河南省甘江河燕山水庫建設(shè)前后洪水特性分析

薛小磊，楊樂飛，熊 偉

（1.河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 467000；2.河南省安陽水文水資源勘測局，河南 安陽455000；3.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156）

0 引言

燕山水庫壩址位于葉縣保安鎮(zhèn)楊灣村老官寨水文站下游1.6 km 處， 控制流域面積為1169 km2。官寨水文站始建于1954 年，控制斷面以上的流域面積1 124km2，河長59km。1994 年該站下遷6km 至葉縣辛店鄉(xiāng)新楊莊村。 2006 年10 月20 日，甘江河燕山水利樞紐工程截流，于2008 年6 月20 日通過驗收，水庫正式下閘蓄水。 之后官寨站水文站遷至燕山水庫。 燕山水庫上游地區(qū)是河南省4 大暴雨中心之一，流域地形為山區(qū)丘陵，地勢陡峻，落差100 多米，流域形狀呈扇形，呈西南→東北走向，河道短，匯流速度快， 流域植被較差。 多年平均降水量為862.4 mm，多年平均徑流量為3.64 億m3，多年平均徑流系數(shù)為0.36，66.7%的雨量集中在汛期，壩址處多年平均徑流量為11.5 m3/s。

燕山水庫攔河壩按500 年一遇洪水設(shè)計，5 000年一遇洪水校核，水庫興利水位為106m，死水位為95m，總庫容為9.26 億m3。 其中興利水位對應(yīng)的庫容為2.2 億m3，死庫容為0.2 億m3。 燕山水庫庫區(qū)全賠高程和移民高程分別為107m 和109.61m，是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(II)型水庫。

1 燕山水庫年徑流變化

燕山水庫的流量資料序列為1954-2010 年（2008 年，由于水文站受水庫蓄水影響，下游水文站的水位無代表意義，洪水水文要素摘錄沒刊?。?009-2010 年的流量資料用水量平衡的方法測算， 即根據(jù)水庫下泄流量及水庫蓄水量的變化，反推入庫洪水。 不過水量平衡法由于是按時段進行反推入庫洪水，求得相鄰時段之間的入庫平均值的，這樣會造成入庫洪水峰值偏小，只能近似反映出洪水過程。并且選取計算時段的不同，會引起入庫洪水有不同的變形[1]。

建庫前，燕山水庫多年平均徑流量為11.5 m3/s，建庫前徑流資料資料序列長，而建庫后水庫距離老官寨水文站很近， 雖然資料的一致性可以滿足，但是徑流資料序列短，建庫后代表性較差，故而無法對建庫前后資料做詳細比較。 影響年徑流量的因素有天氣系統(tǒng)及下墊面兩方面。 在一般情況下，修建水庫形成了大面積蓄水，在陽光輻射下，蒸發(fā)量增加。 夏季氣層穩(wěn)定,大氣對流減弱,降水量減少，冬季大氣對流作用增強；降雨量增加，庫區(qū)和鄰近地區(qū)的降雨量有所減少, 而一定距離的外圍區(qū)降雨則有所增加， 整個水庫流域范圍內(nèi)平均降水量變化不大。 燕山地區(qū)建庫后多年平均降水量還有待資料系列的延長才能完善，以后隨著資料序列的延長會做較準確的比較。

2 燕山水庫洪水特性變化

2.1 該流域暴雨洪水特性

該流域的洪水均屬于暴雨洪水。 作為河南省的4 大暴雨中心之一，該暴雨區(qū)不但范圍大，持續(xù)時間長，而且強度大，出現(xiàn)頻率也比較高。 通常降雨時間為1 天左右，而強降雨多集中在幾個小時或者十幾個小時以內(nèi)。 產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主，也會出現(xiàn)部分超滲產(chǎn)流的地面徑流，形成尖瘦、陡漲陡落、來勢迅猛的山洪。 1975 年8 月，官寨站3 天內(nèi)出現(xiàn)3次洪峰，其中最大的洪峰流量達12 100 m3/s，洪水總量為11.06 億m3，峰頂持續(xù)時間達3.6h。 在通常情況下，由一場暴雨所形成的一次洪水過程漲水歷時很短，從起漲到出現(xiàn)洪峰只需要幾個小時，峰頂持續(xù)時間更短，呈現(xiàn)尖瘦型洪峰，而落水時間較長，一般可持續(xù)2～3 天。 在一次洪水過程中，主要洪量經(jīng)常集中在1 天左右，可以占到一次洪水的80%。

