大型水庫對葛溝水文站年最大洪水削峰作用淺析

董西芳

一、引言

2020年8月13日至8月14日，受副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流和冷空氣共同影響，沂河葛溝水文站以上流域平均降水量231.2mm，葛溝水文站實測最大流量6320m3/s，為1960年以來最大（1960年實測最大流量8620m3/s，當時水庫未攔蓄）。本次強降雨前，臨沂市防指統籌考慮水庫安全和下游河道承洪能力，對大中型水庫水量提前預泄，對骨干河道攔河閘壩依次提閘或落壩；強降雨期間，實施庫河洪水統籌調度，充分發揮水庫的攔洪、削峰、錯峰作用，最大限度減輕下游河道防洪壓力。為進一步探究上游水庫在本次洪水中所發揮的作用，量化防洪效益，本文從洪水還原的角度，對上游大型水庫的削峰作用進行分析，并拓展到葛溝水文站歷年年最大洪水，以期為未來大洪水防御工作提供參考。

二、流域水庫概況

葛溝水文站是沂河干流重要控制斷面，流域面積5533.4km2，河道干流長182.5km，干流平均坡度1.14‰，流域形狀呈扇形。流域內地勢西北高東南低，山區面積約占65%，丘陵平原區面積約占35%。

葛溝水文站以上流域建有3 座大型水庫（田莊、跋山、岸堤）及7 座中型水庫（紅旗、寨子山、寨子、高湖、黃土山、朱家坡、張莊），總控制面積3602.39km2，總庫容14.9678 億m3，總興利庫容8.4552 億m3。流域內建有小（一）型水庫12 座，控制流域面積106km2，總庫容0.2041 億m3，興利庫容0.1198 億m3；小（二）型水庫57 座，控制流域面積112km2，總庫容0.1433 億m3，興利庫容0.0783億m3。其中田莊、跋山、岸堤3 座大型水庫的調洪庫容之和為7.9919 億m3，占大中型水庫總調洪庫容8.3663 億m3的95.5%，7 座中型水庫的調洪庫容之和僅占4.5%，說明對洪水的調蓄作用主要體現在大型水庫。小型水庫及攔河閘壩對洪水的調蓄能力更低，故本文只分析大型水庫對洪水的調蓄影響，不考慮中小型水庫及攔河閘壩工程對洪水的調蓄影響。

三、年最大洪水還原方法

洪水還原分析首先基于水量平衡原理計算出其上游各水庫攔蓄流量過程，再利用馬斯京根分段連續流量演算法將上游各水庫攔蓄流量過程匯流演算到葛溝水文站，與葛溝站實測流量過程疊加，即得到其天然洪水流量過程，原理如式（1）所示。

式中，Q還表示設計斷面t 時刻天然洪水流量，m3/s；Q實表示設計斷面t 時刻實測洪水流量，m3/s；ΔQi表示設計斷面上游水庫i 匯流演算到設計斷面的計算時段內攔蓄流量，m3/s；n 表示設計斷面上游水庫個數。

（一）水量平衡原理

由水量平衡原理可知，在某一時段內（Δt=t2-t1），進入水庫的水量與水庫下泄水量之差，應等于該時段內水庫蓄水量的變化值，轉變為水庫攔蓄流量的表達形式，如式（2）所示。

式中：Q1、Q2表示水庫計算時段初、末入庫流量，m3/s；q1、q2表示水庫計算時段初、末出庫流量，m3/s；ΔQ表示水庫計算時段攔蓄流量，m3/s。

（二）馬斯京根分段連續流量演算法

上游水庫攔蓄流量向下游演進采用馬斯京根分段連續流量演算法。其主要原理如下：

1.在Kl=Δt的前提下，用式（3）計算匯流參數：

式中：n為上下游兩站間單元河段數；K為上下游兩站間穩定流傳播時間（h）；Δt為河道匯流演算時段長（Δt=1h）；Kl為單元河段穩定流傳播時間（h）；L為上下游兩站間河段長（km）；Ll單元河段長（km）；Xl為單元河段流量比重因數；l為上下游兩站間特征河長（km）。

