湖北省云溪水庫設計洪水分析

陳亞健,瞿蘭蘭

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局,湖北 武漢 430010)

0 引 言

水庫設計洪水成果在工程的除險加固階段至關重要,可為工程的加固建設規模以及后續運行管理方案的制訂提供參考。無實測流量資料的水利工程一般采用雨量資料計算暴雨參數進行暴雨設計,再用設計暴雨推求設計洪水[1-3]。

云溪水庫位于陸水上游支流菖蒲港分支云溪港上,是一座以灌溉為主,兼有防洪、供水、發電等任務的中型水庫。主壩壩址坐落在通城縣關刀鎮上游12 km處,距通城縣城18 km。水庫控制流域面積48.3 km2,總庫容4 621萬m3。云溪水庫地理位置重要,水庫下游保護通城縣城、106國道等重要城鎮及基礎設施,保護耕地0.33萬hm2(5萬畝),保護人口8萬。云溪水庫于1970年1月經湖北省水利廳及咸寧地區水利局批準,由通城縣水電局設計,于1970年7月23日正式開工,1971年6月基本建成,后經1973～1983年和2003年兩次加固形成現有規模。云溪水庫于2004年開展除險加固工程,該次設計洪水計算首先通過查詢《湖北省暴雨徑流查算圖表》和《湖北暴雨統計參數圖集》來確定暴雨設計參數,同時采用通城站1958～2003年1,6,24 h實測暴雨資料進行頻率分析,后續采用推理公式法和瞬時單位線法推求設計洪水,最終采用瞬時單位線法成果。水庫投入運行以來,為通城縣的經濟發展做出了較大貢獻。2015年8月,水利部大壩安全管理中心對云溪水庫三類壩安全鑒定成果進行了書面核查和現場核查,同意云溪水庫大壩為三類壩的結論,提出需要進行除險加固。除險加固需要對水庫設計洪水進行計算,分析最不利情況下的工程安全情況[4]。茹浚威[5]通過流域暴雨資料和設計洪水參數對李夫田水庫除險加固工程設計洪水復核計算,并進行調洪分析。代超等[6]通過鄰近站的暴雨資料確定暴雨參數,并對比分析了查圖法、推理公式法和水文比擬法的設計洪水結果。柴揚[7]在對渠首工程除險加固工程洪水分析計算時,采用P-Ⅲ曲線確定參證站的統計參數并計算了洪峰流量。樊孔明等[8]在對棉花灘水庫設計洪水復核計算時,修正了洪水資料的一致性再計算洪水頻率。由于云溪水庫沒有流量資料系列,本文根據暴雨資料推算設計洪水[9-10],通過查圖和實測資料兩種方法推求設計暴雨,采用推理公式法和瞬時單位線法分別計算洪水,并與原除險加固成果進行對比,旨在為云溪水庫除險加固工程提供參考。

1 流域水文氣象特性

陸水流域氣候溫和,平均氣溫16.1 ℃,實測最高氣溫39.1 ℃,最低氣溫-15.2 ℃,多年平均最大風力10級,風向為東南。云溪河屬雨洪河流,水量豐沛,多年平均降雨量為1 600 mm,多年平均雨日為120 d,實測最大年降雨量達2 600 mm,最小年降雨量1 100 mm。云溪水庫多年平均入庫徑流量為4 070萬m3,徑流年內分配不均,3～8月徑流量占年徑流總量的80%,5～6月最為集中,占40%。云溪河洪水多發生在6～7月,系梅雨期大暴雨形成。根據本次對云溪水庫降雨洪水統計資料分析,云溪水庫建庫前后,流域暴雨洪水特征基本一致。

2 設計暴雨

根據2008年的《湖北省暴雨徑流查算圖表》《湖北暴雨統計參數圖集》(簡稱“《圖表》《圖集》”),查出1,6,24 h暴雨設計參數,同時采用通城站1958～2021年1,6,24 h實測暴雨資料進行頻率計算,頻率曲線見圖1～3,成果見表1。本次將系列延長至2021年后,其中1999年出現特大暴雨,6,24 h降雨量分別為234.6,384.6 mm;2011年出現特大暴雨,6,24 h降雨量分別為250.0,276.5 mm;2016年出現特大暴雨,6,24 h降雨量分別為227.5,263.5 mm。這3 a最大24 h暴雨均達到特大暴雨標準,相當于20～100 a一遇,結合實測洪水對比分析,1999,2011,2016年洪水量級只相當于20 a一遇洪水,因此本次暴雨頻率計算中不作特大值處理。

