南溝門水庫洛川縣城應急供水工程設計洪水分析

李 妍

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

南溝門水庫洛川縣城應急供水工程位于洛川縣西南方向交口河鎮附近，本工程做為應急供水工程，為了解決近年來縣城供水水源極度短缺的問題，水源地選定為南溝門水庫。工程輸水管線多次穿越仙姑河流域，故仙姑河流域設計洪水計算為水文計算的重點。該流域內無實測水文資料，洪水難以推求。故采取推理公式法、綜合參數法以及洪峰流量匯流面積相關法對仙姑河流域設計洪水進行計算，并對計算成果進行合理性分析。

1 流域概況

洛河是渭河的第二大支流，發源于陜北定邊縣白于山南麓。流經陜西省吳起、志丹、甘泉、富縣、白水，于大荔縣東南注入渭河。仙姑河是洛河左岸的一級支流，發源于黃龍縣崾崄河，自東北流向西南于洛川縣交口河鎮下游4 km處的惠家村附近注入洛河。流域面積609 km2，主河道長度為55.2 km，平均比降8.7‰。以已成的拓家河水庫壩址為界，上游為黃土林區，下游為黃土塬區。

2 暴雨洪水特性

1）洛河流域的洪水均系暴雨所致，暴雨多為雷暴雨。

2）洪水最早發生在5月，受連陰雨的影響，10月份也有洪水發生，年最大洪水一般發生在七八月份。一次洪水歷時約3天左右，主峰段約24小時。

3）仙姑河流域處于干旱半干旱地區，洪水多由暴雨形成，但亦有連陰雨形成的洪水。七八月份多為暴雨，九十月份多為連陰雨。局部短歷時暴雨強度大，降雨不均勻，形成的洪水陡漲陡落，峰高量小；連陰雨形成的洪水，由于降水均勻，歷時長，籠罩面積大，形成的洪水緩漲緩落，峰小量大。

3 仙姑河設計洪水計算

依據《防洪標準》（GB 50201-2014）、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）及《泵站設計規范》（GB 50265-2010），確定本次設計需計算仙姑河出口斷面50年一遇、20年一遇以及10年一遇設計洪峰流量。

3.1 上游已成水庫影響分析

3.1.1 拓家河水庫影響分析

拓家河水庫位于仙姑河上游，壩址以上控制流域面積295.2 km2，總庫容 2756 萬 m3，設計死庫容 1200 萬 m3，興利庫容1052萬m3。設計標準按50年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。依據《拓家河水庫除險加固工程初設報告》，水庫50年一遇洪水時溢洪道不下泄水，為全攔全蓄運行方式，對下游無影響。

3.1.2 安生溝水庫影響分析

安生溝是仙姑河右岸支流，其入匯口位于拓家河水庫壩址下游約2.6 km。

安生溝水庫壩址位于溝口上游3.6 km，壩址以上控制流域面積36.3 km2，距洛川縣城18 km。總庫容184.09萬m3，興利庫容62.7萬m3，死庫容48萬m3。是一座以企業供水、灌溉為主兼有防洪功能的Ⅳ等小（1）型水利樞紐工程。

該庫1996年9月動工，1997年12月竣工。2010年進行了除險加固設計，設計洪水標準30年一遇，校核洪水標準300年一遇。對該庫不同設計標準的調洪能力進行了復核，復核結果表明，安生溝水庫調洪能力較小，洪水調度時，均為敞泄狀態。因此，在確定仙姑河干流設計洪水時，不考慮安生溝水庫影響。

3.2 仙姑河干流設計洪水

由以上分析可得，仙姑河干流設計洪水為拓家河壩址以下區間天然設計洪水。本次采用推理公式法、綜合參數法、洪峰流量匯水面積相關法三種方法計算仙姑河出口斷面設計洪水。

3.2.1 推理公式法

仙姑河出口斷面控制流域面積314 km2，最大匯流長度44.6 km，河道平均比降J=8.7‰。采用暴雨推求設計洪水，以50年一遇設計洪水計算過程為例，具體如下：

（1）設計點、面雨量計算

按照《延安地區實用水文手冊》（以下簡稱“手冊”）規定，設計暴雨歷時取12小時。根據“手冊”中年最大1、3、6、24小時點雨量均值等值線圖、變差系數等值線圖，查得設計斷面以上流域形心處各歷時點雨量均值及變差系數CV值，偏差系數CS取CS=3.5CV，計算得到相應歷時設計頻率的點雨量。采用點面系數，由設計點雨量推求設計面雨量；根據24小時設計暴雨時程分配表，對面雨量進行分配，得到面降雨過程。

