桐城抽水蓄能電站設計洪水計算分析

鄧歡歡

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

1 工程概況

桐城抽水蓄能電站位于安徽省安慶市桐城市境內，靠近皖中負荷中心，是一座純抽水蓄能電站，工程建成后供電范圍為安徽電網，承擔系統調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等任務，可減輕電網調峰壓力，改善煤電機組運行條件，促進新能源的消納，提高系統運行經濟性和安全可靠性。電站裝機總規模1280 MW，按其裝機容量確定為一等大（一）型工程。

電站上水庫位于唐灣鎮楊樹村胡沖溝上，利用高山盆地，庫盆東、北、西三面環山，庫內發育若干沖溝，壩址以上集水面積0.934 km2，壩址至河源長1589 m，主河道平均坡降216.6‰。下水庫位于南沖河中下游，壩址位于汪河村張灣河段，壩址以上集水面積17.22 km2，壩址至河源長10.21 km，主河道平均坡降35.44‰。上、下庫壩址直線距離約2 km。上水庫大壩、下水庫大壩及泄洪設施的洪水標準均按200 年一遇洪水設計、2000 年一遇校核。為保證水庫建設防洪安全，需對上、下水庫設計洪水進行分析與探討。

2 工程所在流域及周邊水文測站布設情況

桐城抽水蓄能電站上、下水庫流域內無水文站和標準雨量站，缺乏實測流量、降雨資料。下水庫壩址下游約3.9 km 處建有牯牛背水庫，水庫設有大塘、唐灣、黃鋪、牯牛背水庫站共4個專用雨量站，距離工程所在區域較近的有唐家灣、后沖兩個標準雨量站。各雨量站資料基本情況見表1。

表1 工程鄰近流域測站基本資料一覽表

牯牛背水庫集水面積125 km2，牯牛背水庫站1975 開始觀測，大塘、唐灣、黃鋪三站觀測始于1986 年，截止2012 年除牯牛背水庫站，各雨量站均已經停測。牯牛背水庫雨量資料沒有通過水文局水文站專業人員的整理、分析、統一整編；4 個雨量測站均發生過因測量儀器損壞廢棄而斷測、停測情況，實測多年平均年降雨量較周邊國家標準雨量站和等值線圖成果均明顯偏小，雨量資料的可靠性不強，且無實測短歷時暴雨資料，不作為本次洪水計算的依據。唐家灣站和后沖站是國家標準雨量站，測驗規范，所有測驗、觀測及數據整編符合國家行業技術規范的標準和要求，經復核水文數據無明顯錯誤，數據成果可靠，且有長系列短歷時降雨系列，可作為本次設計洪水計算的參證站。

3 設計暴雨計算

桐城抽水蓄能電站額定水頭335 m，上、下水庫高程差較大。為統計分析工程所在區域短歷時降雨隨高程變化的關系，建立唐家灣站、后沖站及其他周邊雨量站和水文站實測多年平均短歷時降雨量與站點所在高程之間的相關關系，發現各站點高程相差較大，但短歷時降雨量變化不大，且降雨量不呈現隨高程增加而變大或減小的趨勢，降雨與高程相關性較差，說明該地區短歷時暴雨量受高程變化的影響不大，可直接采用站點實測降雨作為工程所在流域降雨。

桐城抽水蓄能電站所在南沖河屬于菜子湖流域，菜子湖流域歷史洪水年份有1808 年、1954 年、1969 年，其中1808 年為調查到的最早歷史洪水年份，1969 年為實測特大洪水。自1651 年以來，本地區只有1808 年洪水較大，但無調查記錄，可認為1969 年洪水與1808 年洪水相當，重現期為182 a。

對唐家灣、后沖兩站實測短歷史降雨資料進行排頻計算，并考慮歷史洪水影響，得到實測點暴雨統計成果。將統計成果與安徽省暴雨參數等值線圖查算成果進行對比，唐家灣和后沖站實測降雨排頻計算成果均小于等值線圖查算成果，從偏安全角度考慮，工程設計點暴雨采用等值線圖查算成果。桐城抽水蓄能電站上水庫集雨面積小于10 km2，點面系數取1，以點暴雨代替面暴雨；下水庫流域點面系數為：a24=a1=0.997。點暴雨乘以點面換算系數得到設計面暴雨，上、下水庫設計面暴雨成果見表2。

表2 上、下水庫設計面暴雨成果表

4 設計洪水計算

4.1 下水庫設計洪水

桐城抽水蓄能電站下水庫大壩壩址以上集雨面積17.22 km2，設計洪水計算考慮扣除上庫集雨面積0.934 km2，工程所在區域屬于江淮地區。下水庫洪水計算采用1984 年《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區產匯流分析成果和山丘中、小面積設計洪水計算辦法》中納希線性瞬時單位線模型，其一般形式如下：

