七星河流域梯級水庫設(shè)計洪水分析計算

馬小龍

（陜西省岐山縣水電工作隊，陜西 岐山 722400）

0 前言

陜西省寶雞市七星河為渭河水系的二級支流，發(fā)源于陜西省扶風(fēng)縣西北部的楊家溝，流經(jīng)岐山、扶風(fēng)兩縣交界，最后在扶風(fēng)縣城東南匯入韋水。流域總控制面積176 km2，干流全長24 km，河道平均比降2.2%。

從上世紀(jì)六七十年代以來，寶雞市的岐山、扶風(fēng)兩縣及馮家山水庫管理局先后在該流域上建成祝京、祁家溝、劉家溝、王家溝、官務(wù)、丁童、白家窯等七座小（一）型水庫，形成五個梯級，其中左支溝上有劉家溝水庫，中支溝上有王家溝水庫，右支溝上有祝京、祁家溝兩座梯級水庫，干流上依次從上到下有管務(wù)、丁童、白家窯三座水庫，七星河流域水系圖見圖1。

圖1 七星河水系示意圖

七星河流域梯級水庫庫壩群的建成改善了當(dāng)?shù)毓喔葪l件，使農(nóng)業(yè)穩(wěn)步增產(chǎn)，農(nóng)民收入逐步增長，但是，由于這些水庫庫壩群多系群眾運(yùn)動所為，且建成時間早，運(yùn)行時間長，加之原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)低，滲漏嚴(yán)重，溢洪道設(shè)施不全，使水庫防洪安全隱患多，直接威脅下游的扶風(fēng)縣城、寶雞峽總干韋水倒虹工程和西寶北線數(shù)十萬人民群眾的生命及財產(chǎn)安全。七星河流域已成為寶雞市防洪的重點工程，該流域各個梯級水庫的除險加固水文計算特別是洪水分析要納入統(tǒng)一的流域計算，形成《七星河流域水文分析報告》，供各個梯級水庫除險加固設(shè)計使用。

1 計算方法

因為在同一場暴雨即相同的下墊面條件下所產(chǎn)生的同一場洪水，梯級水庫存在著上游各庫運(yùn)行條件下的洪水分庫組合問題，也就是存在著錯峰削洪問題。入庫洪水計算的正確直接決定各個梯級水庫除險加固的規(guī)模。因此，七星河流域洪水復(fù)核應(yīng)以整個流域為研究模型，統(tǒng)一復(fù)核。

1.1 梯級水庫洪水計算

梯級水庫洪水計算要分為兩部分：上一級庫與本級庫的區(qū)間洪水，上一級水庫的下泄過程，本級庫的入庫洪水應(yīng)為上一級庫與本級庫的區(qū)間洪水和上級水庫的下泄過程疊加而成。

1.1.1 統(tǒng)一洪水標(biāo)準(zhǔn)

小流域梯級水庫區(qū)間洪水的計算，要采用統(tǒng)一洪水標(biāo)準(zhǔn)。為了協(xié)調(diào)七星河流域各水庫特別是同一支流上、下兩庫之間的防洪關(guān)系，根據(jù)本區(qū)水庫的工程規(guī)模以及對下游的危害程度確定水庫的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各庫均采用，即50年一遇設(shè)計（洪水頻率P=2%），500年一遇校核（洪水頻率P=0.2%）的統(tǒng)一防洪標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 統(tǒng)一洪水分析計算方法

小流域一般沒有實測水文資料，多采用由暴雨資料推理公式推求設(shè)計洪水及地區(qū)經(jīng)驗公式兩種方法進(jìn)行分析論證。經(jīng)綜合比較一般采用推理公式，因為推理公式在推求過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的推理計算。

1.2 區(qū)間洪水計算應(yīng)注意的問題

在推理公式中，影響洪峰的核心因素是暴雨強(qiáng)度和河流特征。小流域中，因其面積小，一般采用同一暴雨強(qiáng)度。在流域面積確定的前提下，河長和比降起關(guān)鍵因素，河長和比降對峰值漲水歷時影響大，對同一頻率洪水的洪量影響不大。河長長、比降緩，峰值減小并推遲，否則，峰值增大并提前，在梯級水庫中河長和比降的確定應(yīng)是從分水嶺到水庫壩址的長及加權(quán)平均比降。星河流域各水庫控制面積特征值見表1。

表1 七星河流域各水庫特征值表

1.3 上一級水庫下泄過程的確定

上一級水庫下泄過程確定是通過調(diào)洪演算確定的。調(diào)洪演算的原則是從最上游水庫開始調(diào)洪。

1.4 入庫設(shè)計洪水推求

本級庫的入庫洪水應(yīng)為上一級庫與本級庫的區(qū)間洪水和上級水庫的下泄過程疊加而成。在疊加時，由于區(qū)間主溝道很短，只有3 km～5 km，為了使下游水庫偏安全，因而在洪峰疊加時，只考慮水庫的調(diào)洪滯后時間，不考慮洪峰沿河槽推進(jìn)時傳播時間。

2 典型庫洪水計算

現(xiàn)以七星河流域支流上的祁家溝水庫為典型庫推求設(shè)計洪水。

祁家溝水庫位于祝京水庫下游，兩壩址相距僅2.4 km，為馮家山罐區(qū)北干渠渠庫結(jié)合工程，壩址以上流域面積35.1 km2，實際控制區(qū)域面積5 km2，主溝道長度2.4 km，平均比降16.7‰，區(qū)間內(nèi)河道至分水嶺最大長度9.4 km，平均比降28.21‰。原水庫設(shè)計時無溢洪道，汛期洪水主要靠滯洪庫容和放水洞泄流來排泄，放水洞最大泄量7.04 m3/s。

