扶風縣蔡劉水庫設計洪水復核計算淺析

王海強，張甲棟，賈云龍

(咸陽水文水資源勘測中心，陜西 咸陽 712000)

蔡劉水庫位于扶風縣絳帳鎮古水村，屬小（2）型水庫，按照水利部（2003）271 號文“關于發布《水庫大壩安全鑒定辦法》的通知，做好水庫的安全評定工作，是保障水庫大壩安全運行的基礎性工作，扶風縣蔡劉水庫庫區淤積嚴重，進口已被掩埋，目前已無法使用，放水洞出口已被崩塌掩埋等。根據《水庫大壩安全管理條例》的有關規定，對水庫大壩進行全面的鑒定，其中最重要是大壩控制流域面積洪水復核計算，因此本文通過設計洪水復核計算，為蔡劉水庫安全鑒定提供科學依據。

1 概況

蔡劉水庫修建在古水村村莊西北方向一條溝道內，距縣城11 km，是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫。壩址以上控制流域面積21.266 km2，河長5.22 km，平均比降19.5‰。水庫處于平原地區，按照《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》計算產流方式，平原區地形地貌屬于蓄滿產流，產流較少。因此，本次復核洪水控制流域面積包含河道及兩邊河堤以外，依據地形1∶5000 地形圖比降為20‰，產流面積為1.35km2，河長1.97km，平均比降21.5‰。蔡劉水庫位于渭河左岸一無名溝內，溝道內無實測水文觀測資料，該河流洪水的形成，主要由流域內暴雨特性決定，其特點是峰高、量小、歷時短、峰形尖瘦。

蔡劉水庫工程于1958年10 月動工興建，1959年3 月主體工程完成并投入運用。原設計總庫容16.8 萬m3，滯洪庫容2.3 萬m3，興利庫容12.6 萬m3，死庫容為1.1 萬m3，屬Ⅴ等小（2）型工程。

2 設計洪水復核計算

2.1 復核依據

按照水利部（2003）271 號文“關于發布《水庫大壩安全鑒定辦法》的通知”精神確定復核內容，其復核依據為：《水庫大壩安全評價導則》（SL 258-2017）；《防洪標準》（GB 50201-2014）；《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）；《水利工程水利計算規范》（SL 104-2015）；《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）。

2.2 復核方法及標準

蔡劉水庫流域無實測資料和歷史調查洪水資料，對洪水復核計算采用“多種途徑，多種方法，綜合比較，合理選定”的原則，本次蔡劉水庫設計洪水，采用綜合參數法、面積比擬法、推理公式法等三種方法計算，綜合分析后確定采用成果。

經驗公式法和推理公式法依據《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》《寶雞市實用水文手冊》采用暴雨資料推求設計洪水和經驗公式法進行計算，推薦的有關特小流域洪水計算的方法；水文比擬法采用較為最近，且暴雨分區相同的漆水河設有安頭水文站作為參政站，由于蔡劉水庫流域面積與參證站控制流域面積超過±20%，但是蔡劉水庫流域降水、徑流和下墊面基本相似，可作為蔡劉水庫設計洪水復核計算參考成果。按照多種方法計算、綜合分析、合理選定的原則，確定設計和校核洪水。

防洪標準復核：蔡劉水庫總庫容16.8 萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫，工程等別為Ⅴ等。主要建筑物為5 級，次要建筑物為5 級，臨時建筑物為5 級。本次對照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）復核認為，蔡劉水庫的工程等別、建筑物級別以及洪水標準均滿足規范要求，本次復核防洪標準采用設計洪水按20年一遇洪水，校核洪水按照200年一遇洪水。

2.3 洪水復核分析計算

2.3.1 綜合參數法

依據《寶雞市實用水文手冊》提供的綜合參數法計算公式：

式中：Qp為設計頻率為p 的洪峰流量，m3/s；F 為設計流域面積，1.35 km2；J 為河道平均比降，21.5‰；H6p為設計頻率的6 小時暴雨量，mm。

設計平均雨量H6P的計算。依據《寶雞市實用水文手冊》查得H6的多年平均值為44.7 mm，相應的CV＝0.55，以CS=3.5CV計算相應的設計平均雨量見表1，根據綜合參數公式計算蔡劉水庫洪水復核成果見表2。

表1 6 小時暴雨量計算成果表

表2 洪峰流量經驗公式法設計洪水計算成果表

2.3.2 水文比擬法

蔡劉水庫所在流域內無實測的水文及雨量資料，其相鄰的干流漆水河設有安頭水文站，該站位于永壽縣店頭鎮好峙河村，控制流域面積1007 km2，有1971年～2020年共50年的水文觀測資料。

