關于徑流計算綜合修正系數(shù)及徑流變差系數(shù)選取的探討

曾才茂，高運法，沈 軍

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 前言

英武水庫位于貴州省盤州市英武鎮(zhèn)境內，盤州市是由貴州省直管，六盤水市代管的縣級市。英武水庫壩址在烏都河干流上游索橋河段，距下游支流朱昌河匯口230 m。水庫壩址以上流域集水面積為442 km2，主河道河長40.6 km，主河道平均比降5.43‰。

烏都河屬珠江流域西江水系北盤江上游右岸的一級支流，發(fā)源于盤縣水塘鎮(zhèn)里山嵐(河源高程1790 m)，至水城縣花嘎鄉(xiāng)下蒙丈匯入北盤江。全流域集水面積1997 km2，主河道河長106 km，主河道平均坡降11.2‰。烏都河主要支流有朱昌河、付家小河、普安河(汪家河)、烏圖河等。

水庫工程開發(fā)任務以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為鞏固區(qū)域脫貧成果創(chuàng)造條件。水庫正常蓄水位1405 m，總庫容11100萬m3。水庫多年平均年供水量為10320萬m3，其中城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水量9502萬m3，農業(yè)灌溉供水量818萬m3。工程設計灌溉面積7.05萬畝。電站裝機容量10 MW，多年平均發(fā)電量2442萬kW·h。

工程分為水庫樞紐工程、供水灌溉工程兩部分。水庫樞紐工程推薦下壩址重力壩方案，該方案樞紐布置為：碾壓混凝土重力壩+壩頂溢洪道+右岸供水、灌溉引水系統(tǒng)+左壩段生態(tài)發(fā)電引水系統(tǒng)+左岸壩后電站。供水灌溉工程將受水區(qū)分為盤州片區(qū)、普安片區(qū)、晴隆片區(qū)3個片區(qū)。

1 徑流計算

(1)徑流特性

烏都河為典型的山區(qū)雨源性河流，徑流由降水補給，徑流特性與降水特性基本一致，洪枯懸殊，年內分配不均。

據(jù)草坪頭水文站資料1959年～2018年資料系列分析，多年平均流量為21.5 m3/s，最大年為35.4 m3/s(1979年～1980年)，最小年為7.92 m3/s (2011年～2012年)。最大年和最小年分別是多年均值的1.64倍和0.37倍。徑流年際變化不大，但年內分配不均，汛期5月～10月徑流量占全年徑流量的83.6%，主要集中5月～8月，占全年徑流量的61.0%，枯水期11月～4月降水量僅占全年徑流量的16.4%。

(2)壩址徑流計算

英武水庫壩址徑流主要依據(jù)烏都河干流上的草坪頭水文站實測資料，參照《水利水電工程水文計算規(guī)范》(SL 278-2020)中有關規(guī)定，采用水文比擬并考慮面積、面降水、徑流系數(shù)修正的水文比擬法進行計算。并根據(jù)貴州省徑流變差系數(shù)相關成果，結合設計流域與參證流域特性綜合確定設計流域變差系數(shù)取值。

1)面上降水分析

根據(jù)工程所在流域及各雨量、氣象、水文站點分布情況，選用草坪頭水文站、盤縣氣象站、普安氣象站、老廠、樂民、核桃園、十路、羊場、雞場坪、雨量站共9個站點進行面降水分析，降水資料系列采用1959年～2018年(1959年之后建站的測站，降水資料采用貴州省水文水資源局插補延長的刊印成果，1984年之后建站的，采用鄰近站相關插補1984年以前資料)，資料系列較長，代表性較好。將各站歷年年降水量資料進行頻率分析計算，成果見表1。

表1 設計流域及鄰近地區(qū)年降水量分析成果

經分析，草坪頭水文站以上流域面降水量以盤縣氣象站、普安氣象站、老廠、樂民、核桃園、十路、羊場、雞場坪、草坪頭水文站雨量站共9個站為代表，以算術平均法進行計算，面降水量均值為1350 mm。

英武水庫壩址以上流域面降水量以盤縣、核桃園、十路、樂民4站為代表，采用泰森多邊形法計算壩址以上面降水量為1398 mm。

2)壩址年徑流計算

英武水庫位于烏都河干流上游索橋河河段，水庫推薦壩址集水面積為442 km2。烏都河干流草坪頭水文站集水面積為1085 km2，是英武水庫集水面積的2.45倍；故以草坪頭水文站為參證站，考慮逐年降水修正、徑流系數(shù)均值修正，面積比擬草坪頭水文站長系列過程至壩址，通過水文站分配率進行分配。其面積修正系數(shù)為0.407；徑流系數(shù)修正值為1.065；降水按壩址以上面降水與參證站以上面降水逐年修正，得到壩址處長系列徑流過程。

計算公式如下：

2 徑流變差系數(shù)的確定

(1)省水文總站經驗公式法

徑流的變差系數(shù)根據(jù)《貴州省地表水資源》中的公式:

Cvy=γ·Cvx/(αm+βLgF)

式中：Cvy為年徑流變差系數(shù)；Cvx為年降水變差系數(shù)，Cvx=0.17；F為集水面積，F(xiàn)<100 km2時取F=100 km2；α為年徑流系數(shù)；m、β、γ為地區(qū)性經驗參數(shù)。m=0.7，β=0.04，γ=1.1。

