無資料地區受上游水庫調蓄影響的設計洪水分析研究

付雯琪，安占剛

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 研究背景

設計洪水是確定河道開發治理方案的基礎,也是涉水工程規劃設計、防洪減災規劃的核心技術環節[1][2]。近年來,隨著江河的治理與開發,流域上中游主要干支流分布著調蓄作用較大已建成或近期即將建設的梯級水庫,對下游斷面設計洪水的影響越來越突出[3][4]。我國《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 144—2006）中規定：“當設計斷面上游有調蓄作用較大的水庫或水庫對下游有防洪任務時,應對大洪水的地區組成進行分析,并擬定設計斷面以上或防洪控制斷面以上設計洪水的地區組成”[5]。目前計算受上游水庫調蓄影響的設計洪水計算方法主要有地區組成法、頻率組合法、隨機模擬法等[6][7]。但是在無資料地區,受水庫影響的下游設計洪水計算難以用以上方法進行分析計算。為此,本文提出削峰影響量法,通過計算上游水庫消峰對下游設計斷面天然洪峰的影響量來推求設計洪水,為研究受水庫調蓄影響的設計洪水分析計算提供新途徑。

2 研究方法

削峰影響量是上游水庫調蓄對下游設計斷面天然洪峰產生的削減量,則下游斷面設計洪峰流量為該斷面天然洪峰流量與上游水庫對該斷面的消峰影響量之差,即：

式中：Q設，設為下游設計斷面設計洪峰流量,m3/s；Q設，天為下游設計斷面天然洪峰流量,m3/s；Q影響量為上游水庫調蓄對設計斷面的消峰影響量,m3/s。

削峰影響量是設計洪水分析研究的關鍵,主要與上游水庫消峰流量、區間洪水補償、水庫天然洪峰與設計斷面天然洪峰比值等因素有關,具體分析如下：

（1）上游水庫消峰流量：水庫消峰流量代表水庫本身對洪水的調蓄能力,其值越大,表明該水庫對洪水的削減能力越強,則對下游設計斷面天然洪峰產生的削減量就越大,反之亦然。

（2）區間洪水補償影響：上游水庫的消峰作用對下游斷面的影響大小（即削峰影響量）與水庫與下游斷面的距離有關,距離越近,影響越大,距離越遠,影響越小。這是因為區間洪水對下游斷面洪峰流量有補償作用,是由流域洪水自然特性決定的。

（3）水庫天然洪峰與下游斷面天然洪峰的比值：在上游水庫削峰流量一定的情況下,若水庫壩址天然洪峰在下游設計斷面天然洪峰流量中所占的比例越高,則削峰影響量在下游設計斷面保持的比例越高,對設計斷面的消峰影響量越大,反之亦然。

基于以上分析可知,當下游斷面與上游水庫壩址天然洪峰流量越接近時,下游斷面受到水庫調蓄影響就越顯著,削峰影響量越大,則上游水庫消峰流量在下游設計斷面保持的比例越高,反之亦然。即上游水庫天然洪峰占下游設計斷面天然洪峰比例與上游水庫消峰流量在下游設計斷面保持的比例同向變化,表達式如下：

式中：K1為上游水庫消峰流量在下游設計斷面保持的比例,%；K2為上游水庫天然洪峰占下游設計斷面天然洪峰比例,%；C為削峰影響系數；Q庫，削為上游水庫消峰流量,m3/s；Q庫，天為上游水庫天然洪峰流量,m3/s；其他參數意義同前。

同一流域,由于氣候、下墊面等條件相似,可認為削峰影響系數為常數。則由公式（1）～（4）可推算得受上游水庫調蓄影響時,下游設計斷面的設計洪峰流量為：

3 研究實例

3.1 流域概況

禿尾河地處陜西省北部的神木市,是黃河流域的重要一級支流,也是神木市重要飲用水源地和產業園區所在地,沿線蘊含悠久的歷史文化與陜北特色景觀風貌,具有重要的生態戰略地位。禿尾河上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成,匯合口烏雞灘以下為禿尾河干流,自西北向東南流經錦界鎮、高家堡,大保當,在萬鎮的河口岔村注入黃河。河流全長133.9 km,總面積3373 km3,水系呈羽狀發育。禿尾河在1966 年設立了高家堡水文站,在1955 年設立了高家川水文站,分別位于流域的中游和下游,是流域的控制性水文站。

禿尾河上游依次坐落瑤鎮、采兔溝兩座水庫,是陜北能源重化工基地供水的骨干水源工程,對下游洪水有一定調蓄作用。本文重點研究上游水庫調蓄對下游高家堡水文站設計洪峰流量的影響。

