攔馬山水電站洪水流量設(shè)計(jì)及合理性分析

程華衛(wèi)

攔馬山水電站位于陜西省漢中市南鄭縣碑壩鎮(zhèn)境內(nèi)的嘉陵江二級(jí)支流碑壩河上游，是《碑壩河流域水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃》中攔馬山至川陜界河道水能資源梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第一級(jí)水電站。電站壩址在碑壩鎮(zhèn)攔馬山段河道，距離南鄭縣城85 km，距離下游碑壩鎮(zhèn)6 km，壩址控制流域面積163 km2。

1 流域概況

碑壩河發(fā)源于南鄭縣西河鄉(xiāng)長(zhǎng)梁村，為嘉陵江二級(jí)支流，先后流經(jīng)西河、碑壩等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。南鄭縣境內(nèi)流長(zhǎng)52.72 km，控制流域面積340.11 km2，其中10 km2以上流域面積支流9條，多年平均流量9.65 m3/s，河道繞行于高山峻嶺之間，河身狹窄，谷身陡峭呈“V”字形，比降18.38‰，河床寬度30～50 m，具有山區(qū)河流暴漲暴落的典型特征。

本工程的主要任務(wù)是水力發(fā)電。工程由擋水壩、導(dǎo)流沖沙洞、發(fā)電引水洞和電站廠區(qū)四部分組成。大壩正常蓄水位912.00 m，電站裝機(jī)容量6000 kW（2×3000 kW），年發(fā)電量1802萬(wàn) kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3007 h，工程規(guī)模屬Ⅴ等小（2）型工程。攔馬山水電站所在的碑壩河沒(méi)有水文站，工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算需采用多種方法綜合分析。

2 暴雨洪水特性

碑壩河流域內(nèi)局部暴雨和洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，暴雨洪水多發(fā)生在在6～9月份，以7～8月份居多，洪水陡漲陡落，匯流較快，洪水過(guò)程一般為1～3天，洪峰疊加頻率高，破壞性極強(qiáng)。2014年9月8日至10日，碑壩河流域普降特大暴雨，降雨量達(dá)253.7 mm，持續(xù)高強(qiáng)度暴雨，導(dǎo)致山洪暴發(fā)，河水猛漲，滑坡、泥石流險(xiǎn)情發(fā)生，部分地方道路交通癱瘓，電力、通訊、供水中斷。

3 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法和暴雨資料推求法三種方法分別計(jì)算，對(duì)計(jì)算成果分析論證后推薦設(shè)計(jì)采用值。

3.1 水文比擬法

本次收集到三華石水文站1948～2015年68年實(shí)測(cè)洪峰流量系列和江西營(yíng)水文站1963～2015年53年實(shí)測(cè)洪峰流量系列，根據(jù)兩個(gè)水文站洪峰流量系列資料分別計(jì)算攔馬山壩址設(shè)計(jì)洪水。

（1）水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)三華石水文站1948～2015年68年年最大流量實(shí)測(cè)系列和江西營(yíng)水文站1963～2015年53年年最大流量實(shí)測(cè)系列，三華石水文站系列加入1917年歷史洪水，確定1917年洪水重現(xiàn)期為99年，按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44-2006）推薦的方法，按不連續(xù)系列進(jìn)行頻率分析，經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計(jì)算，用矩法計(jì)算參數(shù)初估值，采用P━Ⅲ型曲線按經(jīng)驗(yàn)適線法進(jìn)行適線。適線準(zhǔn)則是：盡量使理論頻率曲線通過(guò)經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的中心位置，側(cè)重考慮與上部和中部大水點(diǎn)據(jù)吻合[1]。三華石水文站和江西營(yíng)水文站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表1。

表1 三華石和江西營(yíng)水文站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果表單位：m3/s

（2）壩址斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

攔馬山水電站壩址控制流域面積為163 km2，參證站三華石、江西營(yíng)水文站控制流域面積分別為578 km2、84.3 km2。采用水文比擬法推算壩址天然設(shè)計(jì)洪峰流量公式如下：

式中，Q設(shè)為設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪峰流量；F設(shè)為設(shè)計(jì)斷面處控制流域面積；F參為水文參證站控制流域面積；Q參為水文參證站設(shè)計(jì)洪峰流量；n為流域面積經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取0.67。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 攔馬山水電站壩址天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)《漢中地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》的經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算公式：

