石寶巖水庫洪水計算與分析

殷朝陽

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002）

擬修建的石寶巖水庫位于貴州省江口縣壩盤鎮(zhèn)，壩址以上油房溝干流集水面積4.18 km2，河長3.26 km，比降66.8‰，是一座納入國家和貴州省有關(guān)規(guī)劃的?。?）型水庫。大壩結(jié)構(gòu)形式采用混凝土面板堆石壩，工程等別為Ⅳ等，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。主要向下游提供灌溉和村鎮(zhèn)生活用水。

在水庫水文計算過程中發(fā)現(xiàn)，石寶巖水庫流域內(nèi)無水文及氣象測站。鄰近各水文站控制流域面積與水庫流域相差過大，不宜選取為參證站；距離設(shè)計流域8.4 km處有江口氣象站，與設(shè)計流域降水及下墊面條件相似，且成果可靠，精度較高。因此本次以江口氣象站為暴雨參證站，采用1959年至2013年（水文年）實(shí)測降雨資料，用以分析、計算石寶巖水庫壩址設(shè)計徑流、設(shè)計洪水。

1 徑流計算

1.1 徑流特性

設(shè)計流域所在河流屬典型的山區(qū)雨源型河流，徑流主要由降水補(bǔ)給，徑流特性與降水特性基本一致。該區(qū)徑流洪枯懸殊，年內(nèi)分配不均，汛期4月～9月徑流量占全年徑流量的70%以上，多年平均徑流深800 mm～900 mm之間。

1.2 設(shè)計降水

根據(jù)測站的分布情況，選擇江口氣象站作為石寶巖水庫流域降水分析計算的參證站。經(jīng)統(tǒng)計江口縣氣象站歷年降雨資料，按P-Ⅲ曲線進(jìn)行適線計算，得到江口氣象站多年平均降水量均值為1334.5 mm，變差系數(shù)Cv=0.16，Cs=2Cv。

根據(jù)測站降水量統(tǒng)計均值及變差系數(shù)，流域降水分布規(guī)律與《貴州省地表水資源》上的有關(guān)等值線圖相吻合[1]。結(jié)合“貴州省1956年～2000年降水量均值等值線圖”和“貴州省1956年～2000年降水量變差系數(shù)等值線圖”，設(shè)計流域多年平均降水量在1300 mm～1400 mm等值線之間，年降水變差系數(shù)在0.16左右，結(jié)合參證站長系列降水統(tǒng)計成果以及地表水資源相關(guān)等值線圖，確定設(shè)計流域多年平均降水量為1334.5 mm，降水變差系數(shù)Cv=0.16，Cs/Cv=2。設(shè)計流域不同頻率降水量計算成果見表1。

表1 設(shè)計流域各時段不同頻率降水量計算成果表 （單位：mm）

1.3 壩址徑流計算

1.3.1 流量計算

項目所在流域?qū)贌o資料地區(qū)，以江口氣象站作為降雨徑流年內(nèi)分配參證站，壩址徑流采用“降雨徑流同頻率相應(yīng)法”計算。

根據(jù)降水量分析成果，設(shè)計流域多年平均降水量為1334.5 mm，經(jīng)查“貴州省1956～2000徑流系數(shù)均值等值線圖”，該流域多年平均徑流系數(shù)為0.62，則設(shè)計流域多年平均徑流深y=1334.5 mm×0.62=827.4 mm。

石寶巖水庫壩址控制集水面積4.18 km2，壩址處年均徑流量根據(jù)公式W=0.1·y·F計算，經(jīng)計算得壩址多年平均徑流量為346萬m3，多年平均流量Q=0.11 m3/s。

1.3.2 年徑流變差系數(shù)的確定

根據(jù)貴州省經(jīng)驗公式：

式中：Cv為年降水量變差系數(shù)（0.16）；F為流域面積（小于100 km2按100 km2計算）；α 為多年平均徑流系數(shù)（0.62）；r、β、m 為地區(qū)性經(jīng)驗系數(shù)，取 r=1.1、β=0.04、m=0.7。

經(jīng)計算得到年徑流變差系數(shù)Cv=0.22。

查《貴州省地表水資源》中，“貴州省1956年～2000年年徑流變差系數(shù)等值線圖（集雨面積F＜300 km2）”，水庫所在流域徑流變差系數(shù)在0.25～0.30之間，結(jié)合等值線圖走勢以及小流域徑流特性，確定水庫年徑流變差系數(shù)Cv=0.28，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv=0.56。

