工程，1970年建成溢洪道節(jié)制閘，1980年將大壩加高1m，形成19．40m的壩高。1990年及2005年水庫(kù)先后兩次進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)原為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1980年加高大壩后防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核；2005年除險(xiǎn)加固后，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核；2013年根據(jù)山西省水利廳要求對(duì)張家莊水庫(kù)進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算。

2 流域概況

孝河發(fā)源于孝義縣以西的棋盤(pán)山，屬黃河流域汾河水系文峪河的支流，河流全長(zhǎng)56．5km。

本流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季受蒙古高壓控制，寒冷、風(fēng)大、雪少；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，炎熱且雨量集中；春季溫度回升快，干旱多風(fēng)；秋季天高氣爽。流域多年平均年降水量468mm，降水量年內(nèi)、年際分布不均，最大年降水量為1964年的857．2mm，最小年降水量為1965年的283mm，其中最大日降水量發(fā)生于1977年8月5日，日降水量達(dá)132．5mm。汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的60%～80%。本區(qū)年平均氣溫9．3 ℃，最低氣溫在1月份，平均-6．8 ℃，最高氣溫在7月份，平均22．9℃。流域多年平均水面蒸發(fā)量1152mm，多年平均風(fēng)速3．4m/s，最大風(fēng)速可達(dá)18．7m/s。

3 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)《山西省歷史洪水調(diào)查成果》，近幾十年來(lái)發(fā)生過(guò)4次大洪水，分別為1907，1922，1937，1958年。其中以1937年最大，洪峰流量1760m3/s，因此1937年發(fā)生洪水的標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

4 設(shè)計(jì)洪水

張家莊水庫(kù)上游無(wú)水文站或入庫(kù)站，因此沒(méi)有入庫(kù)流量資料系列。張家莊水庫(kù)入庫(kù)洪水計(jì)算采用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》）計(jì)算。

在1∶50000地形圖上，勾繪流域分水線，并量算流域面積、河長(zhǎng)及河流縱坡比降，量算結(jié)果如表1。

表1 流域特征值

通過(guò)實(shí)地查勘，并結(jié)合《手冊(cè)》流域下墊面劃分圖，劃分流域產(chǎn)、匯流地類(lèi)，如表2。

表2 產(chǎn)匯流地類(lèi) 單位:km2

4.1 設(shè)計(jì)面暴雨

在山西省暴雨分區(qū)中，該計(jì)算流域?qū)儆谥袇^(qū)，根據(jù)設(shè)計(jì)流域面積及形狀，結(jié)合《手冊(cè)》歷時(shí)暴雨等值線圖的等值分布梯度選擇4個(gè)定點(diǎn)，采用泰森多邊形法則計(jì)算每個(gè)定點(diǎn)各自控制的面積。該流域各定點(diǎn)暴雨均值及Cv值，如表3，通過(guò)設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)—深關(guān)系及點(diǎn)面折減系數(shù)求得設(shè)計(jì)面暴雨。

表3 設(shè)計(jì)流域定點(diǎn)雨量查圖成果 單位:mm

4.2 產(chǎn)流計(jì)算

4.2.1 設(shè)計(jì)凈雨深

計(jì)算采用雙曲正切模型，該模型結(jié)構(gòu)計(jì)算公式為:

式中 tanh為雙曲正切運(yùn)算符；tz為設(shè)計(jì)暴雨的主雨歷時(shí)（h）；Hp，A（tz）為設(shè)計(jì)暴雨的主雨面雨量（mm）；FA（tz）為主雨歷時(shí)內(nèi)的流域可能損失（mm）。

流域可能損失用式（2）計(jì)算:

式中 Sr，A為流域包氣帶充分風(fēng)干時(shí)的吸收率，反映流域的綜合吸水能力（mm/h1/2）； KS，A為流域包氣帶飽和時(shí)的導(dǎo)水率（mm/h）；B0，p為設(shè)計(jì)頻率的流域持水度。

4.2.2 凈雨過(guò)程計(jì)算

損失率根據(jù)產(chǎn)流歷時(shí)tc及暴雨參數(shù)Sp，A、ns、λ值按式（3）計(jì)算:

時(shí)段凈雨計(jì)算公式為:

式中 Δhp為設(shè)計(jì)時(shí)段凈雨深 （mm）；Δt為計(jì)算時(shí)段（h）；j為時(shí)雨型“模板”中的序位編號(hào)；tj-1為j時(shí)段的開(kāi)始時(shí)刻。

