享堂水文站洪峰流量還原計(jì)算分析

蔣雪琴，胡進(jìn)寶

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 西安 710075）

1 概述

人類活動(dòng)迅速而劇烈地改變著自然界,如植樹造林、堤防工程、水電站、水庫(kù)泄放水等,進(jìn)而改變了原有的下墊面情勢(shì)和水流形態(tài),導(dǎo)致流域產(chǎn)匯流特性與原始自然地形地貌具有很大的不同。關(guān)于這方面的研究成果較多,如關(guān)于人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響[1-4]、水泥條件改變[5-6]、河槽演變沖淤變化[7-8]等,上述活動(dòng)有些有利于工程安全,如穩(wěn)定了河槽,岸線不易變遷,使位于灘地的工程更加安全；但是多數(shù)情形下則可能使原先安全的工程重新處于不安全狀態(tài)[9-11]。這些人類活動(dòng),如果在設(shè)計(jì)期間具有預(yù)判,采取了相應(yīng)措施,則可以避免后續(xù)的改變；反之如不加以考慮,輕則可能使工程返工,重則發(fā)生安全、質(zhì)量事故。本文以享堂水文站為例,分析人類活動(dòng)對(duì)洪峰流量所產(chǎn)生的影響,并通過分析與上游水文站洪峰流量資料之間的關(guān)系,對(duì)享堂水文站洪峰流量進(jìn)行還原,以還原到受水電站影響前的洪峰流量,從而為如何有效解決該類問題提供有益參考。

2 基本概況

享堂水文站是流域機(jī)構(gòu)設(shè)立在大通河的唯一一個(gè)國(guó)家基本水文站,始建于1939 年,其主要任務(wù)是掌握大通河流域水沙變化規(guī)律,為工農(nóng)業(yè)建設(shè)積累水文資料,同時(shí)為國(guó)家防總及黃河防總及時(shí)提供水文情報(bào)。享堂水文站位于甘肅省民和縣川口鎮(zhèn)享堂村,控制流域面積15130 km2,至河口距離1.9 km。

3 水文資料系列

享堂水文站建站較早,本次共收集了該站1952 年~2019 年連續(xù)的洪峰流量資料系列,同時(shí),調(diào)查得到該站1898 年洪峰流量資料,為1730 m3/s,上述資料序列滿足計(jì)算分析要求,作為分析計(jì)算依據(jù)。

2005 年以后享堂水文站洪峰流量較上游連城水文站有所減小,分析認(rèn)為享堂峽水電站相對(duì)徑流式發(fā)電站來說較大,但無調(diào)蓄能力。如果蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí),若需排空,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,則只要幾分鐘就排出。地處其大壩下游不足400 m處享堂水文站測(cè)流斷面,根本無法布置測(cè)次控制洪峰過程[12-13]。

4 洪峰流量還原計(jì)算

4.1 洪水資料“三性”分析

1）可靠性分析

連城、享堂水文站建站時(shí)間較早,測(cè)驗(yàn)河段順直,斷面基本穩(wěn)定,測(cè)驗(yàn)條件相對(duì)較好,測(cè)驗(yàn)精度較好。測(cè)驗(yàn)成果逐年進(jìn)行在站整編、會(huì)審等工作程序,整編成果正式刊印成冊(cè),資料可靠。

2）一致性分析

大通河流域多年來沒有修建較大的水利工程,近年來流域水土保持工作對(duì)產(chǎn)流條件有一定改變,但對(duì)河道流量沒有實(shí)質(zhì)性改變,且主要是對(duì)中小洪水的影響,對(duì)大洪水的洪峰流量影響不大,可以認(rèn)為歷年流量資料具有一致性。

享堂水文站上距享堂峽水電站約250 m~300 m,距攔水壩及泄洪閘約300 m~400 m,該水電站的建成改變了享堂水文站的水文測(cè)驗(yàn)特性。連城水文站、享堂水文站洪峰流量隨時(shí)間變化規(guī)律見圖1。

圖1 連城水文站、享堂水文站洪峰流量隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖1可以明顯看出,2005 年以后,享堂水文站洪峰流量較連城水文站偏小,分析原因主要是由于享堂水文站水文測(cè)驗(yàn)受上游水電站泄水影響所致。

