水庫調蓄削峰影響河段設計洪水計算淺析

李斐波

(貴州三策工程設計咨詢有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 流域及水庫概況

六洞河屬長江流域沅江水系，為清水江的一級支流，發源于鎮遠縣金堡鄉境內，由西北向東南流經三穗、劍河、天柱、錦屏等縣，在錦屏縣三江鎮匯入清水江。六洞河全流域面積2070 km2，主河道全長179 km，多年平均流量42.2 m3/s，天然落差551 m，平均比降2.96‰。

根據塘沖水庫設計資料，其壩址以上集水面積185 km2，主河道長28.1 km，平均比降6.29‰，設計總庫容5225萬m3。水庫正常高水位702.0 m。溢流堰上設4個橋墩，橋墩寬2.0 m，溢洪道凈寬35.0 m，流量系數取0.48。2013年10月，塘沖水庫工程正式開工；2016年12月，大壩主體工程建設完工；2018年初，水庫試蓄水成功；2019年底，水庫正式完成蓄水。

六洞河流域內已建的水利水電工程中，僅塘沖水庫具有較為明顯的調蓄削峰作用，其他小水庫、小山塘控制集雨面積小，且調蓄作用微弱，本次洪水組合計算不予考慮其他小工程的削峰影響。結合三穗縣規劃新區防洪體系建設需要，選取的塘沖水庫壩址及其下游治理河段各控制斷面的設計流域參數特征見表1[1]。

2 暴雨洪水特性

設計流域為山區雨源型河流，洪水由暴雨形成，形成暴雨的主要天氣類型是冷鋒低槽和兩高切變類，暴雨特性是量級大、歷時短[2]。由于設計流域地勢陡峭，河谷窄狹，坡陡流急，兩岸為懸巖絕壁，故槽蓄作用小而造峰能力大，每遇暴雨，易形成暴漲暴落的洪水，因此，歷時短、強度大的暴雨較多，易形成暴漲暴落的洪水，洪峰流量大，持續時間短，洪水歷時一般在1～2 d，洪水多發生在5—7月。根據三穗氣象站1958—2015年共計58年實測暴雨資料分析，日降水量在100 mm以上的大暴雨僅出現5次；設計流域暴雨天氣一般發生在每年的5—8月，發生概率79.3%。

3 設計洪水

3.1 設計暴雨

設計流域有三穗氣象站、六洞橋水文站，六洞橋水文站屬六洞河流域水文控制站。

表2 設計流域設計暴雨成果

3.2 天然設計洪水計算

(1)水文比擬法計算各控制斷面天然設計洪水。根據六洞橋水文站(F=788 km2)1965—2015年共51年洪峰流量資料系列，加入1936年(1310 m3/s)，1933年(1020 m3/s)歷史洪水，組成不連序系列，采用統一處理法進行頻率分析計算，得六洞橋水文站Q六洞橋=408 m3/s，Cv=0.56，Cs=4Cv。

由六洞橋水文站洪峰流量通過面積比法換算到控制斷面，推求控制斷面的洪峰流量, 洪峰面積指數n取2/3[3]，見式(1)：

Q斷面=Q六洞橋(F斷面/F六洞橋)2/3

(1)

式中：Q斷面為斷面洪峰流量均值，m3/s；Q六洞橋為六洞橋水文站洪峰流量均值，m3/s；F斷面為斷面以上控制集雨面積，km2；F六洞橋為六洞橋水文站控制集雨面積，km2。

考慮到六洞橋水文站與控制斷面的流域面積有所差異，設計流域洪峰Cv應比六洞橋水文站洪峰Cv略大，Cv修正值ΔCv采用公式計算，見式(2)[4]：

ΔCv=-0.15[lg(F斷面)-lg(F六洞橋)]

(2)

經計算，采用水文比擬法計算各控制斷面天然設計洪水成果見表3。

表3 采用水文比擬法計算各控制斷面天然設計洪水成果

(2)雨洪法計算各控制斷面天然設計洪水。因本流域屬無資料地區，設計流域各控制斷面的設計洪水采用《貴州省暴雨洪水計算手冊(修訂本)》上的雨洪法[5]進行計算，其計算公式如下：

當25 km2

QP=

(3)

當25 km2≤F<300 km2，且θ>30，QP見式(4)：

QP=

(4)

式中：Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；KP為設計頻率P的P-Ⅲ型曲線的模比系數；γ1為匯流系數，設計流域以山區間山丘為主，少量巖溶，植被一般，θ<30時，取0.38,θ>30時，取0.064；θ為流域的幾何特征值，θ=L/(J1/3F1/4)；f為流域形狀系數，f=F/L2；J為分水嶺至出口斷面的主河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2；C為洪峰徑流系數，取0.618～0.824；H24為年最大24 h點雨量均值，mm；暴雨衰減指數n2=0.80，產匯流分區Δn2為Ⅱ區。