圖1 禿尾河流域圖

3.2 上游水庫設計洪水計算

（1）瑤鎮水庫

瑤鎮水庫壩址以上斷面主要為風沙草灘地貌,以鄰近海流兔河韓家峁水文站作為參證站,依據其設計洪水成果按面積比擬法推算得到瑤鎮水庫壩址設計洪水成果。將韓家峁水文站1966 年8 月13 日典型洪水過程線按1 日及3 日洪量設計成果放大,得到瑤鎮水庫各頻率設計洪水過程線；再依據水庫水位-庫容關系曲線、水庫泄流曲線,對瑤鎮水庫各頻率洪水進行調洪演算,得到相應下泄流量,其成果見表1。瑤鎮水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰分別為79 m3/s、62 m3/s、36 m3/s和14 m3/s,水庫削峰流量分別為58.5 m3/s、46.1 m3/s、28.5 m3/s和8.6 m3/s。

表1 瑤鎮水庫各頻率設計洪水成果表

（2）采兔溝水庫

瑤鎮水庫—采兔溝水庫區間主要為沙漠區,壩址附近有少部分黃土溝壑地貌。由于兩種地貌的產匯流條件不同,因此計算采兔溝水庫壩址的洪水時,需按不同的下墊面情況分別計算,將流域分為風沙區和黃土溝壑區兩種。

根據采兔溝水庫初步設計報告等相關資料,水庫壩址30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分別為272 m3/s、228 m3/s、166 m3/s和97 m3/s,考慮上游瑤鎮水庫調蓄影響后的洪峰流量分別為231 m3/s、197 m3/s、148 m3/s和91 m3/s。依據采兔溝水庫調洪原則和水位-庫容關系曲線、水庫泄流曲線,對水庫各頻率洪水進行調洪演算,得到相應頻率的下泄流量分別為57.1 m3/s、57.1 m3/s、57.0 m3/s和57.0 m3/s,水庫削峰流量分別為174 m3/s、140 m3/s、91.0 m3/s和34 m3/s。

表2 采兔溝水庫各頻率設計洪水成果表

3.3 設計斷面天然設計洪水

禿尾河流域瑤鎮水庫2001 年9 月29 日開工建設,2003 年10 月底全面竣工,采兔溝水庫于2005 年9 月1 日開工建設,2008 年11 月底完工,2009 年10 月下閘試運行蓄水。因此選擇高家堡水文站1966 年～2002 年37 年實測最大流量作為天然洪水系列進行經驗頻率計算,并用P-Ⅲ曲線適線確定統計參數,計算成果見表3。高家堡站30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分別為1410 m3/s、1280 m3/s、1040 m3/s和790 m3/s。

表3 設計斷面天然設計洪峰流量成果表

3.4 受上游水庫調蓄影響的設計洪水

（1）瑤鎮水庫調蓄對采兔溝壩址洪水的消峰影響

對于30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水而言,瑤鎮水庫壩址天然洪峰占采兔溝水庫壩址天然洪峰的比例（K2）平均為23.1%。而瑤鎮水庫削峰流量在采兔溝水庫保持的比例（K1）為66%,即瑤鎮水庫若對某一頻率洪水的消峰流量為100 m3/s,則采兔溝水庫天然洪峰流量消減66 m3/s。根據公式（2）推算得到瑤鎮水庫調蓄對采兔溝水庫設計洪水的削峰影響系數C為2.85。

由表4可知：瑤鎮水庫消峰流量在下游采兔溝壩址斷面保持的比例（K1）為66%；瑤鎮水庫天然洪峰占采兔溝壩址天然洪峰的比例（K2）為23.1%；消峰影響系數（C）為2.85。

表4 瑤鎮水庫調蓄對采兔溝壩址設計洪水的消峰影響量表

（2）受采兔溝水庫調蓄影響的高家堡水文站設計洪水

采兔溝水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇天然洪峰流量平均是高家堡站相應頻率天然洪峰流量的16.3%（K2）。根據削峰影響系數2.85 推算,采兔溝水庫消峰流量在高家堡站保持的比例為46.5%（16.3%×2.85）,即采兔溝水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水的消峰流量在高家堡站的保持量分別為80.9 m3/s、65.1 m3/s、42.3 m3/s和15.8 m3/s。從高家堡站天然洪峰流量中減去此消減量,得到受上游水庫調蓄后的高家堡站設計洪峰流量分別為1330 m3/s、1220 m3/s、998 m3/s和774 m3/s,見表5。

表5 高家堡站受上游調蓄后的設計洪峰流量成果表

4 結論

水庫調蓄對下游防洪斷面設計洪水計算、流域規劃、工程設計等有較大影響。針對無資料地區難以采用常規方法推求受上游水庫影響的設計洪水計算問題,本文提出削峰影響量法進行分析計算,初步結論如下：

（1）削峰影響量是上游水庫調蓄對下游設計斷面天然洪峰流量產生的削減量,斷面天然洪峰流量與上游水庫對該斷面的消峰影響量之差即為設計洪峰流量；

（2）上游水庫對下游設計斷面的消峰影響量與上游水庫天然洪峰占下游設計斷面天然洪峰比例間同向變化；

（3）本方法的關鍵是推求消峰影響系數,在有本地區類似水庫資料反推的情況下,方法是可行的。不同地區間的借用和水庫調洪機制不同情況下的使用,有待進一步研究。