無資料地區(qū)平利縣西河鄉(xiāng)段防洪工程洪水分析計算

呂 莎

(陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001)

1 流域特性

壩河是漢江南岸一級支流，位于北亞熱帶邊緣濕潤季風氣候區(qū)，流域內雨量充沛，多年平均降水量964mm，多年平均徑流量8.43億m3。實測資料表明，本流域降水主要集中在7月～9月，5月～10月（汛期）都有可能出現(xiàn)年最大洪水，其中5月～6月出現(xiàn)年最大洪水的頻次相對較少，量級稍低；7月～8月西太平洋副熱帶高壓西伸北躍速度較快，與西北的冷空氣交綏，形成本流域強度較大的降雨過程，基本特點是多陣性暴雨，籠罩面積較小，強度較大，持續(xù)時間較短，形成的洪水峰高時短，陡漲陡落；9月～10月，隨著西北冷空氣的加劇，副高壓開始緩慢南撤東移，常在本流域上空產(chǎn)生冷暖空氣交綏，出現(xiàn)連陰雨過程，其間常伴有暴雨出現(xiàn)，基本特點是籠罩面積較大，強度較小，持續(xù)時間較長，造成的洪水峰型較肥，過程平緩，歷時較長，一次較大洪水過程歷時約3～5天。

壩河蜿蜒曲折，彎道、峽谷、急灘較多，屬典型的山溪性河流。流域南高北低，上游重山疊嶺，懸崖陡壁，河谷幽深，林草叢生，人煙較少，森林覆蓋率高，水源涵養(yǎng)條件好，對徑流具有良好的調節(jié)作用；中下游河谷開闊，山勢較緩，河段較寬，河床多形成漫灘，人類活動頻繁。壩河河道兩岸斷續(xù)分布有一級階地、殘留二級階地，近代新構造運動在本區(qū)主要表現(xiàn)為地殼上升與河流下切，形成了群峰屹立、山勢雄偉的中低山剝蝕、侵蝕地貌景觀。壩河河道比降較大，產(chǎn)流匯流速度快，洪水暴漲暴落。

西河鄉(xiāng)防洪治理段位于壩河下游，流域上游建有古仙洞水庫及投洞子水庫，洪水災害頻發(fā)，控制流域面積1117km2,河長為95.93km，河道平均比降5.3‰，洪水主要來源于暴雨，洪水多呈單峰型，持續(xù)時間1～6天，水位流量關系呈單一線關系。壩河大洪水和特大洪水主要發(fā)生在7月、8月，桂花園站實測最大洪峰流量2210m3/s（2010年 8月 16日），次大洪峰流量1520m3/s（1982年 7月 21日）。

2 水文基本資料

桂花園水文站是本流域內唯一由陜西省水文局設立的國家基本水文站，測站位置、測站設備和測驗精度符合國頒標準，測驗方法和資料整編質量符合規(guī)范要求，資料可靠性和一致性較好，滿足相關規(guī)范要求。西河鄉(xiāng)和桂花園水文站屬于同一流域和同一暴雨區(qū)，但流域面積略小，故將桂花園水文站作為本工程水文分析、計算的參證站。

3 歷史洪水

《陜西省洪水調查資料》刊載有壩河桂花園河段2場歷史洪水，分別為1934年洪水和1982年洪水。1934年洪水洪峰流量為1750m3/s，成果較可靠；1982年洪水洪峰流量為1520m3/s，為實測洪水，成果可靠。根據(jù)調查，桂花園㈡水文站設立于1963年3月，自建站以來實測洪水系列中2010年7月19日洪水（洪峰流量為2280m3/s）最大，其次為1982年洪水。

4 治理段投洞子電站和古仙洞水庫洪水調度運用情況及其對下游影響分析

4.1 古仙洞水庫

4.1.1 工程概況

古仙洞水庫總庫容2835萬m3，興利調節(jié)庫容2024萬m3，死庫容756萬m3，屬Ⅲ等中型工程。水庫樞紐由大壩、引水洞、排沙洞等建筑物組成。大壩為雙曲拱壩，壩頂高程516.40m，壩基底高程455.00m，最大壩高61.40m，壩體采用細石砼砌塊石。拱壩頂部設有5孔有閘門控制的溢流表孔，溢流堰頂高程510.00m，單孔孔口尺寸10×6.4m（寬×高），最大泄洪流量為1662m3/s。沖沙孔底板高程470.00m，進口孔口尺寸1.6×1.6m（寬×高），出口孔口尺寸1.6×1.3m（寬×高）。大壩為五十年一遇設計、五百年一遇校核，相應的洪峰流量分別為1216m3/s、1901m3/s。

