龍脈水庫除險加固設(shè)計洪水分析研究

劉依松 聶其兵

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌市黃柏河流域管理局，湖北 宜昌 443000）

在病險水庫安全鑒定和除險加固設(shè)計中，設(shè)計洪水復(fù)核是關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，直接影響到工程的安全、投資及效益.在進行除險加固設(shè)計時，要求補充收集并延長水文和氣象資料，充分運用水庫運行期實測水文資料，考慮建庫后上游地區(qū)人類活動的影響和大壩工程現(xiàn)狀，開展設(shè)計洪水的復(fù)核分析計算，為水庫調(diào)洪計算和大壩工程現(xiàn)狀抗洪能力評價提供基礎(chǔ)依據(jù).

在國外，設(shè)計洪水的計算主要有兩條途徑：一是數(shù)理統(tǒng)計途徑，也稱頻率計算法；二是水文氣象途徑，推求可能最大暴雨P(guān)MP，或可能最大洪水PMF，亦稱水文氣象法.頻率計算法推求設(shè)計洪水常有兩種方法：一種是由實測流量資料推求設(shè)計洪水過程，另一種是由暴雨資料推求設(shè)計暴雨過程，用流域水文模型進行產(chǎn)、匯流計算，從而推求出設(shè)計洪水過程.

在國內(nèi)常用數(shù)理統(tǒng)計法［1]，大部分洪水的一種較優(yōu)分布均呈P－Ⅲ型［2－3]曲線形態(tài)，并獲得了廣泛應(yīng)用.在除險加固設(shè)計洪水分析計算中，大型水庫主要先采用流量法、暴雨法計算不同頻率設(shè)計洪水，再經(jīng)對比分析后，一般推薦采用實測流量法成果.中型水庫由于缺乏實測流量，一般采用實測暴雨資料計算設(shè)計洪水，針對流域資料情況在設(shè)計面雨量分析時常采用點面折減、算術(shù)平均、加權(quán)平均等方法進行計算.面雨量資料不足時，多通過點面關(guān)系推求流域面平均雨量.可能最大降水或可能最大洪水這一水文氣象法分析設(shè)計洪水避免了頻率分析計算的某些不足.

由實測暴雨資料計算設(shè)計洪水的暴雨法，與通過流量資料計算設(shè)計洪水相比較，是一種間接方法，其最大優(yōu)點在于能充分利用暴雨資料，特別是當流量資料不足時，往往成為主要的途徑.計算時假定設(shè)計暴雨與相應(yīng)的設(shè)計洪水同頻率，然后通過暴雨資料頻率分析確定設(shè)計暴雨，再通過產(chǎn)流分析確定設(shè)計凈雨，最后通過匯流分析確定設(shè)計洪水［4－5].本文以龍脈水庫為背景，通過論證分析采用實測暴雨資料的方法進行研究，確定設(shè)計洪水，為水庫除險方案和加固措施提供決策依據(jù).

1 龍脈水庫簡況

龍脈水庫位于湖北省隨州市曾都區(qū)尚市鎮(zhèn)龍脈村，距離隨州市城區(qū)40km，水庫攔截漢江水系利河流域支流，承雨面積42km2，多年平均年降雨量960 mm，多年平均年徑流量1 397萬m3.設(shè)計總庫容2 216.1萬m3，是一座以灌溉為主兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合水利用的Ⅲ等中型水庫.水庫于1974年10月動工，1975年5月工程基本竣工，主要建筑物為3級，水庫設(shè)計防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核，設(shè)計洪水位140.60m，校核洪水位141.1m，正常蓄水位138.30m，死水位126.00m.

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等建筑物組成，設(shè)計灌溉面積1 467萬hm2，實灌800萬hm2，保護下游人口5萬人，耕地1 601萬hm2，同時保護下游隨州城區(qū)、尚市鎮(zhèn)、厲山鎮(zhèn)、漢渝鐵路、316國道、隨岳高速公路、漢丹高壓輸變電線路等重要城鎮(zhèn)和交通干線.

漢江水系利河流域水支流主河道長19.35km，平均坡降4.96‰，沿程洪水主要由暴雨形成，洪水與當?shù)乇┯暌粯泳哂忻黠@的季節(jié)性，主要集中在6月下旬～8月下旬，7月份是暴雨發(fā)生最多的月份.

龍脈水庫以上無實測水文和雨量測站，但周圍的青苔站、吳山站水文站有降雨資料，青苔站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1979～2003年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年；吳山站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1977～2002年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年.

2 設(shè)計洪水復(fù)核

設(shè)計洪水復(fù)核一般主要采取瞬時單位線法、推理公式法和地區(qū)綜合法3種，然后通過分析比較選擇最大設(shè)計洪水進行除險加固設(shè)計.

