大興川水電站設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算

孫 依，王 潔，于得萬

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概況

大興川水電站工程位于二道松花江干流中游，在漢陽屯水文站下游3.7km處，所轄吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣兩江鎮(zhèn)大興川村。二道松花江發(fā)源于長白山天池，是松花江南源的兩大支流之一。壩址地處東經(jīng)127°55′～127°56′，北緯42°40′～42°41′，壩址以上河流長128.9km，河道平均比降為5.1‰，流域面積8571.5km2，屬于山區(qū)地形。本工程以水力發(fā)電為主，壩址上游30.2km處有兩江水利樞紐工程，兩江電站于1999年12月份竣工并運(yùn)行發(fā)電。

大興川水電站總庫容9102×104m3，壩型為混凝土重力壩，最大壩高33.0m。壩后廠房裝機(jī)容量48.5MW，多年平均發(fā)電量為15168.3萬kW·h，保證出力為4.98MW，裝機(jī)利用小時(shí)為3160h。

本工程由重力壩、溢流壩、壩后式廠房、升壓站及送出線路等組成，工程規(guī)模為中型工程，工程等別為Ⅲ等，擋水壩、溢流壩為3級(jí)建筑物，壩后式電站廠房為4級(jí)建筑物。重力壩、溢流壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為：校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用500年一遇(P=0.2%)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇(P=2%)；泄水建筑物消能防沖的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇(P=3.3%)；壩后式電站廠房為非擋水部分，主、副廠房，進(jìn)廠交通，升壓站等的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%)。大興川水電站主要特征值見表1。

表1 大興川水電站主要特征值表

2 流域概況

大興川電站壩址以上有兩大河流，分別為二道松花江和古洞河。二道松花江發(fā)源于長白山天池，海拔高程為2696m，自發(fā)源地北流至松江鎮(zhèn)附近逐漸折向西流，并先后有四道、三道、二道白河和頭道白河等支流于左岸注入，在兩江口與古洞河匯合后，經(jīng)漢陽屯轉(zhuǎn)向西北，進(jìn)入白山水庫。古洞河發(fā)源于和龍市西城鎮(zhèn)甑峰嶺山脈老爺嶺東脊，自發(fā)源地向北流，并先后有小蒲柴河、大蒲柴河和較大支流富爾河注入。富爾河發(fā)源于敦化市大蒲柴河鎮(zhèn)富爾嶺雞爪頂子山東北，自發(fā)源地流向東南，與古洞河匯合后，在安圖縣兩江鎮(zhèn)四岔子屯北注入二道松花江。

大興川電站壩址以上流域地處長白山山脈的西北坡，屬于高山峽谷區(qū)，山峰層疊，林深草密，郁郁蔥蔥。地勢由東南長白山主峰區(qū)向西北遞減，溝谷發(fā)育，下切較深，多成V形河谷，到松江鎮(zhèn)附近較為寬闊。壩區(qū)右岸為高山陡石砬子，左岸為高山區(qū)，河道坡度較緩，水流穩(wěn)定。庫區(qū)以上為高山丘陵區(qū)。二道松花江上游流域水系如圖1所示。

圖1 二道松花江上游流域水系圖

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1 水文資料

二道松花江流域內(nèi)的水文站大都建于50年代。電站上游有漢陽屯、松江水文站，古洞河上有大甸子水文站，富爾河上有大蒲柴河水文站和兩江口水位站。各水文站觀測資料系列表見表2。

表2 水文站觀測資料系列表

漢陽屯水文站是本流域資料系列最長的測站，具有1953～2013年共計(jì)61年的洪水資料，其它各站由于實(shí)測流量資料系列長短不一，在以往歷次流域規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)中均進(jìn)行了插補(bǔ)。本次計(jì)算在大興川水電站初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將洪水系列延長至2013年。

3.2 歷史洪水

3.2.1 2010年7月洪水分析

2010年7月28日洪水為特大洪水，超過了水文站的測洪能力，水位過程均為實(shí)測，洪峰流量系洪水過后調(diào)查確認(rèn)，洪水過程根據(jù)水位流量關(guān)系推算而得，所以通過上下游合檢和徑流系數(shù)分析來驗(yàn)證成果的合理性。