（2）產流計算

仙姑河屬于黃土塬區，產流過程按超滲產流模型計算，根據入滲率與土壤含水量的關系式推求，其關系式為：

當 S＜100 mm，f=1.62S-0.374i0.565，S≥100 mm，f=3.5。其中：f為入滲率，mm/min；S為與f相應的土壤含水率，mm。

通過“延安手冊”查算本區前期影響雨量Pa=33 mm，其與曲線交點的縱坐標f1作為第一時段的平均入滲率，若第一時段的降雨強度i1大于入滲率f1，則第一時段的入滲量△S1=f1×△t1，其產流量R1=（i1-f1）×△t1。若 i1＜f1，則該時段的入滲量△S1=i1△t1，其產流量為0。以此類推，求得下滲過程及產流過程。

將產流過程各時段的產流量累加起來即為產流總量，乘以“潛流百分數”即得潛流總量；本區R潛=15%R總，由產流過程中扣除時段平均潛流量即得凈雨過程。當某一時段的產流量小于時段平均潛流量時，其產流量全部視為潛流，應首先從潛流總量中扣除該階段的產流量，并從凈雨歷時中扣除相應的時間，然后再計算時段平均潛流量和凈雨過程。

（3）匯流計算

流域的匯流歷時τ為：

式中：L為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；J為沿流程L的平均比降；m為經驗性的匯流參數；Qm為設計洪峰流量，m3/s。

破碎塬區、塬區：

根據流域特征值 F、L、J，查算出 θ=31.8，m=2.16。

采用圖解法確定設計洪峰流量。繪制Qm～τ曲線，同時根據凈雨過程繪制Qm～τ曲線，兩條曲線的交點所對應的縱橫坐標，即為所求洪峰流量Qm及匯流歷時τ。計算成果見表1。

表1 推理公式法計算成果表

3.2.2 綜合參數法

依據“延安手冊”中綜合參數法公式計算洪峰流量，公式為：

式中：QmN為設計頻率為P的洪峰流量，m3/s；H3N為設計頻率為P的設計流域3小時面雨量，mm；F為流域面積，仙姑河出口斷面控制面積314 km2；ψ為流域形狀系數，ψ=F/L2；N為重現期，年；C、α、β、γ、η 為經驗參數。

計算參數及結果見表2。

表2 綜合參數法計算成果表

3.2.3 洪峰流量匯流面積相關法

依據“延安手冊”中洪峰流量匯流面積相關法經驗公式計算洪峰流量。公式如下：

式中：QN為重現期為N的洪峰流量，m3/s；KN、n為重現期為N的地理參數、指數，n=0.66；F為流域面積，仙姑河出口斷面控制面積314 km2。

計算參數及結果見表3。

表3 洪峰流量匯流面積相關法計算成果表

3.2.4 合理性分析

從三種方法計算結果來看，綜合參數法最小，推理公式法最大，洪峰流量匯水面積相關法居中，推理公式法和洪峰流量匯流面積相關法計算結果接近。

經調查，仙雞河段1821年發生特大洪水，洪峰流量1220 m3/s，調查斷面位于仙姑河河口，集水面積602 km2。從現有的資料看，該場洪水為1821年以來最大，其重現期接近200年。

洛河流域黃土區，50年一遇與200年一遇洪峰流量的比值約為0.68～0.72。仙姑河洪峰流量主要取決于下游的黃土塬區，根據1821年調查洪水成果，該河50年一遇洪峰流量約為830 m3/s～880 m3/s，與推理公式法計算成果基本一致。本次仙姑河出口斷面設計洪水推薦采用推理公式法成果，50年一遇洪峰流量835 m3/s，20年一遇洪峰流量627 m3/s,10年一遇洪峰流量461 m3/s。

4 結論

采用多種洪水計算方法，最后以推理公式法計算值作為仙姑河流域設計洪水成果，并與該流域已有洪水調查成果進行對比，說明洪水成果合理。提出的計算方法切實可行，為南溝門水庫洛川縣城應急供水工程設計提供技術依據，也可為類似工程建設提供參考和借鑒。