影響本流域洪水特性的因素主要有該區(qū)特殊的地理位置及河網(wǎng)調(diào)蓄能力，以及本地區(qū)的暴雨特性。 本流域形狀為扇形，各支流洪水較集中地匯入干流，流量過程線往往較陡峻。 而暴雨特性取決于形成暴雨的天氣系統(tǒng)和下墊面情況。 甘江河流域位于北半球中緯度地帶，是亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，為大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。 由于處于北半球中緯度的高空西風(fēng)帶，冷暖氣團交匯頻繁，夏季受大陸低壓控制，太平洋副熱帶高壓北上，印度洋孟加拉灣低渦自西南匯入， 常形成局部性或大面積的暴雨。本流域形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要有：低壓槽、西南低渦、切變線、臺風(fēng)雨等[2]。 查看河南省歷年暴雨圖，燕山水庫上游地區(qū)出現(xiàn)暴雨的幾率高，并且強度大，官寨站年最大24 小時降水量多年均值為125.4mm，上游的郭林雨量站最大24 小時暴雨量高達1 050.0mm。燕山水庫上游報汛站歷年年最大降水量見表1。

表1 甘江河燕山水庫上游報汛站歷年年最大降水量Table 1 Yearly max rainfall of Yanshan reservoir upstream flood information station of Ganjiang River

2.2 燕山水庫建庫前后洪水變化

通常水庫建成蓄水后，由于水庫淹沒范圍內(nèi)的河槽的調(diào)蓄作用、洪水波傳播等特性及下墊面因素發(fā)生變化，會使建庫后的實際入庫洪水與建庫前的壩址洪水不同。 水庫建成后，洪水是從水庫周邊匯入水庫的，而不只是壩址斷面的洪水，這些從水庫周邊匯入水庫（包括入庫斷面）的洪水稱為入庫洪水。 入庫洪水包括入庫斷面洪水和入庫區(qū)間洪水。入庫斷面洪水是水庫回水末端干支流河道的洪水，入庫區(qū)間洪水又可分為陸面洪水和庫面洪水。 陸面洪水是入庫斷面以下至水庫周邊以上的區(qū)間陸面所產(chǎn)生的洪水，庫面洪水即為庫面降雨直接轉(zhuǎn)為徑流所產(chǎn)生的洪水[3]。 由于建庫后匯流的最長路徑是從分水嶺到水庫周邊，流域匯流時間較建庫前縮短。

為保證雨量和洪水資料的一致性和代表性，選取5 個資料序列長的報汛站，用加權(quán)平均法計算面雨量，用1994 年前老官寨的洪水與建庫后相比較（壩址在老水文站下游1.6km），得出洪峰滯時變化情況，如表2 所示。

表2 建設(shè)燕山水庫前后洪峰滯時變化情況Table 2 Stagnation time changes before and after building Yanshan reservoir

在1994 年老官寨站下遷之前， 找到9 場峰形為單峰的較大洪水過程，在建庫后找出2 場單峰大洪水。 在面雨量計算表中查看造峰降雨結(jié)束時間，接著從洪水要素摘錄表和反推入庫過程中查出峰現(xiàn)時間，經(jīng)過對燕山水庫建庫前后11 場洪水進行對比分析，在同樣的降雨分布情況下建庫后的洪峰滯時相對建庫前提前了2～3 小時。

