虎山水庫設計洪水計算分析

張 磊 任澤垠 田黎明

(1.南陽市水利建筑勘測設計院,河南 南陽 473003；2.河南靈捷水利勘測設計研究有限公司,河南 南陽 473003)

1 工程概況

虎山水庫位于長江流域唐白河水系三夾河支流丑河上，壩址在河南省唐河縣東南馬振撫鄉小栗園村西的虎山腳下，流域面積199km2，主干流長35.2km，河道平均比降0.003，流域形狀似扇形。水庫上游位于桐柏山北麓淺山丘陵區，上游湖北省境內有烈士陵、刑川兩座中型水庫，總匯流面積40km2，河南省境內有5座小型水庫，總匯流面積為14.35km2。上述兩省7座中小型水庫總匯流面積54.35km2，占虎山水庫壩址以上丑河總流域面積的27.3%。

虎山水庫是按大型水庫管理的省重點中型水庫，下游保護對象十分重要，采用洪水標準為100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核。100年一遇設計水位141.80m，相應庫容7820萬m3；2000年一遇校核水位143.15m，總庫容9616萬m3；興利水位139.50m，相應庫容5444萬m3；死水位128.50m，死庫容500萬m3。

2 水文基本資料

虎山水庫于1972年底竣工，水文工作在1973年開始，虎山水文站對該水庫的降雨量、蒸發量、入庫水量、出庫水量、庫水位、洪水要素等進行觀測記錄。并對1973—1988年的水文資料進行了整編刊印，1988年至今的資料基本為原始記錄。虎山水庫流域內分布有郭橋、前莊、張馬店、大張莊等雨量站，受所收集資料情況的限制，不能滿足由實測點雨量推算面雨量的計算要求，只能采用圖集查算設計面雨量。

平氏水文站位于唐河支流三夾河上，在丑河入三夾河口上游7km處。該水文站控制流域面積748km2，1965年以來有較為完整的流量觀測資料。

3 徑 流

根據水庫實測入庫徑流資料系列計算，虎山水庫多年平均徑流量為4560萬m3，相應徑流深229mm，與圖集查算的徑流深250mm相比偏小，這與近10多年整體來水量偏少有關。經頻率分析，徑流變差系數Cv=0.60，離差系數Cs=2Cv，則75%年份徑流量2550萬m3，95%年份徑流量為1160萬m3。

4 設計洪水計算

4.1 用05圖集推理公式法計算設計洪水

根據河南省水利廳關于試行《河南省暴雨參數圖集(2005年版)》(豫水辦〔2007〕7號文)的通知，設計暴雨洪水依據《河南省暴雨參數圖集》(以下簡稱05圖集)查算暴雨參數，沿用與1984年版圖集(以下簡稱84圖集)相配套的洪水查算圖表推求洪水。

4.1.1 設計暴雨

利用05圖集提供的10min、1h、6h、24h 4種歷時的暴雨參數，分別計算10min、1h、6h、24h共4種歷時的設計暴雨，包括設計時段點雨量、面雨量和暴雨遞減指數。

a.設計點雨量，采用下式計算：

(1)

b.設計面雨量，根據水庫所在的水文分區，查短歷時暴雨時面深(t-F-α)關系圖，求得不同歷時暴雨的點面折減系數α值，乘以設計點雨量即得設計面雨量。

c.設計暴雨遞減指數n，按照暴雨歷時關系，n分為3段：1h以下為n1，1～6h為n2，6～24h為n3，本流域設計暴雨遞減指數采用下式計算：

(2)

(3)

(4)

式中：n1P、n2P、n3P分別為3種時段的設計暴雨遞減指數；H10＇P、H1P、H6P、H24P分別為同頻率P的年最大10min、1h、6h、24h設計點雨量。