(1)根據(jù)白山水庫入庫流量、頭道松花江高麗城子站、二道松花江漢陽屯站流量過程進(jìn)行合檢，如圖2所示。

由圖2可以看出，各站流量過程基本相應(yīng)合理，白山水庫最大入庫流量13200m3/s，高麗城子+漢陽屯最大流量為11300m3/s，相差1900m3/s，洪峰流量基本合理。白山水庫入庫水量為25.11×108m3，高麗城子+漢陽屯洪水總量為21.48×108m3，相差3.63×108m3，白山水庫壩址以上集水面積19000km2，高麗城子+漢陽屯集水面積13260km2，因此從洪水總量上看，成果合理。

(2)根據(jù)大蒲柴河(大)、大蒲柴河(小)、大甸子、永慶等站流量過程進(jìn)行合檢。如圖3所示。

根據(jù)流量過程線合理性檢查圖，2010年7月25～31日流量過程基本合理。

珍珠門電站位于富爾河大蒲柴河(大)站下游，調(diào)查最大流量為3960m3/s，大甸子站最大流量3070m3/s，永慶站最大流量675m3/s，兩江口站位于古洞河最下游，經(jīng)吉林省水文局調(diào)查最大流量7900m3/s，最大流量合成基本合理。

圖2 白山水庫入庫流量及各站流量過程合檢圖

圖3 流量過程線合理性檢查圖

兩江電站位于二道松花江漢陽屯站、古洞河匯河口上游，實(shí)測最大出庫1340m3/s，兩江口站調(diào)查最大流量7900m3/s，漢陽屯站最大流量9700m3/s，最大流量合成基本合理。

因此根據(jù)以上合理性檢查分析，本次2010年7月28日大洪水古洞河上游珍珠門電站、富爾河一級(jí)電站、古洞河一級(jí)電站等無調(diào)蓄作用，漢陽屯站以上各工程已經(jīng)采取措施基本沒有洪水滯蓄情況，因此漢陽屯站洪水無需還原，最大洪峰流量為9700m3/s基本合理。

3.2.2 歷史洪水及重現(xiàn)期

根據(jù)吉林省水利廳主編出版《吉林省年洪水調(diào)查資料》成果，本流域調(diào)查到的歷史洪水最早為1914年，更遠(yuǎn)的歷史洪水由于人煙稀少，已無法調(diào)查清楚。本次加入2010年和2013年大洪水后，2010年洪水是二道松花江流域有記載以來的首位最大洪水，也是其下游松花江白山、豐滿首位大洪水，故本次按1914年以來的首位洪水考慮。2013年洪水主要發(fā)生在兩江水電站和兩江口以下至漢陽屯之間區(qū)域內(nèi)，對松江、大甸子和大蒲柴河影響不大。從洪水量級(jí)上來看，漢陽屯站2013年洪峰流量4840m3/s，比1960年洪水增大34.4%，兩江口站2013年洪峰流量3200m3/s，比1960年洪水增大52.4%；在以往資料中，1960年洪水定位處理僅次于1914年洪水，將2013年洪水按1914年以來的第二位洪水處理，在頻率曲線適線中，2013年洪峰、各時(shí)段洪量重現(xiàn)期均相當(dāng)于50年一遇，統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較協(xié)調(diào)，故排位基本合理。各參證站歷史洪水重現(xiàn)期及洪水處理情況詳見表3。

表3 各參證站歷史洪水排位表

3.3 洪水復(fù)核計(jì)算

本次大興川洪水復(fù)核計(jì)算將流域內(nèi)的5個(gè)參證站資料系列延長至2013年，根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行頻率計(jì)算。漢陽屯、大蒲柴河、大甸子站Qm、W24、W3、W7按不連序系列計(jì)算，二道白河按連序系列計(jì)算，洪水取樣按6～9月年最大值法獨(dú)立選樣，少數(shù)發(fā)生在4、5月末較大的雨洪也參加了取樣。

3.3.1 不連續(xù)系列

a個(gè)特大洪水經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式：

(1)

n-1連序洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式：

(2)

(3)

變差系數(shù):

(4)

3.3.2 連續(xù)系列

(5)

(6)

(7)

式中，a—特大洪水個(gè)數(shù)，其中包括發(fā)生在實(shí)測系列里中的l項(xiàng);N—首位洪水的重現(xiàn)期；n—實(shí)測洪水系列項(xiàng)數(shù)；l—實(shí)測系列中抽出作特大值處理的洪水項(xiàng)數(shù)；Xi—特大洪水(=1、2、3……a)；Xj—一般洪水(i=l+1、l+2…n)。