3）代表性

（1）系列豐、枯變化規(guī)律分析

繪制連城水文站年最大洪峰流量與歷時(shí)關(guān)系圖,見圖2。

圖2 連城水文站歷年最大洪峰流量過程線圖

在 57 年洪水系列中,連城水文站大洪水年有1974 年、1989 年、2006年、2013年等,一般洪水年有1970年、1990年、2002年、2008年、2009年、2011年、2012年、2014年,枯水年有1973年、1979年、1985年、2004 年等。 繪制享堂水文站年最大洪峰流量與歷時(shí)關(guān)系圖,見圖3。

圖3 享堂水文站歷年最大洪峰流量過程線圖

在68 年洪水系列中,享堂水文站大洪水年有1974年、1989 年等,對(duì)比圖1,2005 年以后洪峰流量享堂水文站較連城水文站均有所減小。黃委會(huì)上游水文水資源局陳建宏等人分析享堂峽水電站無調(diào)蓄能力。如果蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí),若需排清,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,則只要幾分鐘就排出。地處其大壩下游不足400 m處享堂水文站測(cè)流斷面,根本無法布置測(cè)次控制洪峰過程。

（2）均值、Cv值與歷時(shí)關(guān)系分析

計(jì)算連城水文站正時(shí)序累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點(diǎn)繪與歷時(shí)關(guān)系圖,見圖4和圖5。從圖上可以看出,系列越短,變幅越大,隨系列增長(zhǎng),均值的變幅越來越小,最后趨于穩(wěn)定；同樣對(duì)于變差系數(shù),年份系列越短時(shí),變幅越大,隨著年份的逐漸增加,Cv值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 連城水文站洪峰流量均值與歷時(shí)關(guān)系

圖5 連城水文站Cv與歷時(shí)關(guān)系

計(jì)算享堂水文站正時(shí)序累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點(diǎn)繪與歷時(shí)關(guān)系圖,見圖6 和圖7。從圖上可以看出,系列越短,變幅越大,隨系列增長(zhǎng),均值的變幅越來越小,最后趨于穩(wěn)定；同樣對(duì)于變差系數(shù),年份系列越短時(shí),變幅越大,隨著年份的逐漸增加,Cv值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 享堂水文站洪峰流量均值與歷時(shí)關(guān)系

圖7 享堂水文站Cv與歷時(shí)關(guān)系

4.2 洪峰流量計(jì)算

收集了連城水文站1953年~1957年、1968年~2019年兩個(gè)系列的洪峰流量資料,合并使用。收集了享堂水文站1952年~2019年連續(xù)的洪峰流量資料系列,同時(shí),調(diào)查得到該站1898年洪峰流量資料,為1730 m3/s。

根據(jù)前述分析,享堂水文站受上游水電站運(yùn)行影響,導(dǎo)致洪峰流量明顯偏小,點(diǎn)繪連城水文站和享堂水文站1968年~2005 年洪峰流量資料,見圖8,從圖中可以看出,兩水文站洪峰流量存在明顯的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)相關(guān)成果,對(duì)享堂水文站2005 年以后洪峰流量進(jìn)行還原,以還原到受水電站影響前的洪峰流量。

圖8 連城、享堂水文站1968年～2005年洪峰流量相關(guān)關(guān)系

根據(jù)上述資料，采用P-Ⅲ型頻率曲線適線，結(jié)果見表1。

表1 參證站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

5 成果合理性分析

享堂水文站由于受水電站運(yùn)行影響,導(dǎo)致實(shí)測(cè)洪峰流量偏小,采用還原后享堂水文站頻率適線成果。

與《湟水流域綜合規(guī)劃》中大通河干流連城、享堂水文站100年一遇洪水流量計(jì)算成果對(duì)比,本次適線成果與該規(guī)劃基本一致。

從連城水文站、享堂水文站適線成果及上下游關(guān)系看,洪峰流量、洪量的平均值及同頻率設(shè)計(jì)值從上游向下游遞增,但上下游相差不大,符合大通河流域的洪水特性。

因此,還原后的洪水計(jì)算成果是合理的。