考慮水庫調洪作用的雞龍河治理工程設計洪水推求

馮文剛

(北京中水利德科技發展有限公司，北京 100000)

0 引 言

河道治理工程的一個重要作用是改善河道行洪作用，保障河道沿線居民生產生活安全的重要民生工程[1-3]。因此，確定河道的設計洪水參數是十分重要的，可為河道堤防工程、護岸工程設計提供參考。

雞龍河，又名高榆河，是沭河一級支流，位于莒南縣境西部，流經莒南縣的澇坡、十字路街道、板泉、嶺泉等鄉鎮街道，全長37.9km，流域面積307.5km2，在板泉的大白常村北入沭河，河道平均比降1.78‰。雞龍河流域北高南低，東高西低，源頭高程450m，河口高程70.2m。

1 設計洪水標準及雨量資料

暴雨是造成本流域洪水的主要原因。形成暴雨的天氣系統，主要為有鋒面、氣旋、臺風、倒槽等。雞龍河屬雨洪河流，降雨年際變化大，汛期水流湍急，旱季河水斷流，徑流年內隨季節變化明顯，6-9月份徑流量占年徑流量的87.2%，年際變化顯著，存在連續干旱，連續豐水的特點，多年平均徑流量9391萬m3，干枯年為3078萬m3。

由于雞龍河河道上無水文測站，缺乏實測流量資料，雞龍河的洪水是由暴雨形成的，故由暴雨資料間接推求設計洪水。雞龍河流域上游有一座中型水庫，為方便計算將雞龍河流域各斷面設計洪水分成上游水庫區間、庫下區間兩個計算單元進行計算，假設設計暴雨和設計洪水同頻率，利用水量平衡原理進行地區洪水組成。推求各控制斷面設計洪水時，假定全流域與區間發生同頻率的暴雨，分別計算各匯流單元設計凈雨及設計洪水，將庫下區間設計洪水同庫上入庫洪水調洪演算得到下泄洪水過程進行錯時段疊加，求得控制斷面的設計洪水過程。

1.1 設計洪水標準

根據《防洪標準》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)、《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)，確定龍王河堤防工程按20a一遇洪水標準設計，排澇按10a一遇洪水標準設計，施工導流洪水標準按非汛期5a一遇。

1.2 雨量資料的選取

1)雨量站的選取

雞龍河流域內有石泉湖站，故本次洪水計算選用石泉湖雨量站降雨觀測資料進行分析計算。

2)設計雨期的確定

本次雞龍河治理段，洪水多由24h暴雨形成，起控制作用的洪水也是由24h暴雨形成的。因此計算設計洪水的設計雨期確定為24h。

1.3 雨量資料審查

1)可靠性

本次選用的石泉湖雨量站的降水量資料觀測完整，均經省水文總站整編驗收，符合《降水量觀測規范》的基本要求，因此采用的資料系列是可靠的。

圖1 雞龍河流域各雨量站分布位置圖

2)一致性

由于降雨資料本身受人類活動影響較小，本次計算采用降雨資料間接推求設計洪水，能夠保證資料系列的一致性。

3)系列代表性

本次所采用的樣本系列具有63年實測資料，最大24h面雨量為293.8mm，最小24h面雨量為41.3mm，最大值是最小值的7倍多；系列中豐水年、枯水年和平水年分布比較合理。因此本次計算所采用的資料系列具有較好的代表性，系列長度滿足規范要求。因此本次計算資料系列具有較好的代表性。

綜上所述，所選擇的雨量資料具有可靠性、一致性和代表性，故選用石泉湖雨量站降雨觀測資料進行分析計算。

2 設計雨量計算及時程分配

2.1 設計雨量

根據石泉湖雨量站降雨觀測資料，采用算術平均法計算逐年的點雨量進行分析計算。結果見表1。

表1 雞龍河年最大24h面雨量成果表

將統計資料組成年最大24小時面雨量資料系列進行頻率和統計參數計算。

計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Pm資料系列中第m項的經驗頻率；m資料系列序位；n資料系列項數；X面雨量。

圖2 雞龍河流域最大24h降雨量頻率曲線

2.2 凈雨時程分配

1)降雨徑流關系

本次設計凈雨計算上游水庫位于山丘區，凈雨計算采用采用《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》中1號線；下游庫下區間山丘區采用1號線，平原區采用10號線。

2)設計凈雨計算

庫下區間設計凈雨計算采用山丘平原混合區計算，庫下區間平原區所占比例為70%。計算公式為：R混=R山-k(R山-R平)(4)

