淺析倒天河水庫下游河道治理工程設計洪水計算

陳天虹

(貴州省畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

1 概 況

倒天河為白甫河上游河段，白甫河為長江流域烏江水系六沖河左岸的一級支流，白甫河發源于七星關區野角鄉官寨村，河源高程2030.60 m。白甫河流域東與野紀河流域相鄰，西以烏箐山為界，南接六沖河，北與赤水河流域毗鄰。按河谷地貌及河道特征分為上游、中游、下游三段：河源至畢節市大新橋辦事處響水灘為上游；響水灘至繼炎橋為中游；繼炎橋以下為下游。白甫河由西北向東南流經七星關區何官屯、大新橋、七星關城區、鴨池、梨樹及大方縣雙山、高店、小屯、理化等地，在大方縣牛場鄉辣子寨匯入六沖河。白甫河全流域面積2344 km2，主河道總長116 km。

本次河道治理范圍為畢節市德溝新城區倒天河中上游段，自流倉壩起，至肖家院止，原河道全長3.74 km，整治后長為3.60 km。設計中綜合考慮了畢節市城市發展規劃和河段全面整治的總體要求及相應設防標準，本治理河段上游倒天河水庫大壩加高擴建工程按100 a一遇的防洪標準設防。倒天河水庫壩址以上集雨面積147.0 km2，占治理河段末端斷面集水面積(197.1 km2)的74.6%。由于倒天河水庫壩址以上集水面積占比大，研究水庫滯洪、調洪及削峰作用對下游治理河段設計洪水的影響，對河道治理工程規模確定和堤防安全具有重要意義。

2 設計洪水

2.1 參證站選取

設計流域內有龍漢、白龍地灘和后箐雨量站、畢節氣象站、徐花屯水文站、響水灘水文站。

通過對周邊水文測站的分布情況分析可知，響水灘水文站資料年限太短，且為虧水流域，不宜選作參證站。徐花屯水文站位于流域內，下墊面條件、流域閉合情況與設計流域相似，且資料序列較長，符合設計規范要求。因此選取徐花屯水文站作為設計流域參證站是最為合適的。

畢節市氣象站距本次治理河段流域中心直線距離為4 km，觀測方法采用自記與人工結合，汛期進行四段制、八段制觀測，枯季采用二段制觀測，降水及蒸發資料能夠從降水變化趨勢上反映流域降水特性。該站具有較完整的降水、蒸發觀測資料，資料精度高，且毗鄰本次設計河段，其所形成的洪水對控制斷面影響最直接，可作為本次設計參證站。

2.2 設計暴雨

本次采用畢節氣象站作為參證站，將畢節氣象站1951—2020年共70 a資料統計，采用數學期望公式Pm=m/(n+1)×100%計算經驗頻率，矩法初估統計參數初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線目估適線確定統計參數，多年平均最大1 d暴雨量為68.4 mm，變差系數Cv=0.34，Cs=3.5Cv，最大24 h暴雨量與最大日暴雨量的換算系數為1.12，則畢節氣象站年最大24 h暴雨量均值為H24 h=76.6 mm。

結合貴州省水文水資源局分析成果“貴州省年最大24 h暴雨均值等值線圖和貴州省年最大24 h暴雨Cv等值線圖”，設計流域年最大24 h暴雨均值在70～80 mm之間，設計流域中心內插值77 mm，最大24 h暴雨變差系數Cv在0.40～0.45之間，設計流域中心內插值0.42。結合等值線圖和畢節氣象站統計資料，本次設計成果流域暴雨統計參數采用：H24 h=77 mm，Cv=0.42，Cs=3.5Cv。如表1所示。

表1 工程河段設計暴雨參數計算成果

2.3 設計洪水

本次河道治理采用水文比擬法、雨洪法、地區綜合法計算法計算治理河道斷面的洪水，并以歷史洪水驗證其合理性。

2.3.1 水文比擬法計算洪水

本次根據徐花屯水文站1975—2006年實測洪峰流量系列，結合歷史洪水調查成果，對徐花屯水文站的設計洪水進行復核。利用徐花屯水文站1975—2006年實測洪峰流量系列，2006年實測洪峰作為特大值處理，并結合徐花屯水文站的歷史洪峰調查(調查到1876年及1955年歷史洪峰)，進行 P-Ⅲ型曲線適線計算，得到徐花屯水文站洪峰流量均值為48.9 m3/s，變差系數Cv=1.13，Cs=4.0Cv。如表2所示。

表2 徐花屯水文站設計洪水成果

按下列水文比擬法算式分別求得防洪各斷面洪峰流量，如式(1)，成果見表3。

(1)

表3 防洪斷面洪水成果(水文比擬法) m3·s-1

式中：QP設、QP徐分別為設計斷面及徐花屯水文站規定頻率P的洪峰流量，m3/s；F徐為徐花屯水文站的集水面積，取104.8 km2；F設為設計流域面積，km2；n為面積影響指數，取0.75。

2.3.2 雨洪法計算洪水

結合流域實際情況及參證站選取情況，設計洪水計算采用“雨洪法”計算，按照《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》[1]的相關應用公式有所不同，如式(2)、式(3)：

當25 km2≤F<300 km2，且θ>30，

QP=0.357γ0.922·f0.125·J0.082·

(2)

