受大型水庫調節影響下的設計洪水計算分析

沈桂環

(陜西省安康水文水資源勘測局，陜西 安康 725000)

1 概況

安康水文站為漢江上游干流控制站，始建于1934年，原斷面位于安康市漢濱區金川街。受“83.8”漢江安康特大洪水影響，1989年1月上遷1.7 km至漢濱區吉河鎮觀新村馬坡嶺，改為安康(二)站至今。安康水文站是安康城區防汛指揮依據站，控制流域面積38625 km2，距河口距離1018 km。該站多年平均徑流量160億m3，多年平均輸沙率1601萬t，多年平均降水量830.9 mm。建站以來實測最大洪水為“83.8”，洪峰流量31000 m3/s、相應水位257.25 m；調查最高水位257.54 m，出現時間1583年6月12日，相應流量33500 m3/s。

1989年12月26日，在安康水文站上游約17 km處安康水電站(水庫)建成下閘蓄水，控制流域面積35600 km2，總庫容33.4億m3，調洪庫容3.6億m3，水庫以千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核。安康水庫具有較強消峰、滯洪作用，對下游洪水有較大調節作用。安康水文站與安康水庫大壩區間主要有支流月河匯入，月河下游有長槍鋪水文站控制。

2 水文資料收集

(1)實測水文資料

本次收集到安康水文站1943年～2019年最大流量系列，安康水庫1990年～2019年最大入庫系列及月河長槍鋪水文站相關資料。

(2)歷史洪水調查資料

漢江安康段洪水歷史文獻、文物極為豐富，洪水記載歷史十分悠久。為了國民經濟建設的需要，1953年以來，長江水利委員會、(原水電部)水電第三工程局、陜西省水文水資源勘測局、安康水文水資源勘測局等單位先后組織對漢江干流安康段歷史洪水情況進行詳細的調查、考證工作，并在陜西省水利廳的領導下，于1984年組織專家對歷次調查成果進行了分析論證，編印了《陜西省洪水調查資料》匯編成果，調查洪水成果見表1。

表1 漢江安康水文站歷史洪水調查成果表

根據歷史文獻和《陜西省洪水調查資料》《安康地區實用水文手冊》等有關文獻資料收集成果，漢江安康水文站河段調查歷史洪水有很多場，但最大洪水為1583年，其次為1867年。1583年推算為34000 m3/s，1867年洪峰流量為30000 m3/s，歷史排位為第三；安康水文站1934年建站，建站以來實測系列中特大洪水有1983年，洪峰流量為31000 m3/s，加入歷史洪水排位為第二位；歷史洪水考證時間從1583年算起，考證期為437 a。

3 安康水文站設計(天然)洪水計算

(1)水文資料“三性”分析

漢江安康水文站自1934年建站以來，從1943年至今具有連續的實測洪水資料，本次計算收集1943年～2019年共77 a實測資料系列。年最大流量過程見圖1。

圖1 安康水文站歷年最大流量過程線圖

①資料的可靠性分析

安康水文站自1943年～2019年具有連續77 a實測洪水資料，均為水文年鑒整編成果。該站測驗河段順直，斷面基本穩定，中、低水采用流速儀法測流，高水采用均勻浮標或中泓浮標測流。經抽樣檢查，洪水過程控制完整，中泓浮標個數符合規范要求，浮標系數采用合理，年最大流量系列資料連續。通過繪制本站歷年高洪水位流量、水位面積、水位流速關系曲線，經綜合比較其變化趨勢穩定、合理，說明該站洪水流量資料可靠。

②資料的一致性分析和資料還原處理

安康水文站上游自1934年建站以來至1989年，在資料系列年限中無較大水利工程投入使用，有幾處規模較小水電站工程，但基本無調蓄能力，對天然洪水無較大改變，因此人類活動對洪水資料影響很小。1990年以后由于安康水電站建成投入運行，由于庫容較大，水庫調蓄對下游天然河道洪水過程具有較大影響，需要進行還原處理。