2.在Kl=Δt的前提下，各單元河段間的河道匯流用式（4）計算：

式中：I1、I2分別為單元河段始、末入流量（m3/s）；O1、O2分別為單元河段始、末出流量（m3/s）；C0、C1、C2為單元河段演算系數，分別用式（5）計算：

有了Xl之后，即可用式（5）計算出C0、C1、C2。n個單元河段連續用式（6）作單元河段匯流演算，即可推導得上斷面在零時刻有一個單位入流量時，在第n個單元河段出口所形成的出流過程，這一出流過程數列，就是馬斯京根法河槽匯流系數：

式中：n為單元河段數；m為匯流系數所對應的時段數；P0n為單元河段數為n的零時段匯流系數；Pmn為單元河段數為n的第m段匯流系數。

3.有了馬斯京根河槽匯流系數Pmn，即可按倍比、疊加原理采用式（7）通用卷積公式將上游水庫的下泄流量過程q（i）匯流演算到下游控制斷面。

式中：Qt為下游控制斷面匯流來水過程（m3/s）；qi為上游水庫下泄流量過程（m3/s）；k為上游水庫下泄流量個數。

本文上下游兩站間的特征河長、穩定流傳播時間均采用《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》中的最新成果。

四、年最大洪水削峰作用分析

（一）多年平均削峰作用

選取水庫建成后的1961—2020年葛溝水文站歷年最大洪水資料，采用前述年最大洪水還原方法，還原得到葛溝水文站天然洪水過程，繪制歷年實測、還原最大流量比較圖，見圖1。

根據實測和還原后的最大流量，計算水庫的消減洪峰情況，見表1。

由表1 可知，1961—2020年，上游3 座大型水庫對葛溝水文站年最大洪水的多年平均削峰百分比為29.0%。

（二）典型洪水削峰作用

由圖1 可以看出，水庫建成后的1961—2020年，葛溝水文站前3 位洪水分別發生在1963年、1974年和2020年，3 場典型洪水大型水庫的攔蓄作用見表2，消減葛溝站洪峰流量情況見表3。

圖1 葛溝水文站歷年最大洪水還原前、后比較圖

表2 典型洪水大型水庫攔蓄作用統計表

表3 典型洪水大型水庫消減葛溝站洪峰流量情況表

由表2、表3 可以看出：越是大洪水，水庫的削峰作用越顯著。如：1963年7月19日洪水中，田莊、跋山、岸堤水庫的最大入庫流量分別為1603m3/s、4469m3/和6500m3/s，最大出庫流量分別為375m3/s、1100m3/和538m3/s，水庫本身削峰百分比分別為76.6%、75.4%和91.7%；消減葛溝站洪峰流量8206m3/s，削峰百分比達62.1%。

1974年8月14日洪水中，消減葛溝站洪峰流量3564m3/s，削峰百分比為40.4%。2020年8月14日洪水中，消減葛溝站洪峰流量2470m3/s，削峰百分比為28.1%。

2020年8月14日洪水中，岸堤水庫來水量最大，最大入庫流量5263m3/s，最大出庫流量1020m3/s，水庫本身削峰百分比為80.6%。岸堤水庫入庫、出庫流量過程線見圖2，葛溝水文站實測、還原流量過程線見圖3。

圖2 2020年8月14日洪水岸堤水庫入庫、出庫流量過程線圖

圖3 2020年8月14日洪水葛溝水文站實測、還原流量過程線圖

五、結論

通過分析發現，1961—2020年，上游3 座大型水庫對葛溝水文站年最大洪水的多年平均削峰百分比為29.0%。越是大洪水，水庫的削峰作用越顯著。水庫的消峰作用減輕了下游河道的防洪壓力，保護了沿河兩岸人民生命財產安全，今后隨著上游水庫群聯合調度不斷優化，消峰效益將愈加凸顯■