據此，雨洪法計算得到各控制斷面天然設計洪水成果如表4。

表4 雨洪法計算得到各控制斷面天然設計洪水成果

(3)天然設計洪水比選及合理性分析。從“水文比擬法”及“雨洪法”成果來看(表5)，兩種方法計算的洪水成果基本接近，以下德明斷面為例，P=2%～20%頻率設計洪水洪峰流量相差僅2.19%～4.90%，其中P=20%設計洪峰流量相差4.90%最大。結合歷史洪水調查成果，塘沖水庫、下德明斷面重現期為30 a的2004·7洪峰流量分別為404 m3/s、453 m3/s，與雨洪法成果P=3.33%

表5 水文比擬法、雨洪法設計洪水對比成果

設計洪水成果相差僅3.71%、2.65%?？梢姡瑥牡貐^洪水規律、歷史洪水調查成果相符性分析，本次采用兩種方法計算得到的各控制斷面天然設計洪水成果是合理的。

塘沖水庫基于設計洪水偏大偏安全角度考慮，選擇雨洪法計算成果作為塘沖水庫壩址斷面的天然設計洪水成果。此外，從防洪工程設計洪水偏大偏安全、設計成果一致性方面綜合考慮，本次計算塘沖水庫下游受水庫調蓄削峰影響河段的各控制斷面的天然設計洪水成果均采用雨洪法成果進行分析計算。

3.3 設計洪水組合計算

3.3.1 區間洪水同頻+塘沖水庫相應下泄流量

(1)塘沖水庫相應下泄流量計算。為明確塘沖水庫的相應削峰作用，需計算其相應洪水調節成果。塘沖水庫的相應洪水過程線為各控制斷面的同頻洪水過程線減去各控制斷面區間的同頻洪水過程線，再將得到的塘沖水庫相應洪水過程線進行洪水調節計算，經水庫洪水調節后的各控制斷面相應下泄洪水過程成果見表6。

表6 各控制斷面塘沖水庫相應下泄流量成果

(2)洪水組合。塘沖水庫壩址距離下德明斷面8.2 km，距離高寨斷面15 km，距離三穗大橋斷面16.5 km，根據貴州省山區河流洪水傳播計算經驗，塘沖水庫壩址相應洪水經調洪下泄后傳播到各控制斷面與各控制斷面相應的區間設計洪水進行錯峰疊加，由此得到各斷面設計洪水成果，見表7。

表7 方法一組合洪水設計洪峰流量成果

3.3.2 塘沖水庫同頻下泄流量+區間洪水相應

(1)塘沖水庫同頻下泄流量。根據塘沖水庫設計資料，并經本文調洪復核，塘沖水庫壩址同頻洪水經調洪后的各頻率下泄流量成果見表8。

(2)區間洪水組合。各控制斷面區間相應洪水過程線為各斷面的同頻洪水過程線減去塘沖水庫的同頻洪水過程線，再與塘沖水庫同頻洪水調洪后的下泄洪水過程線進行錯峰疊加，由此得出各斷面設計洪水成果，見表9。

表8 塘沖水庫壩址同頻洪水調洪后下泄流量成果

表9 方法二組合洪水設計洪峰流量成果

3.3.3 組合洪水選用及合理性分析

通過對洪水組合分析，方法一計算的設計洪水成果比方法二計算的設計洪水成果要稍小，從河道治理工程設計洪水偏大偏安全角度考慮，采用方法二的計算成果。

從暴雨統計參數來看，以三穗氣象站為主要參證站，暴雨統計參數與《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中相關暴雨等值線圖是吻合的；從區域綜合分析看，下德明控制斷面天然設計洪水P=5%～20%洪峰模數[6]為11.10～6.63 m3/(s·km2)(洪峰面積影響指數n=0.67)，考慮水庫調蓄削峰后的P=5%～20%設計洪水削峰率為12.2%～13.9%，相應洪峰模數為9.77～5.71 m3/(s·km2)，削峰組合后的設計洪水洪峰模數小于天然洪水洪峰模數，亦符合洪水匯流規律；同時，各控制斷面天然洪峰模數符合貴州省特小流域洪峰流量模數分布規律，故洪水成果是合理的。

4 結 論

(1)從工程的安全角度考慮，設計洪水計算成果要安全可靠，且符合設計流域的洪水特性。工程設計洪水的計算應采用水文比擬法、雨洪法(或其他方法)等多種方法進行對比分析，并結合歷史洪水調查成果復核其設計洪水成果的合理性。

(2)采用水文比擬法計算設計洪水時，因水文參證站控制流域面積與控制斷面控制的流域面積存在集水面積上的差異，因此，應結合控制斷面的歷史洪水調查成果及雨洪法計算成果，適當考慮集雨面積以對Cv值進行分級修正。

(3)與天然情況相比，考慮塘沖水庫調蓄削峰影響的不同頻率下各控制斷面設計洪水均減小，且隨著區間流域面積的增加，水庫調蓄削峰影響呈逐漸減弱趨勢——下德明P=5.00%削峰率為12.20%，至三穗大橋P=5.00%削峰率為8.55%。從水庫下游河段防洪安全、工程經濟角度等綜合考慮，通常情況下應考慮采用受水庫調蓄削峰影響的洪水組合方案中偏安全的設計洪水計算成果方案。

本文簡述的方法對貴州省其他受水庫調蓄削峰影響的流域設計洪水計算有一定的參考意義。