表1 云溪水庫設計暴雨

注:Ex為均值,Cv為變異系數,Cs為變差系數。圖1 通城站最大1 h頻率曲線Fig.1 Maximum 1 h frequency curve of Tongcheng Station

圖2 通城站最大6 h頻率曲線Fig.2 Maximum 6 h frequency curve of Tongcheng Station

圖3 通城站最大24 h頻率曲線Fig.3 Maximum 24 h frequency curve of Tongcheng Station

對暴雨資料和設計成果再次復核,對1,6,24 h的暴雨設計參數Cv進行了調整,使不同時段的Cv之間合理協調,經復核后,采用本次暴雨設計成果。

本次1 h設計暴雨成果與《圖表》和原除險加固成果相當,6,24 h設計暴雨成果有所增加。本次暴雨設計成果比《圖表》和原除險加固成果有所增加。從設計安全角度考慮,推薦采用本次通城站設計暴雨成果作為云溪水庫設計洪水成果復核依據。

3 云溪水庫設計洪水推求

云溪水庫沒有流量資料系列,只能根據暴雨資料推算設計洪水。根據SL 44-2006《水利水電工程設計洪水規范》,《圖表》和《圖集》由相關部門審定發布,可作為計算設計洪水的一種依據。按照“一法為主、多法比較、合理選用”的原則,采用推理公式法和瞬時單位線法分別計算洪水,并綜合選用[11]。

3.1 推理公式法

《圖表》以原水科院推理公式方法為基礎,采用湖北省編制的設計暴雨參數,根據具體情況在某些計算環節上作了一些改進,推得設計條件下全面匯流的洪峰流量計算公式[12]為

(1)

3.2 瞬時單位線法

云溪水庫屬于《圖表》中瞬時單位線分片的第Ⅱ片區,參數m,n的地區綜合經驗公式[13]為

m=0.82F0.29×L0.23×J-0.2

(2)

因為J>5‰,則:

n=0.34F0.25/J-0.2

(3)

式中:m,n為與匯流有關的參數;F為流域面積,km2;L為主河道長度,km;J為主河道坡降,‰。m值已參照《圖表》中所列公式及表格作了非線性改正。

由S(t)查算表,將瞬時單位線轉換成1 h 10 mm的時段單位線,再按《圖表》中給出的雨型、前期影響雨量及穩滲、地下水計算經驗公式即可推得各種頻率的設計洪峰流量。

3.3 成果對比分析

對不同的設計洪峰流量成果列表進行分析,見表2。原除險加固成果中,3.33%頻率下的設計洪峰流量進行了非線性改正,而本文計算時按照手冊要求,對頻率2%以上的成果未作線性修正。云溪水庫鄰近的百丈潭水庫集水面積為21.5 km2,千年一遇洪峰模數29.6 m3/(s·km2),云溪水庫千年一遇洪峰模數28.9 m3/(s·km2)。兩者相比,云溪水庫洪峰模數較百丈潭水庫要小。一般情況下,隨著面積增大,洪峰模數減小,成果符合一般規律。總體來看,本次采用推理公式法及瞬時單位線法推求的設計洪峰流量成果與原除險加固成果基本一致。同時,利用收集的湖北省小流域設計洪水洪峰Qm與面積F關系圖(圖4)可以看出,本次計算的0.1%,1%頻率下的設計洪峰流量值位于0.1%～1%外包線之間,表明成果比較合理,故本次計算的設計洪水成果符合本地區規律。不同頻率設計洪水過程線(除險加固成果)見表3。

表2 云溪水庫設計洪峰流量對比

表3 云溪水庫設計洪水過程線

注:直、間分別表示直接法和間接法。圖4 湖北省Qm -F關系Fig.4 Qm-F relationship in Hubei Province

4 結 論

對云溪水庫除險加固進行設計洪水分析計算,由于沒有實測流量資料,選擇用設計暴雨推求設計洪水,采用推理公式法和瞬時單位線法兩種方法計算設計洪水,并將計算結果與原除險加固成果進行對比分析。0.1%～1%頻率洪水設計成果與原除險加固成果差別在5%以內,相差不大,且千年一遇設計洪峰較原除險加固成果略小,因此仍推薦采用原除險加固成果。