2.1 瞬時單位線法

2.1.1 設(shè)計點暴雨

龍脈水庫位于湖北省水文分區(qū)第Ⅵ區(qū)，設(shè)計點暴雨可采用兩種方式推求：一是根據(jù)鄰近的青苔站和吳山站實測資料，利用最大1h、6h、24h降雨量資料系列移置龍脈水庫，采取矩法計算洪水系列統(tǒng)計參數(shù)的初值，按P－Ⅲ型分布，考慮CS／CV值的地區(qū)規(guī)律，經(jīng)適線后進行暴雨分析；二是利用2008年出版的湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集（新圖集）降雨量參數(shù)計算暴雨.兩種方法分析成果詳見表1.

表1 設(shè)計點暴雨設(shè)計成果表

顯然，青苔和吳山兩站的移置均值小于新圖集的均值，主因是新圖集綜合考慮了省內(nèi)有據(jù)可查的歷史大暴雨及近鄰省份發(fā)生的大暴雨，資料可靠，代表性好，因此，龍脈水庫遇到暴雨可能與采用新圖集設(shè)計成果一致.本著從實際出發(fā)，多種方法比較，綜合分析，合理選定的原則，選用新圖集中的暴雨參數(shù)計算成果.

2.1.2 設(shè)計面暴雨

由1h、6h、24h的面深系數(shù)，確定不作形狀改正的設(shè)計面雨量成果見表2.

表2 設(shè)計面雨量成果表

產(chǎn)流過程是通過扣損法求得凈雨實現(xiàn)的.凈雨過程是由設(shè)計面雨量按扣除初損和穩(wěn)損而得.雨型分配采用降雨徑流相關(guān)法，建立起相應(yīng)區(qū)域的降雨～徑流相關(guān)查算圖.采用圖表中的雨型作為設(shè)計雨型，設(shè)計凈雨按扣除初損和穩(wěn)損的方法推求，其它歷時設(shè)計面雨量，通過1h、6h、24h的設(shè)計面雨量間接推求.由相鄰歷時的面雨量之差，可得各設(shè)計頻率不同降雨時段的面雨量過程，根據(jù)設(shè)計雨型，對各時段面雨量重新進行排列，以確定設(shè)計面雨量時程分配.

2.1.3 設(shè)計洪水計算

匯流包括地表徑流和地下徑流兩部分.流域匯流參數(shù)取第Ⅵ水文分區(qū)的綜合公式；當設(shè)計雨強超過10mm／h或一般大、中洪水參數(shù)的綜合公式用于稀遇設(shè)計洪水，需對匯流參數(shù)作非線性改正，將所得各頻率的設(shè)計凈雨過程按上述時段單位線進行匯流計算，確定各設(shè)計頻率的地面徑流過程.設(shè)計洪水即將地面徑流與地下徑流進行匯流疊加，相應(yīng)成果見表3.

表3 設(shè)計洪水成果比較表

2.2 推理公式法

根據(jù)瞬時單位線法計算成果，確定特征參數(shù)、各歷時的面雨量及暴雨遞減指數(shù)n1、n2值，依照圖表，在凈雨歷時tc＝12h，確定龍脈水庫設(shè)計洪水見表3.

2.3 地區(qū)綜合法

地區(qū)綜合法分別按暴雨途徑設(shè)計洪水地區(qū)綜合法、實測年最大流量設(shè)計洪水地區(qū)綜合法進行分析，按當?shù)貙嶋H情況確定其設(shè)計洪水見表3.

3 洪水成果合理性分析

3.1 瞬時單位線法與推理公式、地區(qū)綜合法成果比較

與推理公式、地區(qū)綜合法成果相比，100年、1000年一遇洪水單位線法大于推理公式、地區(qū)綜合法成果，但推理公式法與單位線法成果很接近.三種方法設(shè)計洪水基本合理，但由于瞬時單位線法比較成熟，設(shè)計洪水過程線可以體現(xiàn)流域特性，且瞬時單位線法成果較其它方法為大，考慮上游砂河口水庫運行可靠性的影響，從偏于安全計，本次設(shè)計洪水成果采用瞬時單位線法成果.

3.2 瞬時單位線法與原成果比較

在暴雨資料采用上，原成果受當時條件限制，暴雨資料系列短，且僅采用了24h的設(shè)計暴雨，未進行時程分配.本次依據(jù)新圖集暴雨資料系列較長，且采用了歷時1h、6h、24h的設(shè)計暴雨，因此本次成果更為合理.龍脈水庫經(jīng)過除險加固投入運行以來，經(jīng)歷了2次洪水季節(jié)的考驗，表明設(shè)計洪水與實際情況吻合較好.

［1]王燕生.工程水文學(xué)［M].北京：中國水利水電出版社，1992.

［2]李元章.擬優(yōu)數(shù)學(xué)模型及在水文頻率計算中的應(yīng)用［D].南京：華東水利學(xué)院，1981.

［3]李松任.幾種頻率分布線型對我國洪水資料適應(yīng)的研究［D].南京：華東水利學(xué)院，1981.

［4]水利部長江水利委員會水文局，水利部南京水文水資源研究所.水利水電工程設(shè)計洪水計算手冊［M].北京：水利電力出版社，1995.

［5]中華人民共和國水利部.SL44－2006.水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范［S].北京：中國水利電力出版社，2006.