理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，偏態(tài)系數(shù)Cs采用與變差系數(shù)Cv的經(jīng)驗(yàn)倍比關(guān)系，用經(jīng)驗(yàn)適線法適線。

主要設(shè)計(jì)依據(jù)站漢陽屯水文站Qm、W24、W3、W7頻率曲線如圖4～7所示，由于大興川壩址上游32km處有兩江水利樞紐工程一座，該水利樞紐自1999年12月開始運(yùn)行發(fā)電。兩江水利樞紐工程是一座以發(fā)電為主的水利工程，對洪水基本沒有調(diào)蓄作用。因此，本次大興川電站壩址處的設(shè)計(jì)洪水直接采用漢陽屯水文站的洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)，大興川水電站洪水復(fù)核成果表及設(shè)計(jì)洪水成果比較表見表4～5。

表4 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算成果表

圖4 漢陽屯站Qm頻率曲線(1953～2013)圖5 漢陽屯站W(wǎng)24頻率曲線(1954～2013)圖6 漢陽屯站W(wǎng)3頻率曲線(1954～2013)圖7 漢陽屯站W(wǎng)7頻率曲線(1954～2013)

表5 設(shè)計(jì)洪水成果比較表

由表5可以看出，本次洪水復(fù)核成果比大興川水電站原初步設(shè)計(jì)成果大，其原因是2010年、2013年二道松花江流域發(fā)生了大洪水，使得設(shè)計(jì)洪水成果比原初步設(shè)計(jì)成果大很多，因此，洪水采用本次復(fù)核計(jì)算成果。

3.4 設(shè)計(jì)洪水過程線

3.4.1 典型洪水過程線的選取

根據(jù)SL44- 2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》要求，典型洪水過程線的選取原則，選取實(shí)測資料可靠、峰高量大、對工程防洪較為不利的洪水過程線作為典型洪水過程線。

大興川電站壩址典型洪水過程線根據(jù)漢陽屯水文站實(shí)測的大洪水資料分析，選擇2010年7月下旬洪水作為典型洪水過程線，本次洪水的特點(diǎn)是古洞河流域峰高量大，占洪水的主要部分，二道松花江兩江電站以上洪水占次要部分。

3.4.2 設(shè)計(jì)洪水過程線的放大

控制點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水過程線采用同頻率峰、量控制放大，洪水過程線歷時(shí)為7d，時(shí)段為3h。大興川電站壩址設(shè)計(jì)洪水過程線，采用洪峰、24h、3d和7d洪量同頻率控制放大，并對放大后的洪水過程線進(jìn)行修勻處理，設(shè)計(jì)洪水過程線如圖8所示。

圖8 大興川水電站壩址設(shè)計(jì)洪水過程線

3.5 成果合理性檢查

(1)本次洪水復(fù)核計(jì)算各站觀測資料年限較長，觀測資料均在40年以上年。滿足SL44- 2006要求。

(2)本次設(shè)計(jì)采用的參證站資料均有歷史洪水調(diào)查資料。歷史洪水調(diào)查的比較清楚，洪水重現(xiàn)期確定的比較合理。

(3)成果采用。大興川電站初步設(shè)計(jì)階段系列至2005年，本次洪水復(fù)核將各參證站洪水系列延長至2013年，經(jīng)設(shè)計(jì)洪水復(fù)核，參證站設(shè)計(jì)洪水成果都比初步設(shè)計(jì)成果大，因此，從工程安全考慮，洪水成果采用本次復(fù)核成果。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算是保障水利工程防洪安全的重要基礎(chǔ)和依據(jù)，由于大興川水電站原初步設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)該流域沒有發(fā)生歷史最大洪水，設(shè)計(jì)洪水成果偏小，本文通過漢陽屯、兩江口、大甸子、大蒲柴河、松江5個(gè)水文站的資料系列，加入歷史特大洪水成果對大興川水電站進(jìn)行了洪水復(fù)核計(jì)算，保證了大興川水電站的工程安全，為電站的加固設(shè)計(jì)提供了重要保證，也為大興川水電站今后的防洪調(diào)度工作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。