在安康站上游197 km處的漢江干流上設有石泉水文站，從1953年設站連續觀測至今。采用1989年以前的資料建立石泉站與安康站年最大流量相關關系，其相關關系較好，相關系數為0.82，相關公式為Q安康=1.82Q石泉-247，通過該關系用石泉站1989年以后的資料將安康站對應年最大流量進行還原。但本次比對發現，通過此式還原后的安康站洪峰流量在安康以上流域降雨較均勻的情況下，數據較準確；但是如果洪水主要發生在石泉以上區域或石泉至安康之間流域，則推算的安康站洪峰流量明顯偏大或偏小，不符合流域洪水特性。安康水庫為大型水庫，建庫及運行資料完整且精度較高。因此，采用建庫后入庫洪峰流量與月河長槍鋪站相應流量合成還原為安康站洪峰流量，還原后洪峰流量過程見圖1。

③資料的代表性分析

采用安康水文站1943年～2019年共77 a還原后的年最大流量資料系列，點繪年最大洪峰流量差積曲線圖，并繪制年最大流量累計均值過程線圖、變差系數、距平過程線圖見圖2、圖3。

圖2 漢江安康站年最大流量累計均值模比系數Ki和變差系數CV過程線圖

圖3 漢江安康站年最大流量差積、距平曲線圖

從差積曲線圖來看，在77a系列中從1943年～1950年，基本上為小水年份，1951年～1958年為大水年份，1959年～1962年為小水年份，1963年～1965年為大水年份，1966年～1972年為小水年份，1973年～1975年為大水年份，1976年～1977年為小水年份，1978年～1984年為連續大水年份，1985年～1990年為波動年份，1991年～1997年為連續小水年份，1998年～2009年為波動年份，2010年～2015年總體為連續大水年份。總之77 a資料系列內包括了連續大水時段和連續小水時段交替出現，呈現15 a～20 a的周期性變化的特性；從累計均值過程線圖可以看出，從1995年以后累計均值基本集中在12300 m3/s的附近趨于穩定，相差-2.1%～1.1%之間；變差系數CV在2010年以后基本維持在0.47左右。由此說明安康水文站1943年～2019年洪水系列代表性較好。

(2)安康水文站設計洪水流量計算

①經驗頻率計算

在調查考證期437 a中，有特大洪水3個，其中歷史調查洪水2個，77 a實測資料系列中將1983年最大流量作為特大值處理，組成不連續系列。因此各項洪水的經驗頻率以不連續系列數學期望公式計算。

特大洪水計算公式：

PM=m/(N+1)，m=1，2

連續系列洪水計算公式：

式中：m為序號；N為歷史洪水調查考證期；a為特大洪水個數；n為實測系列洪水個數；l為從n項連序系列中抽出的特大洪水個數。

②統計參數計算

計算公式為：

式中：Xj為特大洪水變量(j=1,2,…,a)；Xi為實測洪水變量(i=l+1,l+2,…,n)；其余符號意義同前。

③設計洪水流量推求

依據《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-2006)，采用離差平方和準則適線，求出最優統計參數，再經過經驗適線法進行參數微調，依次計算出參證站不同頻率洪水計算成果。洪水頻率曲線圖見圖4，漢江安康水文站設計洪水計算成果見表2。

表2 漢江安康站洪峰流量頻率計算成果表

圖4 漢江安康水文站年最大洪水頻率曲線圖

④設計洪水流量成果選用

為了安康市防洪工程設計的需要，安康水文站設計洪水多次進行了計算，現將各個時期不同單位計算的設計洪水成果進行匯總，與本次計算成果進行比較，見表3。

從表3中可以看出各次計算成果略有差異，但是總體相差不大，2002年陜西省水利電力勘測設計研究院編制的《陜西省漢江干流安康重點防洪工程可研報告》(以下簡稱《安康防洪可研》)，于2003年已經通過水利部長江水利委員會審查；《漢江綜合整治規劃》于2012年1月陜西省人民政府第2次常務會議審議通過。本次計算成果比《安康防洪科研》偏小3.3%，與《綜合整治規劃》成果相近，究其原因主要是本次計算將資料系列延長到2019年，而1998年～2010年的平均值比1935年～1997年平均值小，《安康防洪科研》計算平均值為12700 m3/s，本次計算平均值為12300 m3/s，偏小3.1%。考慮計算成果的一致性，因此采用《安康防洪可研》成果。