式中：u（0，t）為時刻瞬時單位線縱高；Φ 為伽馬函數；n 為流域匯流調節參數，線性水庫個數；K 流域匯流時間參數，每個水庫的滯時。

江淮淺山區匯流參數m1經驗公式：

式中：m1、N、k 為瞬時單位線參數，在江淮之間 N 固定為 3；F 為集雨面積，km2；J 為主河道坡降，‰；R3為最大 3 h 設計凈雨，mm。

考慮匯流時的地下水回加，產流計算時設計流域面凈雨量僅考慮扣除地表損失雨量；江淮淺山區重現期≥50 年一遇，扣除地表損失20 mm；重現期≤20 年一遇，扣除地表損失40 mm；流域24 h 凈雨雨型分配，參照同頻率內包型式。確定匯流參數為0.66，為0.16～0.2，由設計洪水流量過程線和流域形狀系數（B 為流域平均寬度2.07 km)得到洪峰流量修正系數，推算設計洪水過程線，見圖1。

圖1 桐城下水庫設計洪水過程線

4.2 上水庫設計洪水

上水庫集雨面積為0.934 km2，面積遠小于10 km2，不宜采用瞬時單位線進行洪水計算。根據工程布置，上水庫正常蓄水位對應水面面積為0.355 km2，陸面面積0.579 km2。水庫建成后正常運行期間，水面所占比率很大，水面洪水會對流域洪水產生一定影響，為使計算更合理，本次采用兩種方案進行上水庫洪水計算。

方法一：將壩址以上集雨范圍作為整體，按《安徽省山丘區中小河流洪峰流量經驗公式》計算洪峰。24 h 洪量由24 h 凈雨推求，重現期≥50 年一遇時，不考慮暴雨扣損；重現期＜50 年一遇時，按經驗公式中淺山區扣損。

方法二：將水面與陸面分開，水面降雨扣損為0，洪水由降雨直接形成，參照《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區產匯流分析成果和山丘中、小面積設計洪水計算辦法》中凈雨雨型分配24 h 降雨，得到洪峰流量成果，24 h 洪量即為24 h 雨量；陸面洪水按《安徽省山丘區中小河流洪峰流量經驗公式》計算洪峰，按方法一計算洪量。水面洪水和陸面洪峰疊加得到水庫相應頻率設計洪水成果。

安徽省山丘區中小河流洪峰流量經驗公式：

式中：R24，p為設計頻率為 p 的 24 h 凈雨量，mm，淺山區為 24 小時降雨量減去40 mm；C 為地區經驗系數，淺山區取0.028。

桐城抽水蓄能電站上、下水庫設計洪水成果見表3。

表3 桐城抽水蓄能電站上、下水庫設計洪水成果表

5 洪水合理性分析

收集鄰近地區與工程所在流域自然地理特性相近、暴雨及下墊面條件相似的水庫工程設計洪水資料，以及水文站實測流量資料，以P=0.1%、1%為例，點繪地區流量～面積關系曲線，見圖2 和圖3，桐城抽水蓄能電站上水庫點據在地區綜合線上，下水庫點據在地區綜合線稍偏上，流量- 面積關系符合地區綜合特性，說明上、下水庫設計洪水計算成果合理。

圖2 桐城抽蓄鄰近地區Q0.1%-F 關系圖

圖3 桐城抽蓄鄰近地區Q1%-F 關系圖

6 結論

桐城抽水蓄能電站所在流域沒有實測暴雨洪水資料，通過分析周邊雨量站資料的測驗情況，確定距離工程最近的唐家灣站、后沖站為暴雨計算的參證站，保證了設計資料的可靠性。

對比分析唐家灣站、后沖站實測短歷時降雨統計結果和安徽省暴雨等值線圖查算結果，確定后者為工程設計點暴雨成果。分別采用經驗公式法和瞬時單位線法計算上、下水庫設計洪水，上庫洪水分水面和陸面兩部分計算。洪水計算成果與相鄰流域測站、水庫設計洪水成果一起繪制地區綜合線，經分析，上、下水庫流量- 面積關系均符合地區綜合特性，洪水成果合理。

本文確定的參證站科學合理，計算方法切實可行，可為桐城抽水蓄能電站設計、防洪及調度運行等提供技術依據，也可為類似工程建設提供借鑒參考。經計算桐城抽水蓄能電站上水庫設計標準P=0.5%洪峰流量為49.9 m3/s，校核標準P=0.05%洪峰流量為70.6 m3/s，下水庫設計標準P=0.5%洪峰流量為574 m3/s，校核標準P=0.05%洪峰流量為885 m3/s。