由于建庫后庫區(qū)范圍內(nèi)的天然河道已被淹沒，致使原有的河槽調(diào)蓄已包含在水庫容積內(nèi)，庫區(qū)產(chǎn)匯流條件也發(fā)生了明顯的改變。 建庫前流域內(nèi)的洪水向壩址出口端面的匯流變化為建庫后洪水沿水庫周邊向水庫匯入，造成建庫后入庫洪水較壩址洪水的洪峰流量變大。 由于庫面降水集中于漲水段，漲水時段的洪量增大，不過隨著統(tǒng)計時段的延長，入庫洪量與壩址洪量的差別變小[4]。 相比而言，峽谷形水庫入庫洪水和壩址洪水的區(qū)別較小，與湖泊形水庫相比，兩者差別可達20%以上[3]。 燕山水庫按照公式Q入庫=1.1Q壩址， 還原為建庫前壩址處洪水，使樣本系列符合同一總體分布規(guī)律。 對洪峰序列進行頻率計算后，建庫后2009 年屬于偏枯年份，2010 年屬于豐水年份。

3 設(shè)計洪水變化及洪水預(yù)報的影響

3.1 設(shè)計洪水變化的影響

設(shè)計洪水的內(nèi)容一般包括設(shè)計洪峰流量、不同時段的設(shè)計洪水總量和設(shè)計洪水過程線三項[3]。 按《水利水電工程設(shè)計洪水規(guī)范》的規(guī)定，水利水電工程一般采用壩址設(shè)計洪水。 但是，對具有水庫的工程，當(dāng)建庫后產(chǎn)匯流條件有明顯改變、采用壩址設(shè)計洪水對調(diào)洪影響較大時，應(yīng)以入庫設(shè)計洪水作為設(shè)計依據(jù)。 由于建庫后年最大流量序列較短，且2009 年沒有洪水，2010 年最大洪峰流量為2 641m3/s，屬于中水年，無特大洪水，對于通過流量資料推求設(shè)計洪水的峰值影響微乎其微，故暫不用對設(shè)計洪水做出調(diào)整。

3.2 洪水預(yù)報的影響

在水文預(yù)報中，通常利用單位線來推求洪水匯流過程線。 單位線，即在給定的流域下，單位時段內(nèi)均勻分布的1 單位凈雨量的直接徑流產(chǎn)流量所形成的流域出口斷面流量過程線[5]。 由于建庫后匯流時間縮短、峰現(xiàn)時間提前，洪峰增高，峰形更尖瘦，所以有必要對預(yù)報洪水中所使用的單位線進行一定調(diào)整，使之符合建庫后洪水過程。 燕山水庫流域單位線為2h 單位線， 為滿足次洪水水量平衡對落水時段也做一定的修改， 把洪峰滯時提前1 個時段，增大峰值。

4 結(jié)語

燕山水庫建成后，由于水庫淹沒范圍內(nèi)河槽和的調(diào)蓄作用，洪水波傳播等特性及下墊面因素發(fā)生變化，使流域內(nèi)的洪水特性發(fā)生變化：在同樣的降雨分布情況下，建庫后流域匯流時間縮短，洪峰滯時比建庫前提前了2-3 小時；建庫后入庫洪水較壩址洪水的洪峰流量增大。 為了保證建庫后預(yù)報的準確性，需要對流域單位線進行修改：在單位線所包圍面積不變的情況下，洪峰滯時提前1 個時段，增大洪峰流量，使之符合建庫后洪水的特性。

由于建庫后時間序列偏短，未能對年降水量、年蒸發(fā)量、年徑流量等方面做出更詳細的對比。 今后，將隨著建庫時間的延長，延長樣本資料年限，增加資料點據(jù)，從降水、蒸發(fā)、徑流等方面進行分析，找出其建庫后的變化規(guī)律，以期更好地為防汛服務(wù)。

[1] 河南省水文總站. 建庫前后洪水規(guī)律分析[R].1982:5-22.

[2] 河南省防汛抗旱指揮辦公室. 河南省防汛抗旱手冊[G].2008:23.

[3] 林益冬，孫保沭，林麗蓉. 工程水文學(xué)[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2003:127-151.

[4] 水利部長江水利委員會. 水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范SL44-93[S]. 北京：中國水利水電出版社，1993:40.

[5] 林三益. 水文預(yù)報[M].2 版. 北京：中國水利水電出版社，2001:102-113.