根據(jù)以上公式及參數(shù)計算Cv=0.28，結合《貴州省地表水資源》上有關等值線圖，取年徑流的變差系數(shù)Cv=0.29，偏態(tài)系數(shù)Cs取2Cv。

(2)等值線圖法

查《貴州省地表水資源》中相關等值線圖(圖1、圖2)，設計流域年徑流Cv為0.25～0.30之間。

圖1 年徑流系數(shù)均值等值線圖

圖2 年徑流變差系數(shù)等值線圖

(3)流域綜合法

草坪頭水文站位于英武水庫下游，集水面積為1085 km2，將草坪頭水文站實測歷年逐月平均流量按水文年(5月～次年4月)進行統(tǒng)計和頻率分析計算，并以P-Ⅲ曲線適線，該站多年平均流量為21.5 m3/s，Cv=0.28，Cs=2Cv。從烏都河流域徑流Cv變化情況分析，流域面積越大，Cv值越小，因此設計流域年徑流Cv應比草坪頭水文站的0.28大。

(4)結論

變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs考慮到面積差異結合地區(qū)變化規(guī)律及結合本地區(qū)已有工程分析成果確定，綜合以上三種方法分析，設計流域年徑流的變差系數(shù)Cv=0.29，偏態(tài)系數(shù)Cs取2Cv。徑流的年內分配按水文站分配率分配，可得到水庫壩址徑流過程。采用水文比擬法并結合降水、徑流系數(shù)及徑流Cv修正計算的壩址徑流成果見表2。

表2 水庫壩址徑流計算成果表

3 枯水流量及徑流成果合理性分析

(1)根據(jù)草坪頭水文站實測枯水資料采用水文比擬法分析

根據(jù)草坪頭水文站實測資料統(tǒng)計分析，實測最小月流量為1.58 m3/s，枯水模數(shù)為1.46 L/(s·km2)。采用水文比擬法按面積比擬至英武水庫壩址處，則壩址處最小月流量為0.65 m3/s，枯水模數(shù)為1.46 L/(s·km2)。

草坪頭水文站多年平均最小月均流量為3.84 m3/s，模數(shù)為3.54 L/(s·km2)，歷年最小月P=95%流量為1.89 m3/s，模數(shù)為1.74 L/(s·km2)。

(2)根據(jù)《貴州省河流枯水調查與統(tǒng)計分析》資料

查《貴州省河流枯水調查與統(tǒng)計分析》等值線圖，設計流域P=50%平均最枯日枯水模數(shù)為2.5 L/(s·km2)，P=50%平均最枯月枯水模數(shù)為3.9 L/(s·km2)。

(3)實測枯水流量

2016年3月，設計人員對英武水庫壩址進行了枯水調查和測流(LS 1206B型旋漿式流速儀)。水庫壩址處測時流量為0.89 m3/s，對應模數(shù)為2.01 L/(s·km2)左右。通過對當?shù)鼐用窳私猓⑽渌畮靿沃泛佣巫羁萘髁勘葘崪y時還要稍小一些。從英武水庫壩址所處地理位置，以及地形、地質條件，經現(xiàn)場枯水調查和資料分析論證，水庫壩址多年平均最小月均流量為1.72 m3/s，模數(shù)為3.89 L/(s·km2)，壩址處歷年最小月P=95%流量為0.82 m3/s，模數(shù)為1.86 L/(s·km2)，符合地區(qū)分布規(guī)律。

(4)結論

根據(jù)以上分析，結合水文站實測枯水成果、“貴州省河流枯水流量模數(shù)分布圖”，以及地形地質條件、現(xiàn)場測流、枯水調查和鄰近工程成果綜合分析，設計流域的枯水徑流成果與草坪頭水文站基本一致，該成果符合地區(qū)規(guī)律。

查《貴州省地表水資源》上的有關等值線圖，設計流域多年平均年降水量1300 mm～1400 mm左右，徑流深600 mm～700 mm之間，徑流系數(shù)0.45～0.50之間，徑流變差系數(shù)0.25～0.30之間，而本次設計流域多年平均年面降水量均值為1398 mm，多年平均徑流深689 mm，徑流變差系數(shù)0.29，徑流系數(shù)0.49。與《貴州省地表水資源》上的有關等值線圖基本吻合。據(jù)前述水文站及壩址徑流分析可知，壩址最枯月、日流量模數(shù)也符合區(qū)域變化規(guī)律。

綜上所述，設計壩址處徑流成果符合地區(qū)規(guī)律，成果是合理的。

4 結論

通過上述分析，徑流計算綜合修正系數(shù)，主要考慮面積、逐年降水、徑流系數(shù)均值修正。徑流變差系數(shù)的選取，主要依據(jù)貴州省經驗公式法、等值線圖以及地區(qū)綜合法等成果，考慮到面積差異，結合地區(qū)變化規(guī)律以及本地區(qū)已建工程分析成果，綜合確定英武水庫壩址徑流變差系數(shù)Cv取0.29，偏態(tài)系數(shù)Cs取2Cv，上述分析徑流計算綜合修正系數(shù)以及變差系數(shù)選取，可為類似工程提供參考。