當25 km2≤F<300 km2，且θ≤30，

QP=0.357γ0.922·f0.360·J0.240·

(3)

將相關參數代入計算公式，求得各河段洪峰流量，成果見表4。

表4 防洪斷面洪水成果 (雨洪法) m3·s-1

2.3.2 地區綜合法計算洪水

地區綜合法即采用倒天河水庫下泄洪水與區間洪水組合法，根據《畢節市倒天河水庫工程閘門結構復核及運行調度方案報告》(2011年)，倒天河水庫為壩頂溢流，堰頂高程1553.30 m，布置3孔4 m×6 m(h×b)弧形鋼閘門。倒天河水庫起調水位為正常蓄水位(1557.30 m)，當5 a一遇洪水時，為了保證下游河道安全，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，此時最大下泄流量為116 m3/s，相應水位為1557.41 m，當20 a一遇洪水時，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，倒天河水庫的安全泄量為131 m3/s，相應水位為1558.19 m。當50 a一遇洪水時，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，此時最大下泄流量為148 m3/s，相應水位為1559.47 m。當500 a一遇洪水時，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度進行限泄，但是當水位高于1559.47 m時，為確保大壩安全，不再限制下游流量，閘門正常全部開啟，校核洪水位為1559.74 m。調洪成果見表5及圖3、圖4。

圖3 倒天河水庫(P=1%)調洪演算

圖4 倒天河水庫(P=2%)調洪演算

表5 倒天河水庫洪水調節計算成果

區間(肖家院斷面)主河道長13.3 km，區間集雨面積49.7 km2，坡降5.57‰，幾何特征值θ=28.3，洪水采用前述雨洪法計算洪水的公式。則計算可得到區間各斷面洪水洪峰流量，成果見表6。

表6 防洪斷面區間洪水成果 m3·s-1

將區間各斷面的洪水過程線與倒天河水庫的下泄洪水過程線疊加可得治理斷面的設計洪水，成果見表7。

表7 防洪斷面洪水成果(地區綜合法) m3·s-1

2.4 洪水成果選取

根據表3、表4及表7，對比水文比擬法、雨洪法及地區綜合法計算的洪水成果，雨洪法和水文比擬法的洪水成果比地區綜合法偏大，這兩種方法均沒有考慮上游倒天河水庫的滯洪、調洪及削峰作用，其計算結果僅作為比較分析。結合工程安全性及流域實際情況，治理河段距離倒天河水庫較近，倒天河水庫集水面積占末端斷面以上集水面積的74.6%，根據倒天河水庫調洪成果表，其建成后對20 a一遇以上洪水削峰作用明顯，建庫后20 a一遇洪峰流量削減了42%，對本河段的削峰作用明顯，故需要考慮倒天河水庫削峰作用。因此，選取成果較小的洪水成果(地區綜合法)作為設計洪水，這是合理的，也是安全的[2-3]。

2.5 洪水合理性分析

(1)暴雨統計參數，以畢節氣象站主要參證站，采用的最大24 h暴雨統計參數與《貴州省短歷時暴雨圖集》中相關等值線圖基本一致，設計暴雨成果較為合理。

(2)地區綜合法選用了畢節市氣象站最大24 h暴雨參數，并結合貴州省短歷時暴雨統計參數等值線圖，從偏于工程安全角度考慮，綜合取值確定了設計流域各短歷時暴雨統計參數，計算方法、參數選擇合理，考慮上游倒天河水庫調洪作用，計算成果符合流域實際情況。

(3)調查成果，2006年6月28日倒天河流域發生了一次歷史性的實測最大洪水，倒天河水庫區徐花屯水文站實測洪峰流量217.0 m3/s，壩址相應達295.1 m3/s。據畢節市水文水資源局在城區實測和調研分析，該次流域性大水經倒天河水庫滯洪削峰后最大下泄163.0 m3/s，“城區五龍橋斷面(控制流域面積F=146.3 km2)的實測洪峰流量為203.0 m3/s，僅相當于該河段的20 a一遇洪水”(摘自畢節市水文水資源局2007年編《畢節市倒天河流域2006.6.28暴雨洪水分析》專題報告)。據此，按水文比擬法(該面積指數由貴州省水利水電設計院在倒天河水庫加高擴建初步設計等文件中分析確定n=0.75)推算至本設計河段各控制斷面的設計流量分別對比列于表8。

表8 P=5%下倒天河城區河段設計洪峰與2006年歷史洪水對比

可見表8所列設計河段各控制斷面20 a一遇設計洪峰流量與2006年20 a一遇洪水相比，僅少0.5%～4.0%，表明地區綜合法計算的河段設計洪水成果是基本合理的，可以作為設計河段設計水面線推算的具體依據。

3 結 論

本文以貴州省畢節市七星關區倒天河河道治理工程為例，治理河段上游有倒天河水庫，水庫壩址以上集水面積占河道治理末端以上集水面積比例為74.6%，占比較大，設計洪水考慮上游水庫的削峰影響，以水文比擬法、雨洪法和地區綜合法進行設計洪水計算，結合流域內歷史洪水調查進行綜合分析，推薦采用地區綜合法計算成果，設計斷面洪水=水庫同頻率下泄+水庫與設計斷面區間同頻洪水，經洪水合理性分析，成果安全合理，可為其他山區河道治理工程設計洪水計算提供借鑒。