（1）調查歷史洪水

關于漆水河歷史洪水，1971年以來因工作需要，陜西省水文水資源勘測局安頭水文站、陜西省洪水匯編辦公室進行過大量的調查考證工作，1982年～1984年陜西省水利廳在進行全省洪水資料整編時，對這些成果又作了進一步考證，并編輯刊印于《陜西省洪水調查資料》（1984年)之中。經過翻閱地方水利志（洪水）資料，漆水河永壽縣段歷史上曾于1920年、1933年發生過2 場特大洪水。由于受人類活動影響，此段河道改道，調查斷面又無法作還原計算，故各次洪水均未能推流定量，僅有訪問記錄；按大小排序為1920年洪水最大，1933年洪水次之，實測最大的2014年洪水排第三。

（2）實測洪水資料分析與處理

漆水河安頭水文站設立于1971年設站，1992年斷面下遷到目前位置。是渭河左岸一級支流，控制站。漆水河發源于寶雞市麟游縣招賢鎮永豐村硬里溝，由溝里的山泉小溪匯聚而成，控制流域面積1007 km2。本次收集到安頭水文站1971年～2020年共50年的連續實測洪水系列，實測最大洪水為2014年8 月6 日554 m3/s。

①資料的可靠性分析

漆水河安頭站1971年～1989年洪水資料、1990年～2020水位及大斷面資料均為水文年鑒整編成果。該站測驗河段順直，斷面沖淤變化小，中低水及部分高水均采用流速儀測流，高水采用均勻浮標或中泓浮標法測流。經查閱幾場大水實測流量資料，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。

該站1971年～1989年的年最大流量系列資料、1990年～2020年最高水位系列資料連續，數據準確可靠。

②資料的一致性分析

安頭水文站控制斷面以上流域，該站斷面以上流域寶雞峽漆水河渡槽位于縣西南部漆水河中游龍塘溝龍巖寺南，是寶雞峽引渭工程中較大的建筑物。漆水河渡槽1969年9 月開工，1971年5 月竣工。渡槽橫跨漆水河兩岸，全長208.45 m，最大高度30 m。渡槽設計流量44 m3/s，校核流量55 m3/s，下游5 km是羊毛灣水庫，因此羊毛灣水庫不影響洪水資料，漆水河安頭站1971年～2018年年最大流量資料具有一致性。

③資料的代表性分析

a.系列豐枯變化分析

由安頭水文站年最大洪峰流量與歷時關系圖（見圖1）分析得出，在50年系列中，大洪水有2007年、2014年，一般洪水有1978年、1992年；枯水年有1972年、2016年。即安頭站50年洪水系列中包含有大、中、小水以及豐、平、枯時段的各種來水組合，實測洪水系列資料代表性較好，能滿足本次洪水頻率計算的需要。

圖1 安頭站歷年最大洪峰流量過程線

b.統計參數穩定分析

分別逐年累計計算安頭水文站年最大洪峰流量系列的累積均值、變差系數CV，并點繪其隨年際變化的過程線，見圖2。從圖2 看以看出，隨著系列值的增加，系列累積均值和變差系數CV均上趨于穩定的，由圖2 可以看出，從1982年以后，即當系列長度超過38年時，年最大洪峰流量累積均值逐漸趨于平穩，并不斷地向系列均值靠近，說明1980年～2020年系列的均值基本能夠代表總體的均值，系列長度可以滿足要求。從圖2可以看出，與累積均值變化趨勢相近，從2000年以后，變差系數CV趨勢穩定。隨著系列增長，趨于穩定，說明漆水河流域洪峰流量均值和變差系數CV值已穩定。

圖2 安頭站均值、變差系數CV與歷時曲線圖

差積曲線和距平線分析，點繪洪峰流量差積曲線和距平曲線圖，見圖3。從圖3 中可以看出，洪峰流量差積曲線為單峰型，表示形成系列的豐、枯歷時長，且變幅大，需要較長系列才可具有代表性，漆水河資料系列從1971年～2020年己達50年，具有很好的代表性。看出，不同重現期設計洪峰流量成果，《寶雞水文手冊》

圖3 安頭水文站最大流量差積曲線圖

（1988年）、陜西省水情分析參考資料比本次計算結果相比偏大較多；陜西省防汛手冊(2004)比本次計算結果相比偏小較多，原因是水文資料系列短，計算處的數據偏大或偏小；本次成果與陜西省《各基本站洪峰流量成果報告》的設計洪水成果都十分接近，并且資料系列長與防洪評價報告都已經水行政主管部門組織審查通過并批準實施。本次計算資料系列延長至2020年，其成果是合理可靠的，因此以本次計算結果為采用成果。

（3）安頭站設計洪峰流量計算。

通過對1971年～2020年安頭站最大洪峰統計，50年洪水系列進行頻率計算。按連續系列進行頻率計算，洪量統計參數的初值用距法計算。采用P-Ⅲ型曲線分析計算得安頭水文站統計參數如下，其統計參數為Qm平均值=112 m3/s，CV=2.0，CS=2.5CV。各頻率的設計流量成果詳見表3 和設計洪水頻率曲線見圖4。