各種頻率的設計點雨量、面雨量及暴雨遞減指數見表1。

表1 水庫設計暴雨成果

續表

4.1.2 產流計算

根據24h降雨量查該流域所在分區的次降雨徑流關系P+Pa-R曲線得24h凈雨量。P為24h設計面雨量，Pa為設計前期影響雨量，50年一遇以上的稀遇頻率Pa=Imax，10～20年一遇Pa=2/3Imax。水庫流域屬河南省的第Ⅱ水文分區，Imax=45mm，30年一遇Pa取35mm，50年一遇以上頻率Pa=45mm。24h設計凈雨量見表2。

表2 水庫設計凈雨量計算結果

4.1.3 匯流計算

a.洪峰流量計算，根據《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》規定，流域面積小于200km2時，應用推理公式法計算洪峰流量，基本公式為

(5)

(6)

(7)

式中：Qm為設計頻率洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數；τ為洪峰匯流時間，h；F為流域面積，km2；L為設計斷面至主河溝分水嶺的河長，km；J為河道平均坡降；S為設計頻率最大1h降雨量，mm/h；n為設計頻率的暴雨遞減指數，按照相應的匯流歷時取值：當τ<1h代入n1；τ=1～6h代入n2；τ=6～24h代入n3；μ為平均入滲率，依照計算流域所在的水文分區及下墊面特點根據圖集選定，mm/h；m為匯流參數，據計算流域所在的水文分區由84圖集(θ-m相關線)查定，其中：

θ=L/(F1/4J1/3)

(8)

b. 24h洪量計算，計算公式如下：

W24=1000RF

(9)

式中：W24為24h洪量，m3；R為24h凈雨深，mm；F為流域面積，km2。

水庫設計洪峰、洪量成果見表3。

表3 設計洪峰洪量計算成果(05圖集復核)

經采用05圖集和推理公式計算，100年一遇洪水洪峰流量為2366m3/s，24h洪量為5646萬m3；2000年一遇設計洪水洪峰流量為4095m3/s，24h洪量為9149萬m3。

c.設計洪水過程線，采用概化過程線疊加的方法計算，逐時段凈雨過程按24h凈雨概化時程分配表分配。

計算時將設計洪峰Qm和τ對應τ時段的最大平均凈雨強度，按等腰三角形概化，其頂高為Qm，底寬為2τ，Qm對應于τ時段末位置。其他主峰前后各個τ時段的凈雨量Rτ，當τ不夠整時段時，可按小時平均分配取值。以各個τ時段凈雨平均強度計算各次峰的洪峰流量，按等腰三角形概化的各τ時段的Qi，分別與自身τ時段末的位置相對應，即可得到24h洪水過程線。

4.2 用淮上法計算設計洪水

根據84圖集規定，對流域面積大于200km2的采用淮上法計算設計洪水，虎山水庫流域面積為199km2，較為接近，用淮上法計算設計洪水，暴雨參數仍采用05圖集。

4.2.1 單位過程線

虎山水庫流域特征值為：流域面積F=199km2，主河流長L=35.2km，河道平均比降J=0.003；有效洪峰帶面積AV=73.5km2，有效洪峰帶寬度BAV=9.8km，有效洪峰帶中心至大壩距離Lx=15km，有效洪峰帶中心至大壩坡度SLX=0.0017；有效洪峰帶坡度SAV=0.0023。單位線要素見表4，由此計算雨強單位線。

表4 單位線要素成果

4.2.2 設計洪水過程線

根據不同頻率24h凈雨過程及時段單位過程線，計算不同頻率設計洪水過程線，見表5。由此計算虎山水庫設計洪水成果：QP=0.05%=4734m3/s，QP=1%=2991m3/s。

表5 淮上法設計洪水過程線

4.3 用水文比擬法計算設計洪水

虎山水庫位于丑河上，距丑河入三夾河口4km。平氏水文站距虎山水庫壩址較近，同在三夾河流域，降雨及下墊面條件類似，考慮采用水文比擬法由平氏水文站實測洪水推求設計洪水。