表3 安康水文站洪峰流量頻率計算成果分析表

4 受安康水庫調節影響的安康水文站設計洪水計算

(1)水庫汛期調洪原則

1999年北京勘測設計研究院編制完成了《安康水電站調度設計》確定的防洪要求和應用原則。據此，陜西省防汛抗旱指揮部以陜汛旱[2011]29號文件下發了“關于安康水庫2011年汛期調度運用計劃的批復”基本確定了安康水庫洪水調度運用方式與原則，見表4。

表4 安康水電站水庫防洪調度規則參考表

(2)最大下泄流量

根據擬定的調洪調度原則進行調洪演算，《安康水電站調洪計算》詳細分析計算對安康水電站設計洪水及洪水調節，結果見表5。

表5 安康水電站調洪計算成果表

(3)受安康水庫調節影響的安康水文站設計洪水

安康水庫壩址與安康水文站區間主要有支流月河、吉河，月河設有長槍鋪水文站、控制流域面積2814 km2占區間面積94.0%。由于漢江洪水不同區域組成不同，月河占漢江洪水比例也不同。統計安康水庫下閘蓄水前1960年～1987年28 a洪水資料，成果見表6。

由表6可知，月河洪水洪峰流量占漢江安康站洪峰流量大部分在2%～10%之間，最大超過20%，最小僅0.2%，平均8.6%；通過統計兩站的3日洪水總量可知，長槍鋪站平均占安康站的6.2%；長槍鋪站洪峰流量、洪水總量所占安康站比例與該站占安康站面積比例7.3%比例相當，且區間還有小支流吉河等，因此，考慮安康壩址洪水占安康站比例92.0%較為合理。本次分析結果與安康水庫原設計采用93.5%相近，為保持成果的一致性，本次沿用93.5%。

表6 月河長槍鋪站洪峰占漢江安康站洪峰比例統計計算表 單位：m3/s

受安康水庫調節影響的安康水文站設計洪水為安康水庫不同頻率下泄流量與區間流量之和。安康水庫下泄流量通過安康水庫調洪計算而得，安康壩址與安康站區間流量根據長槍鋪占安康站天然洪水比例計算。按照上述計算，區間洪水占安康站6.5%計算，由此可得受安康水庫調節影響的安康站設計洪水計算成果，見表7。

表7 受安康水庫調節影響的安康水文站設計洪水計算成果表 單位：m3/s

5 天然洪水與受水庫調節影響下的安康站設計流量對比分析

通過前述計算分析，天然洪水情況下計算的設計洪峰流量與考慮安康水庫調節影響下的設計洪峰流量差異較明顯，見表8。從表8中可以看出，安康水庫對于安康水文站洪水調節作用明顯，尤其是50 a一遇以下洪水，洪峰越小調節影響越大；調節后，50 a～5 a一遇洪峰消減6.1%～36.2%。

表8 天然洪水與受水庫調節影響下的設計洪水成果對比表

據安康水庫1989年蓄水運行以來資料統計，安康最大入庫洪水出現在2010年7月18日、洪峰流量25500 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s,安康站實測21800 m3/s；次大出現在2005年10月2日，最大入庫洪峰流量21000 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s，安康站實測20800 m3/s。實際應用與安康水庫調度原則計算結果基本相符。

6 結論

按照《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-2006)中洪水一系列處理中，“實測洪水系列受上游已建的大中型蓄水工程、引水和提水工程等影響較大時，應將受工程影響的洪水還原至天然狀況”，安康水文站設計洪水應采用資料還原計算后成果。在現實運用中，大型水庫建設后一般運行周期較長，洪水特別是大洪水受上游水庫調節影響是現實存在，因此，采用受水庫影響下的計算分析成果更加符合實際。