2.1 區(qū)間洪水推求

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》以及祁家溝水庫壩址以上的流域及河道特征計算流域不同歷時設(shè)計面雨量，面降雨過程，產(chǎn)流過程和凈雨過程，然后按推理公式進(jìn)行匯流計算。

產(chǎn)流計算按照滲產(chǎn)流模型，取前期影響雨量Pa=50 mm，根據(jù)入滲率和土壤含水量關(guān)系式推求；凈雨過程計算，將產(chǎn)流過程各時段的產(chǎn)流量累加起來，即為產(chǎn)流總量，乘以“潛流百分?jǐn)?shù)”可得潛流總量，潛流總量除以潛流歷時即得時段平均潛流量；由產(chǎn)流過程中扣除時段平均潛流量，即得凈雨過程；渭河以北，推理公式的潛流百分?jǐn)?shù)采用15%。

匯流計算，根據(jù)下式計算匯流參數(shù)的值：

按 τ=0.278 L/mJ1/3Q1/3計算 Q～τ 關(guān)系，按 Qm=0.278（∑ht/t）計算Q～t關(guān)系，將Q～t、Q～τ關(guān)系曲線點繪在一張圖上，其交點即為洪峰流量Qm和流域匯流時間τ，見表2。

表2 推理公式計算成果表（區(qū)間洪水）

區(qū)間設(shè)計洪水過程線采用五點概化過程線再加上區(qū)間潛流，五點概化過程線形狀系數(shù)Ka=0.1、Kb=0.185、Kw=0.245、Kc=0.210，設(shè)計洪水過程線計算結(jié)果見表3和圖3、圖4。

表3 祝京水庫～祁家溝水庫區(qū)間設(shè)計洪水過程線

2.2 上一級水庫祝京水庫的下泄過程線的推求

2.2.1 工程概況

祝京水庫位于寶雞市岐山縣城東北20 km祝家莊，京當(dāng)兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)交界處，即七星河流域的的右支溝，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等作用的小（一）型水庫。壩址以上控制流域面積30.1 km2，壩址至分水嶺最大長度9.5 km，平均比降56‰。原設(shè)計總庫容380萬m3，調(diào)洪庫容114萬m3，興利庫容226萬m3，死庫容40.0萬m3。

祝京水庫除險加固工程已實施。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，故祝京水庫的設(shè)計洪水直接采用其設(shè)計成果。

2.2.2 設(shè)計洪水祝京水庫入庫洪水計算成果及洪水過程線見表4和圖2。

表4 祝京水庫入庫洪水計算成果表

圖3 祁家溝水庫入庫洪水過程線（P=0.2%）

圖2 祝京水庫洪水過程線

（2）調(diào)洪演算

利用祝京水庫設(shè)計洪水過程線、水庫庫容曲線及溢洪道泄流曲線，以汛限水位685.8 m(溢洪道進(jìn)口進(jìn)口高程686.3 m)為起調(diào)水位，用列表法進(jìn)行調(diào)洪演算獲得祝京水庫下泄過程，見表5和圖 3、圖4。

表5 祝京水庫入庫泄流計算成果表

2.3 祁家溝水庫入庫設(shè)計洪水的推求

將祁家溝水庫區(qū)間洪水與祝京水庫泄流過程線疊加，就得到祁家溝水庫的入庫設(shè)計洪水過程線，見圖3、圖4。

祁家溝水庫的調(diào)洪演算及以下的梯級水庫入庫設(shè)計洪水推求不再贅述。

圖4 祁家溝水庫入庫洪水過程線（P=2%）

3 結(jié)論

1）七星河流域作為小流域梯級水庫庫壩群具有一定的代表意義，其中每座梯級水庫的除險加固需要復(fù)核設(shè)計洪水，復(fù)核要統(tǒng)一洪水標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一洪水復(fù)核方法，入庫洪水推求由上一級庫與本級庫的區(qū)間洪水和上級水庫的下泄過程疊加而成，疊加時不考慮上一級水庫出庫洪水到下一級水庫之間的傳播時間。

2）同時要特別注意河流特征的確定，尤其是河長及平均比降的確定，應(yīng)是從分水嶺到水庫壩址的長及加權(quán)平均比降，而不是主溝道的長及比降。

3）以七星河流域支流上的祁家溝水庫為典型庫推求設(shè)計洪水，祁家溝水庫位于流域上的右支溝，是第二梯級，其上游為祝京水庫。由圖3和圖4可知在50年一遇（p=2%）設(shè)計洪水和500年一遇校核洪水下，區(qū)間洪水p=2%時，洪峰 Qm=25 m3/s，漲水歷時 τ=2.3 h，p=0.2%時，洪峰 Qm=31 m3/s，漲水歷時τ=3.2 h；上游祝京水庫下泄過程線p=2%時，洪峰 Qm=31.4 m3/s，漲水歷時 τ=3.9 h，p=0.2%時，洪峰Qm=72.5 m3/s，漲水歷時τ=3.9 h；兩者疊加后得到祁家溝水庫入庫洪水p=2%時，洪峰Qm=39.2 m3/s，漲水歷時τ=3.9 h，p=0.2%時，洪峰Qm=97.0 m3/s，漲水歷時τ=3.9 h；在疊加時沒有考慮河道傳播時間，僅僅考慮錯峰削紅。其它梯級水庫類推，最終形成《七星河流域水文分析報告》，供各個梯級水庫除險加固設(shè)計使用。