根據平氏水文站1965—2014年共50年實測年最大洪峰流量資料系列，以平氏站為參證站，虎山水庫壩址處為設計站，按面積比的0.5次方換算為虎山水庫壩址處的洪峰流量系列，然后再對換算后的洪水系列進行頻率計算。由此計算虎山水庫設計洪水成果為：QP=0.05%=3467m3/s，QP=1%=1965m3/s。

與推理公式法和淮上法相比，水文比擬法計算成果偏小，這與虎山水庫流域內多為淺山丘陵區而平氏站流域地勢相對平坦有關。

4.4 2002年除險加固設計洪水成果

南陽市水利建筑勘測設計院于2002年1月編制《河南省唐河縣虎山水庫除險加固工程初步設計報告》，經河南省水利廳和長江水利委員會審查通過予以批復。

設計洪水：采用平氏水文站水文比擬法、84圖集推理公式法和淮上法分別進行了計算，經分析采用84圖集推理公式法計算成果：100年一遇設計洪水為2599m3/s，24h洪量為5101萬m3；2000年一遇設計洪水為4531m3/s，24h洪量為8006萬m3。

4.5 設計洪水成果選用

本次采用推理公式法、淮上法及水文比擬法計算的虎山水庫設計洪水與2002年除險加固設計的設計洪水比較見表6。

表6 虎山水庫設計洪水成果比較

從表6可以看出，洪峰流量用淮上法計算成果最大，比推理公式法偏大10%以上，洪量與本次計算基本一致；洪峰流量用水文比擬法計算成果最小，比推理公式法偏小15%左右。3種方法中水文比擬法計算成果最小，不利于工程安全且與實際情況不符，不宜采用。

淮上法與推理公式法均為經驗公式計算法，采用的《河南省暴雨參數圖集》是經過批準認可并與鄰省圖集在周邊處協調對接過的，可以用于跨省流域的暴雨洪水計算；另外，流域區內的上游湖北省兩座中型水庫、河南省5座小型水庫也有一定的削減洪峰調節洪水作用。因此，淮上法與推理公式法兩種計算成果中宜采用較小的推理公式法成果。

出于安全考慮，仍采用2002年除險加固設計洪水成果，即虎山水庫100年一遇設計洪水洪峰流量為2599m3/s，24h洪量為5101萬m3；2000年一遇校核洪水洪峰流量為4531m3/s，24h洪量為8006萬m3。

5 設計洪水的合理性分析

虎山水庫設計洪水與同為唐河水系的石步河水庫、宋家場水庫以及虎山水庫上游邢川水庫的洪峰模數比較結果見表7。

表7 虎山水庫與周邊水庫洪水比較

可以看出，虎山水庫的洪峰模數在合理范圍內，并且與同在三夾河支流上的石步河水庫的洪水成果較為接近。綜上分析，本次設計洪水計算成果選取是合理的。

6 結 語

虎山水庫設計洪水采用圖集推理公式法、淮上法和利用鄰近水文站實測洪水流量資料的水文比擬法計算，對設計洪水計算過程所依據的基本資料、計算方法及其主要環節、采用的各種參數和計算成果進行多方面分析，選定合理計算成果。

綜上所述，設計洪水計算方法很多，有實測流量資料，采用頻率分析法計算設計洪水；有實測暴雨資料，采用頻率分析法計算設計暴雨，并由設計暴雨計算設計洪水；有鄰近地區實測洪水或暴雨資料，進行地區綜合分析計算設計洪水；在沒有實測資料時，對于流域面積小于200km2的采用推理公式法，大于200km2的采用淮上法。設計洪水的計算應根據不同工程情況、不同流域面積、不同邊界條件采用不同的計算方法，或者采用兩種以上方法計算；資料短缺地區的設計洪水計算和可能最大洪水計算，應采用多種方法，并論證成果的合理性，經過綜合分析后科學合理地選取計算成果。?