1.3.3 枯水分析計算

石寶巖水庫所在流域無長系列實(shí)測枯水流量資料，因此枯水只能通過調(diào)查和實(shí)測確定。2014年5月設(shè)計單位進(jìn)行枯水調(diào)查和測量。采用三角堰測流，壩址處流量為12.5 L/s，反推枯水模數(shù)約2.99 L/s·km2，通過調(diào)查走訪當(dāng)?shù)卮迕裰摵恿鲝奈磾嗔?，水量最小的時候有實(shí)測的三分之二左右，發(fā)生在2010年2月份。通過測流以及調(diào)查，推算最枯日流量模數(shù)2.0 L/s·km2左右。

查《貴州省枯水調(diào)查等值線圖》，并結(jié)合臨近的蘆家洞水文站枯水分析，設(shè)計流域最枯月枯水模數(shù)為3.5 L/s·km2左右，Cv取0.30，Cv/Cs=2.5，則石寶巖水庫壩址以上流域P=95%最枯月枯水模數(shù)為2.02 L/s·km2左右，與前面枯水控制模數(shù)2.0 L/s·km2相當(dāng)，取值合理。設(shè)計流域最枯月枯水模數(shù)按2.0 L/s·km2控制。

1.3.4 徑流計算成果

根據(jù)水庫壩址徑流的統(tǒng)計參數(shù)，計算不同頻率下的徑流量、流量。如下，表2為壩址徑流計算成果表，圖1為石寶巖水庫壩址年徑流量頻率曲線圖。

表2 石寶巖水庫壩址徑流計算成果表

圖1 石寶巖水庫壩址年徑流量頻率曲線圖

2 洪水計算

2.1 暴雨特性

設(shè)計流域?qū)儋F州省暴雨低值區(qū)，一般4月份進(jìn)入汛期，9月份結(jié)束，大暴雨集中在5月～8月份，歷時一天左右，24小時降水量可達(dá)100 mm以上，冷鋒低槽和兩高切變是形成這種天氣的主要原因。歷年最大一日降水量發(fā)生月份統(tǒng)計表如表3所示。

表3 歷年最大一日降水量發(fā)生月份統(tǒng)計表

2.2 洪水特性

設(shè)計流域?qū)偕絽^(qū)雨源性河流，洪水由流域內(nèi)暴雨產(chǎn)生，洪水特性與暴雨特性基本一致，洪水具有漲峰歷時短，陡漲陡落等特點(diǎn)，洪水多發(fā)生在每年的5月～8月，以7月份發(fā)生洪水的機(jī)率最大。設(shè)計流域面積小，主河道短，洪水匯流時間較短，洪峰出現(xiàn)時間較早，一般在1.5 h之內(nèi)，退水時間一般在1天左右，漲、退水歷時主要取決于降雨在時空上的分布。

2.3 歷史洪水

根據(jù)實(shí)際走訪和洪痕調(diào)查，1995年油房溝曾發(fā)生較大洪水。經(jīng)分析，將1995年洪水重現(xiàn)期定為60年，根據(jù)曼寧公式及實(shí)測縱橫斷面資料，計算歷史洪水水面線時糙率取值為0.055，比降為0.015，得出石寶巖水庫壩址的歷史洪水成果，如表4所示。

表4 歷史洪水成果表

2.4 設(shè)計暴雨

設(shè)計流域無水文測站和雨量站，采用江口氣象站作為暴雨計算參證站。統(tǒng)計江口縣氣象站1959年～2014年56年最大一日降雨資料，按P-Ⅲ曲線進(jìn)行適線計算，得到江口氣象站多年平均最大一日暴雨量為92.9 mm，變差系數(shù)Cv=0.55，Cs=3.5Cv。將最大一日降雨換算成最大24 h暴雨：H24 h=1.12*H1日，計算得年最大24 h降水量均值為104 mm。

查《貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊》上“貴州省年最大24 h點(diǎn)雨量均值等值線圖”、“貴州省年最大24 h點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”、“貴州省年最大1 h點(diǎn)雨量均值等值線圖”、“貴州省年最大1h點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”，設(shè)計流域最大24 h暴雨在110 mm～120 mm等值線之間，變差系數(shù)在0.50以上；設(shè)計流域最大24 h暴雨在45 mm等值線左右，變差系數(shù)為0.40左右。暴雨統(tǒng)計成果表見表5.

