湖南省中小型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法探討

陳 靜

（永州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院 永州市 425000）

1 概述

推求中小型水庫某種頻率的設(shè)計(jì)洪水是亟需解決的重要技術(shù)問題。中小型水庫通常處于小河小溪等小流域，其控制集水面積不超過數(shù)百平方公里，湖南省內(nèi)所興建的一些中小型水庫流域面積都不是很大，基本上沒有實(shí)測流量資料。在選用中小型水庫的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法時(shí)需滿足以下條件：首先必須適用于無資料流域；其次應(yīng)簡便易行；最后可以著重推求設(shè)計(jì)洪峰。經(jīng)過在水文設(shè)計(jì)工作中長期的摸索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后，目前湖南省中小型水庫乃至省內(nèi)所有中小型水利工程設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法概括起來主要有以下四種：歷史洪水調(diào)查法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法以及綜合單位線法，其中前兩種并不是很常用，本文主要選擇設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用最廣泛的推理公式法和綜合單位線法，結(jié)合計(jì)算實(shí)例分析兩種方法的實(shí)用性和優(yōu)缺點(diǎn)，從而探討尋求合理的計(jì)算方法。

2 湖南省內(nèi)常用的中小型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

2.1 推理公式法

推理公式法首先需要均勻概化流域上的產(chǎn)、匯流條件，然后聯(lián)立水流連續(xù)方程和運(yùn)動方程，流域出口斷面洪峰流量的計(jì)算公式即可推導(dǎo)得出。再確定穩(wěn)定入滲率以后，將各時(shí)段的凈雨分割成兩部分，地表凈雨和地下凈雨，然后根據(jù)設(shè)計(jì)流域的特征參數(shù)，通過查圖或用公式計(jì)算m值，通過試算或圖集法求Qm和t；再依據(jù)等腰三角形法則，將得到的地下洪量進(jìn)行分配，即可得到設(shè)計(jì)地下洪峰流量。由此可得設(shè)計(jì)洪峰流量即為地表洪峰流量和地下洪峰流量之和。具體的設(shè)計(jì)步驟詳述如下（內(nèi)容參照《湖南省暴雨洪水查算手冊》）。

設(shè)計(jì)前提是已知某中型水庫的工程地址、控制流域面積、河流坡降、干流長度、植被地貌等自然地理?xiàng)l件，再根據(jù)流域分區(qū)選定設(shè)計(jì)雨型，設(shè)計(jì)雨型采用《手冊》中推薦的概化雨型。暴雨的時(shí)程分配參照《手冊》推薦的公式計(jì)算，其中最大（1～6）h暴雨的時(shí)程分配公式如下：

最大（6～24）h暴雨的時(shí)程分配公式為：

式中Ht——（1～24）h內(nèi)任一t時(shí)段的暴雨量；

n2、n3——根據(jù)地理位置、集雨面積及降雨量而變化；

t——對應(yīng)Ht的時(shí)間。

地面總徑流深按照以下公式計(jì)算：

式中R上——地表徑流深（mm）；

ψ——地表徑流占總徑流的比值；

R總——總徑流深（mm）。

凈峰流量和匯流時(shí)間可以利用匯流公式通過試算法得出：

式中Qm——地面最大凈峰流量（m3/s）；

F——流域面積（km2）；

Rt/t——地面徑流強(qiáng)度；

t——匯流時(shí)間（h）；

L——流域干流長度（km）；

J——干流平均坡降；

m——因流域形狀而變的系數(shù)。由以上推導(dǎo)過程可知，在計(jì)算過程中推理公式法涉及與洪水有關(guān)的主要因素，故適用于計(jì)算全面匯流和部分匯流兩種情況，計(jì)算方法較簡便，成果數(shù)據(jù)相對合理，因此推理公式法是目前中小型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

2.2 綜合單位線法

綜合單位線法在《湖南省暴雨洪水查算手冊》中主要有兩種方法，經(jīng)驗(yàn)單位線和納希瞬時(shí)單位線。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中前者應(yīng)用較多，因此本文針對前者做主要介紹。

首先經(jīng)驗(yàn)單位線法推求中小型水庫設(shè)計(jì)洪水中設(shè)計(jì)暴雨和凈雨計(jì)算公式與推理公式法是相同的。其次無因次單位線根據(jù)水庫所在流域的地理特征和選用原則進(jìn)行選定。最后時(shí)段單位線縱高qi，根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中qi——時(shí)段單位線縱高（m3/s）；

F——控制流域面積（km2）；

ρi——無因次單位線（10 mm單位線）；

t——單位時(shí)段（1 h）。

由各時(shí)段凈雨分別乘以時(shí)段為1 h的10 mm單位線的時(shí)段單位線縱高qi即可相應(yīng)各時(shí)段凈雨的徑流過程Qi。

已知地下徑流深R下=R總－R上，由Qi～t過程線知地面徑流過程底寬為t小時(shí)，之后采用前面推理公式法中介紹的同樣的方法求得地下徑流過程。

3 湖南省某中型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)例分析

3.1 工程概況

某水庫位于湖南省永州市寧遠(yuǎn)縣中部，壩址座落在寧遠(yuǎn)縣中和鎮(zhèn)嶺頭村境內(nèi)，地理位置坐標(biāo)為東經(jīng) 111°51′52″， 北緯 25°46′05″， 距寧遠(yuǎn)縣縣城 27 km，屬湘江水系一級瀟水二級寧遠(yuǎn)河三級支流仁水上游。該水庫壩址以上控制集雨面積24.10 km2，干流長度為16.31 km，干流平均坡降為20.70‰。該水庫樞紐工程是一座以灌溉為主，同時(shí)兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程。水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，標(biāo)準(zhǔn)參照 《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）。