式中，Qp為設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計(jì)斷面控制流域面積，壩址163 km2；Cp，n為設(shè)計(jì)頻率為P的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和指數(shù)。

碑壩河流域?qū)儆诮息騾^(qū)，Cp，n值詳見(jiàn)表3，采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算攔馬山水電站壩址不同頻率洪峰流量成果詳見(jiàn)表4。

表3 公式中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及指數(shù)表

表4 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

3.3 暴雨資料推求法

根據(jù)《漢中地區(qū)水文手冊(cè)》，查算暴雨、產(chǎn)流、匯流參數(shù)，推求設(shè)計(jì)洪水，本次匯流計(jì)算采用推理公式法[2]。

（1）設(shè)計(jì)暴雨

壩址以上流域面積163 km2，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)取12小時(shí)，暴雨時(shí)段△t=1小時(shí)。查不同歷時(shí)暴雨量統(tǒng)計(jì)值參數(shù)Ht、Cv及Cs/Cv=3.5查Kp推求不同設(shè)計(jì)頻率的點(diǎn)暴雨，由暴雨點(diǎn)面關(guān)系求得設(shè)計(jì)面雨量。成果見(jiàn)表5。

表5 不同頻率設(shè)計(jì)暴雨量計(jì)算成果表

（2）產(chǎn)流計(jì)算

工程所在流域地處濕潤(rùn)地區(qū)，按蓄滿產(chǎn)流計(jì)算，流域最大蓄水量Im=55 mm，前期影響雨量Pa=0.67×Im=36.7 mm，在面雨量過(guò)程上一次扣除初損雨量I0=Im—Pa=18.3 mm。采用蓄滿產(chǎn)流計(jì)算方法求得產(chǎn)流過(guò)程?？鄢凉摿髁?0%，由產(chǎn)流過(guò)程中扣除時(shí)段平均潛流量，即得凈雨過(guò)程，見(jiàn)表6。

表6 推理公式法累積凈雨過(guò)程表 單位：mm

（3）匯流計(jì)算

①τ—Qm關(guān)系曲線

假設(shè)Qm并將m、L、J值代入下式：

式中：m為匯流參數(shù)，τ為匯流歷時(shí)；L為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，為20.4 km；F為流域面積，為163 km2。

計(jì)算得τ—Qm關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。

②Qm—τ關(guān)系曲線

將累積凈雨量過(guò)程代入式Qm=0.278×F×∑ht/t，計(jì)算得Qm—τ關(guān)系曲線。Qm—τ和τ—Qm關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 Qm—τ和τ—Qm關(guān)系曲線

各頻率τ—Qm關(guān)系曲線與Qm—τ關(guān)系曲線的交點(diǎn)的縱軸和橫軸坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)各設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量和匯流時(shí)間。暴雨推求設(shè)計(jì)洪水成果詳見(jiàn)表7。

表7 推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：m3/s

3.4 成果合理性分析

將本次計(jì)算的四個(gè)設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行比較，比較成果詳見(jiàn)表8。

表8 攔馬山壩址洪峰流量計(jì)算成果比較表 單位m3/s

通過(guò)對(duì)表8各個(gè)方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果比較，可以看出經(jīng)驗(yàn)公式法與暴雨資料推求法計(jì)算的結(jié)果較接近，兩個(gè)水文站比擬法計(jì)算的結(jié)果均較小，這主要是兩個(gè)水文參證站與壩址屬于不同流域，且兩者流域面積相差較大，三華石和江西營(yíng)水文站控制流域面積分別是攔馬山壩址控制流域面積的3.55倍和0.52倍，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果的誤差較大。暴雨資料推求法采用的本流域的設(shè)計(jì)暴雨資料，能夠較好的反映該流域的實(shí)際情況。且2014年、2015年碑壩河茶園、中南、朱家壩水電站洪水由防洪墻翻進(jìn)廠房，已危及到廠房安全，因此從安全角度考慮，攔馬山水電站壩址設(shè)計(jì)洪水采用偏安全的暴雨資料推求法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果。

4 結(jié)語(yǔ)

碑壩河流域由于缺乏實(shí)測(cè)水文資料，工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)要采用水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法和暴雨資料推求法等多種方法分別計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果比較分析，合理選用成果，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

[1]SL44-2006，水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范[S].

[2]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1985.