表3 安頭水文站設計洪水計算成果表

圖4 安頭最大洪水頻率曲線圖

（4）設計洪峰流量的合理性檢查

本次收集到《省水文水資源勘測中心各基本站洪峰流量成果報告》（2011）、陜西省水情分析參考資料（1977年）、《寶雞市實用水文手冊》（1988年）和陜西省防汛手冊(2004)關于安頭水文站的頻率計算成果，并與本次計算成果加以比較，見表4。

安頭水文站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分析比較，見表4。從表中可以

表4 安頭水文站設計洪峰流量計算成果表

以安頭水文站為參證站，采用水文比擬法計算項目區設計洪峰流量。計算公式如下：

式中：Qm設、Qm參為分別為設計站和參證站洪峰流量，m3/s；F設、F參為分別為設計站和參證站集水面積，km2；n 為指數（設計與實測控制面積差小于5%時，n 取1.0；設計與實測控制面積差大于5%～7%時，n 取0.67。此處取0.67）。計算成果見表5。

表5 洪峰流量水文比擬法設計洪水計算成果表

2.3.3 推理公式法

推理公式法是由暴雨資料推求設計洪水計算方法。

（1）設計面雨量計算

根據《寶雞實用水文手冊》，設計暴雨歷時采用6 小時。從不同歷時點雨量等值線圖，可查得蔡劉水庫不同歷時的設計點雨量，由于蔡劉水庫壩址控制流域面積很小，直接以流域中心的點雨量作為面雨量，不再進行點面折減，見表6。

表6 蔡劉水庫壩址以上設計雨量表

（2）設計面降雨過程

根據《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》查蔡劉水庫所在區渭河Ⅱ北區的設計暴雨的雨型分配，計算蔡劉水庫壩址的設計面降雨過程見表7、表8。

表7 蔡劉水庫壩址P=0.5%凈雨過程計算表

表8 蔡劉水庫壩址P=5%凈雨過程計算表

由于壩址以上流域面積很小，本次設計不作流域形狀改正。

（3）產流過程

根據流域所在的產流分區渭河Ⅱ北區，按超滲產流模型，取前期影響雨量Pa=50 mm。根據平均入滲率和土壤含水量關系式推求。

（4）凈雨過程

設計暴雨逐時段扣除入滲損失和時段平均潛流量，潛流百分數取15%。

（5）設計洪水洪峰流量計算

根據《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》產匯流分區圖蔡劉水庫流域屬于渭河Ⅱ北區，則：

式中：L 為壩址以上河長，km；F 為壩址以上流域面積，km2；J 為壩址以上河道平均比降。

計算得到蔡劉水庫壩址以上流域不同頻率的匯流參數。

再根據匯流參數計算匯流歷時：τ=0.278L/（mJ1/3Qm1/3），得到Qm～τ 關系曲線如表9 和表10。

表9 Qm～τ 關系曲線（P=0.5%，m=0.40）

表10 Qm～τ 關系曲線（P=5%，m=0.43）

再由凈雨過程計算P=0.5%、P=5%的Qm～t 關系曲線，Qm～t關系曲線見表11 和表12。

表11 P=0.5%的Qm～t 關系曲線

表12 P=5%的Qm～t 關系曲線

計算公式：Qm=0.278（∑ht/t）F

將Qm～τ 曲線和Qm～t 曲線點繪于同一張圖上，見圖5 及圖6。曲線交點的縱坐標即為洪峰流量，橫坐標為匯流歷時，并回加潛流，潛流峰值采用Q潛=0.556R潛F/T 計算，可得洪峰流量為：

圖5 蔡劉水庫壩址P=0.5% Qm-τ與Qm-t 關系曲線

圖6 蔡劉水庫壩址P=5% Qm～τ與Qm～t 關系曲線

根據推理公式計算洪峰流量計算結果見表13。

表13 洪峰流量推理公式法設計洪水計算成果表

3 設計洪水成果選用

將綜合參數法、水文比擬法和推理公式法對蔡劉水庫洪水復核計算成果匯總見表14。

表14 蔡劉水庫設計洪水復核成果匯總表 單位：m3/s

從表14 中可以看出：采用以上洪水復核計算方法成果差異較大，綜合參數法偏大，主要原因是考慮的水文參數較少，成果偏差較大。比擬法偏小，主要是與參證站控制流域面積相差太多，水文比擬成果精度不高。推理公式法的計算結果較為合理，考慮推理公式法是我省無資料地區設計洪水推求最常用的方法之一，并從工程的安全角度考慮，因此本次洪水復核計算采用推理公式法的計算結果。

4 結語

蔡劉水庫屬小（2）型水庫，現庫區淤積嚴重，對其進行安全鑒定和除險加固，本文結合《水庫大壩安全鑒定辦法》要求，分析蔡劉水庫設計洪水復核，采用渭河Ⅱ北區的設計暴雨產流過程，對蔡劉水庫產流面積計算、防洪標準分析結果，按20年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核，確定蔡劉水庫設計洪水復核。