水庫匯流單元相應頻率的雨量按照全流域徑流總量守恒來控制，經計算各控制斷面設計凈雨如表2所示。

圖3 P+Pa-R關系曲線

表2 各設計斷面凈雨深

3 設計凈雨時程分配

本次設計凈雨時程分配采用了《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》的“泰沂山南區一小時雨型”。

各設計斷面凈雨時程分配見表3。

表3 泰沂山南區1h雨型

3 考慮設計洪水過程線推求及合理性分析

3.1 設計洪水過程推求

3.1.1 匯流計算方法

本次匯流計算采用山東省綜合瞬時單位線參數綜合方程，該方程是根據近幾年實測較大雨洪資料率定分析求得，有較好的代表性。

一般山丘區公式如下：

m1=CF0.33J-0.27R-0.20Tc0.17

(5)

m2=0.34m1-0.12

(6)

式中：m1、m2為瞬時單位線參數，m1=nk，m2=1/n；C為地區系數F集水面積，km2；J為河道平均坡度；R為凈雨量，mm；Tc為凈雨歷時，h。

已知各區間流域的F、J、R、Tc，代入公式(5)求得m1后，根據瞬時單位線參數與1小時單位線關系，疊加進行匯流計算。

3.1.2 設計洪水過程線的推求

1)各控制斷面洪水過程

對白馬溝河口-石泉湖水庫區間、石溝河口-石泉湖水庫區間、劉莊閘-石泉湖水庫區間設計洪水采用山東省山丘區綜合瞬時單位線對設計凈雨進行匯流計算，求得各計算單元上產生設計洪水過程線，結果見圖4。

圖4 各控制斷面洪水過程

2)水庫調洪

根據石泉湖水庫1996-2016年8月16日水位統計數據，得到石泉湖水庫東庫多年平均汛中水位為118.8m，西庫多年平均汛中水位為124.1m。石泉湖水庫具體指標見表4。

圖5 石泉湖水庫多年平均訊中水位統計結果

表4 石泉湖水庫指標

由表4可知，石泉湖水庫東庫多年平均汛中水位與興利水位還有1768.4萬m3，而石泉湖水庫總控制流域面積為72km2，發生20年一遇洪水時，最大相應洪量為1240萬m3。該洪量全部進入石泉湖東庫，東庫也未蓄至興利水位。因此20年一遇設計洪水條件下石泉湖水庫不泄洪。

3)各控制斷面設計洪量

由于石泉湖庫不泄洪，因此各控制斷面設計流量見表5。

表5 雞龍河各控制斷面20a一遇設計流量

3.2 設計洪水合理性分析

2012年7月，山東省臨沂市水利勘測設計院編制完成《山東省莒南縣雞龍河治理工程初步設計報告》，治理范圍為縣城隆山路起至下游9.3km(中泓樁號11+050-20+350)，河道治理長度9.3km，治理段筵濱河河口以上干流斷面20a一遇設計洪水流量為660m3/s，塔巷河河口以上干流斷面20a一遇設計洪水流量為397m3/s，山東省水利廳以魯水發規字[2012]139號文“關于莒南縣雞龍河治理工程初步設計的批復”對初步設計進行了批復。

本次治理段緊接2012年治理段，位于2012年治理段下游。2012年設計洪水成果根據流域內的石泉湖、陡山及相鄰流域的相邸共3處雨量站實測年最大24h暴雨資料，采用算術平均法計算1951-2010年面雨量系列；采用數理統計法計算20a一遇設計面雨量；設計暴雨的時程分配采用泰沂山南區1h雨型；凈雨采用降雨徑流關系1號線查算；匯流采用瞬時單位線綜合公式計算；并考慮了石泉湖水庫的蓄洪、滯洪作用。

而本次設計洪水計算，采用石泉湖雨量站單站計算設計暴雨，通過點面轉化求得設計面雨，設計凈雨的計算采用山區平原混合區公式進行計算，這也與實際情況是相符合的。雞龍河山區主要集中在石泉湖水庫上游，而水庫下游平原區占的比例較大。本次計算成果白馬溝河口以上干流斷面20a一遇設計洪水流量為665m3/s，不低于2012年治理段筵濱河河口以上干流斷面20a一遇設計洪水成果。

綜上所述，本次設計洪水成果是合理的。

4 結 論

通過收集雨量站水文數據，充分考慮雞龍河流域范圍內石象湖水庫的調洪作用，確定了雞龍河不同斷面的設計洪水流量。通過合理性分析，設計洪水流量參數較為合理。