4.3 綜合瞬時(shí)單位線法匯流計(jì)算

4.3.1 納什瞬時(shí)單位線

將流域匯流過(guò)程假設(shè)為由n個(gè)等效線性水庫(kù)串聯(lián)體對(duì)水流的調(diào)蓄過(guò)程。把單位凈雨乘以瞬時(shí)匯流曲線稱(chēng)為瞬時(shí)單位線。

瞬時(shí)匯流曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中 n為線性水庫(kù)個(gè)數(shù)；k為一個(gè)線性水庫(kù)的調(diào)蓄參數(shù)（h）；t為時(shí)間（h）；Γ（n）為伽瑪函數(shù)。

單位強(qiáng)度凈雨過(guò)程在流域出口斷面形成的水體時(shí)間概率分布函數(shù)為曲線，是瞬時(shí)匯流曲線對(duì)時(shí)間的積分，無(wú)量綱。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中 Γ（n，m）稱(chēng)為n階不完全伽瑪函數(shù)。

時(shí)段單位凈雨在流域出口斷面形成的概率密度曲線稱(chēng)為時(shí)段匯流曲線，數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

流域出口斷面的洪水過(guò)程根據(jù)時(shí)段凈雨序列與時(shí)段匯流曲線采用卷積公式計(jì)算。

式中 △t為計(jì)算時(shí)段（h）；△h為時(shí)段凈雨深（mm）；A為流域面積（km2）；3．6為單位換算系數(shù)；M凈雨時(shí)段數(shù)。

4.3.2 參數(shù)計(jì)算

參數(shù)n采用式（9）、式（10）計(jì)算:

式中 A為流域面積（km2）；J為河流縱比降（%）；C1，A為復(fù)合地類(lèi)匯流參數(shù)；C1，i為單地類(lèi)匯流參數(shù)；β1為經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)；αi為某種地類(lèi)的面積權(quán)重，以小數(shù)計(jì)。

m1采用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果如表4，設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線如表5。

表4 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

表5 入庫(kù)洪水過(guò)程線

5 成果合理性分析

5.1 歷史洪水對(duì)比

根據(jù)歷史洪水調(diào)查成果，1937年的洪水為1907年以來(lái)的最大洪水，洪峰流量1760m3/s，相當(dāng)于100年一遇洪水，本次計(jì)算得100年一遇洪水洪峰流量為1851m3/s，與1937年相近，由此判斷，本次設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

5.2 以往設(shè)計(jì)成果對(duì)比

本次設(shè)計(jì)成果與《張家莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《除險(xiǎn)加固初設(shè)》）設(shè)計(jì)成果對(duì)比如表6。

表6 張家莊洪水計(jì)算成果對(duì)比

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)本次計(jì)算成果與《除險(xiǎn)加固初設(shè)》成果較為接近，因此認(rèn)為本次設(shè)計(jì)成果合理。

參考文獻(xiàn)：

［1］山西省水利廳．山西省水文計(jì)算手冊(cè)［K］．鄭州:黃河水利出版社，2011．

［2］楊菊香．無(wú)實(shí)測(cè)水文資料地區(qū)洪水計(jì)算與分析［J］．水科學(xué)與工程技術(shù)，2014（1）:33-35．

［3］山西省水利廳．山西省歷史洪水調(diào)查成果［M］．鄭州:黃河水利出版社，2011．

［4］葉秉如．水利計(jì)算［M］．北京:水利電力出版社，1985．

［5］李英明，潘俊峰．山西河流［M］．北京:科學(xué)出版社，2004．

Design flood calculation in the emergency reinforcement of Zhangjiazhuang Reservoir

HAO Feng-ping
（Shanxi Hydroelectric Investigation ＆ Design and Research Institute,Taiyuan 030024,China）

Zhangjiazhuang reservoir basin belongs to the region without data．By the instantaneous unit hydrograph method of Shanxi Provincial Hydrological Calculation Handbook，the calculation of design flood of Zhangjiazhuang reservoir is made ．Through investigation of historical flood， and the results of previous design comparison flood rationality analysis，concluded that the instantaneous unit hydrograph method calculation result is reasonable．

Zhangjiazhuang reservoir； design flood calculation；instantaneous unit hydrograph method；the rationality analysis

TV211

B

1672-9900（2015）05-0020-04

2015-07-31

郝鋒平（1986-），男（漢族），山西臨縣人，助理工程師，主要從事水文規(guī)劃工作，（Tel）18835132705。