該水庫所在流域?qū)儆谛×饔颍饔騼?nèi)沒有水文及雨量測站，暴雨及流量等實(shí)測的數(shù)據(jù)資料缺乏，附近只設(shè)有仁和壩雨量站。仁和壩雨量站有1959～2009年共51年的年最大24 h暴雨量。經(jīng)對該水庫與仁和壩雨量站兩地地理位置和下墊層條件等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩地基本一致，屬同一暴雨區(qū)，兩地暴雨量非常接近，故可直接將仁和壩雨量站暴雨量系列移置到該水庫，從而可得到該水庫歷年最大24 h暴雨量系列。本文采用推理公式法和經(jīng)驗(yàn)單位線法兩種方法分別推求該水庫的設(shè)計(jì)洪水，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

首先對該水庫歷年最大24 h暴雨系列進(jìn)行頻率計(jì)算，用P-Ⅲ型理論曲線對經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)進(jìn)行適線，將所得計(jì)算成果與《湖南省暴雨洪水查算手冊》等值線圖查算成果進(jìn)行比較，從表1所示內(nèi)容可看出，本次實(shí)測計(jì)算成果與等值線圖成果相差較大，考慮到仁和壩雨量站與工程所在位置有一點(diǎn)距離，流域條件或多或少有所區(qū)別，同時(shí)為了工程安全要求，本次計(jì)算采用查算手冊等值線圖查算成果（表1）。

表1 湖南省某中型水庫實(shí)測暴雨頻率計(jì)算成果與查算手冊查算成果比較表

根據(jù)該水庫壩址工程的集雨面積、干流長度、干流平均坡降等計(jì)算參數(shù)，以及前面介紹的推理公式法和經(jīng)驗(yàn)單位線法的計(jì)算原理與計(jì)算公式，利用設(shè)計(jì)洪水計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算成果見表2。

表2 湖南省某中型水庫兩種不同計(jì)算方法推求壩址設(shè)計(jì)洪水成果比較表

3.3 計(jì)算方法合理性分析

根據(jù)以上由兩種方法推求出的該中型水庫的設(shè)計(jì)洪水，與本次收集的鄰近兩個(gè)水庫工程采用推理公式法計(jì)算的同頻率設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行比較（表3）。

表3 某中型水庫與鄰近水庫30年一遇洪水成果比較表

通過對表3內(nèi)容進(jìn)行分析比較，鄰近甲、乙兩水庫與該水庫同時(shí)采用推理公式法計(jì)算出的洪峰模數(shù)相差并不大，分析其主要原因在于各水庫所在流域的地形地貌特征不同會導(dǎo)致匯流時(shí)間不同。如乙水庫相對前面兩座水庫集雨面積較小，干流長度短，同一頻率下的洪峰模數(shù)較大，符合流域的一般特性。而采用經(jīng)驗(yàn)單位線法計(jì)算出的洪峰模數(shù)結(jié)果顯然是偏小的，這是由于單位線法計(jì)算公式中的參數(shù)的影響因素一般只有流域特征（F），而沒有考慮到匯流與干流長度及坡降等因素的關(guān)系，從理論上分析不夠嚴(yán)密，況且中小型水庫所在小流域的匯流時(shí)間一般都比較短，而單位線法計(jì)算時(shí)由于暴雨資料條件的限制選用的單位時(shí)段不可能太短，所以該方法的計(jì)算結(jié)果大多會偏小。以上分析說明在中小型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中推理公式法能較好地反映流域水文與地理特性，由此說明其計(jì)算成果也更加合理可靠。

4 結(jié) 語

綜上所述，中小型水庫所處小流域在實(shí)測流量資料較為缺乏的情況下，一方面推理公式法能夠很好地反映所在流域的水文氣象、地形地貌等多因素的差異，可使設(shè)計(jì)成果更為準(zhǔn)確可靠。另一方面綜合單位線法的靈活度相對較高，不同流域的特點(diǎn)均有反映。在設(shè)計(jì)過程中，若將匯流時(shí)間作為一個(gè)整體時(shí)段來看，則應(yīng)用于綜合單位線法和推理公式法的概化條件近乎相同，因而這兩種方法是可互相檢驗(yàn)，相輔相成的，在湖南省中小型水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中應(yīng)用也是最廣泛的。缺少實(shí)測資料的情況下，僅用一種計(jì)算方來推求的成果顯然不夠客觀全面，因此實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算經(jīng)常采用以推理公式法為主以經(jīng)驗(yàn)單位線法為輔，兩種方法并行的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，從而提高計(jì)算成果的精度，使得數(shù)據(jù)更為合理，在目前來講，這樣的途徑是行之有效的，也是目前湖南省設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用最廣泛的一種方法。

[1]SL 44-2006.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范[S].中國水利水電出版社，2006.

[2]SL 252-2017.水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].中國水利水電出版社，2017.

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