表5 暴雨統(tǒng)計成果表 （單位：mm）

由于本次設(shè)計未收集到測站最大1 h暴雨資料，故其最大1 h暴雨統(tǒng)計資料參照相關(guān)等值線圖進(jìn)行取值。根據(jù)《貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊》上“貴州省年最大1 h點(diǎn)雨量均值等值線圖”以及“貴州省年最大1 h點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”，設(shè)計流域最大1 h點(diǎn)雨量均值為45 mm左右，變差系數(shù)0.40左右。根據(jù)相關(guān)等值線圖成果，確定設(shè)計流域最大1 h暴雨統(tǒng)計參數(shù)為H1h=45 mm，Cv=0.4，CS/CV=3.5。根據(jù)最大24 h、1 h暴雨統(tǒng)計參數(shù)，計算不同頻率下設(shè)計暴雨，成果見表6和圖2。

表6 設(shè)計流域最大24h、最大1h暴雨設(shè)計成果表 （單位：mm）

圖2 最大一日降水量頻率曲線圖

2.5 設(shè)計洪水

2.5.1 壩址設(shè)計洪水計算

由于設(shè)計流域內(nèi)無實(shí)測水文資料，因此采用“雨洪法”計算壩址洪水[2]。根據(jù)確定的暴雨參數(shù)(H24h=115 mm，Cv=0.52，Cs/Cv=3.5；H1h=45 mm，Cv=0.4，Cs/Cv=3.5)和量算的流域參數(shù)，按《貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊》和《貴州省特小流域暴雨洪水計算手冊》(修訂稿)規(guī)定，水庫流域面積小于10 km2，其計算公式如下：

式中：Qp為設(shè)計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數(shù)，r1=0.38(設(shè)計流域為高山間山丘區(qū)，植被一般，屬Ⅱ2區(qū))；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2；L為主河道河長；J為分水嶺至出口斷面的河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2；C1為洪峰徑流系數(shù)，（0.845～0.4967，P=0.33%～20%）；Sp為設(shè)計最大 1 h 點(diǎn)雨量，mm。

壩址設(shè)計洪量采用貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊推薦的扣損法計算，計算公式為：

式中：Wp為設(shè)計一次洪水過程洪量,以萬m3計；H24p為設(shè)計洪水徑流深, 以 mm 計，H24p=φ×H24p-(35+ΔHs)，ΔHs=Δ（24-T），Δ=1.0 mm/h。

將流域參數(shù)代入以上計算公式，計算得石寶巖水庫壩址處不同頻率天然設(shè)計洪水，成果見表7。

表7 石寶巖水庫壩址設(shè)計洪水成果表

2.5.2 壩址設(shè)計洪水過程線

根據(jù)《貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊》中的入庫洪水概化線坐標(biāo)，同時結(jié)合本流域的特點(diǎn)，推求石寶巖水庫（天然）設(shè)計洪水過程線，結(jié)果見圖3。

2.5.3 洪水成果合理性分析

從暴雨統(tǒng)計參數(shù)來看，以江口氣象站作為參證站，暴雨統(tǒng)計參數(shù)與《貴州省暴雨洪水計算實(shí)用手冊》中相關(guān)暴雨等值線圖是吻合的；從區(qū)域綜合分析角度看，以石寶巖水庫壩址（天然洪水）為例，本次設(shè)計洪水P=0.33%～20%洪峰模數(shù)為21.9 m3/s·km2～13.1 m3/s·km2（洪峰面積影響指數(shù) n=0.89），符合貴州省特小流域洪峰流量模數(shù)分布規(guī)律。另外，1995年調(diào)查歷史洪水洪峰流量為86 m3/s，重現(xiàn)期為60年一遇，根據(jù)雨洪法計算石寶巖水庫壩址P=1.67%洪水洪峰流量為88 m3/s，設(shè)計洪水與歷史調(diào)查洪水接近，本次設(shè)計洪水成果是合理的。

3 結(jié)語

本文以江口氣象站作為暴雨參證站，采用降雨徑流同頻率相應(yīng)法計算以壩址徑流，采用雨洪法計算壩址洪水，對石寶巖水庫洪水進(jìn)行分析計算，得到合理的洪水成果。通過對石寶巖水庫洪水進(jìn)行研究，為水庫工程提供了設(shè)計依據(jù)的同時，對確保水庫功能和效益充分發(fā)揮和下游防洪安全也起到重要作用。