由汛限水位（514.00m）起調，調洪演算結果如下：

設計洪水位514.88m，入庫洪水1216 m3/s，相應下泄流量1085m3/s，削峰流量131m3/s，削峰率 10.8%；

校核洪水位516.40m，入庫洪水1901 m3/s，相應下泄流量1662m3/s，削峰流量2239m3/s，削峰率12.6%。

4.1.2 水庫運行方式

主汛期（5月～10月）保持低水位運行，庫水位保持在510.00m～514.00m，即汛限水位以下；非汛期（11月～次年4月），盡量保持在高水位運行，庫水位在494.00m～516.00m。

按照古仙洞水力發(fā)電公司編制的《2010年古仙洞水庫調度計劃》規(guī)定：在主汛期，當庫水位達到514.00m時，全部開啟沖沙孔閘門和5孔表孔閘門時，表孔下泄流量為810m3/s，發(fā)電引水流量為12m3/s，沖沙孔下泄流量為48m3/s，以上三項流量合計為870m3/s；當水庫達到校核洪水位516.40m時，全部開啟5孔表孔閘門時，表孔下泄流量為1349m3/s，發(fā)電引水流量為12m3/s，沖沙孔下泄流量為50m3/s，以上三項流量合計為1418m3/s；當入庫流量大于544m3/s時，除滿足發(fā)電用水外，沖沙孔和表孔閘門全部打開敞泄。

4.2 投洞子電站

投洞子電站位于壩河干流，壩址以上流域面積 884km2，總庫容558萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。樞紐建筑物防洪標準按30年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核，大壩的設計洪峰流量和校核洪峰流量分別為1320m3/s、1720m3/s。大壩壩型為漿砌石重力壩，由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成，溢流壩段設三孔10m×8m弧形鋼閘門擋水和泄洪。溢流壩段長度38m，高度20m。根據(jù)水庫運行方式，當上游來水大于660m3/s時，下泄量等于來水量。

6.2.4 不得經(jīng)營下列國家和本市禁止生產(chǎn)經(jīng)營的食品、食品添加劑和食品相關產(chǎn)品：《中華人民共和國食品安全法》第三十四條規(guī)定的禁售食品、食品添加劑、食品相關產(chǎn)品； 《食用農產(chǎn)品市場銷售質量安全監(jiān)督管理辦法》第二十五條規(guī)定的禁售食用農產(chǎn)品；《上海市食品安全條例》第二十三條規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營的食品；《上海市人民政府關于禁止生產(chǎn)經(jīng)營食品品種的公告》規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營的食品。

4.3 削峰作用評價

從以上情況看，古仙洞電站和投洞子電站的消峰作用有限。偏安全起見，進行下游河道防洪工程設計洪水計算時，可不考慮其調洪作用。

5 洪水計算

5.1 面積比擬法

5.1.1 實測洪水資料

壩河桂花園水文站1963年～2010年洪水實測系列，來源于《水文年鑒》，流量資料計算方法正確，成果可靠，經(jīng)陜西省水文水資源勘測局審查批準后使用。調查洪水資料來源于《陜西省洪水調查資料》，2013年4月對數(shù)據(jù)進行了核對。桂花園水文站斷面遷移前后面積變化＜1%，上游700m上建有桂花電站，從桂花園水文站累積年最大洪峰流量～歷時曲線圖（圖1）可以看出，曲線總趨勢呈直線，雖有周期性擺動，但曲線斜率沒有發(fā)生變化，人類活動對資料的一致性產(chǎn)生影響，但影響程度較小，由于本次計算未收集到壩河桂花水電站相關資料，因此，不考慮對該站的洪峰流量資料進行一致性處理。

5.1.2 參證站設計洪水

桂花園水文站按1963年～2010年共48年年最大洪峰流量資料，將2010年洪水作為特大洪水，其重現(xiàn)期為81年，按不連續(xù)系列對桂花園水文站年最大洪峰流量進行頻率分析，用下列各式計算經(jīng)驗頻率和統(tǒng)計參數(shù)。

洪水經(jīng)驗頻率采用下列期望公式計算：

采用矩法估算不連續(xù)洪水系列統(tǒng)計參數(shù)，計算公式如下：

按照《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》（SL44-93）推薦的方法，以年最大值法選樣，按不連續(xù)系列，用矩法計算統(tǒng)計參數(shù)，選用P-Ⅲ型曲線適線，以矩法計算各站洪水統(tǒng)計參數(shù)的初始值，用離差平方和準則先進行參數(shù)優(yōu)化，采用經(jīng)驗目估適線和參數(shù)優(yōu)化計算相結合的辦法進行頻率分析計算。遵循盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗頻率數(shù)據(jù)的中心位置，側重考慮與上部和中部大水數(shù)據(jù)吻合的適線原則。通過人工調整均值x、Cv及Cs/Cv，盡可能使曲線擬合全部點據(jù)，尤其側重中、高水點據(jù)；分析經(jīng)驗點據(jù)的精度使曲線盡量靠近或通過比較可靠的點據(jù)，使調整后的統(tǒng)計參數(shù)符合壩河流域特性和在地區(qū)上的變化規(guī)律。

采用桂花園水文站洪峰流量計算成果，按照水文比擬法計算工程區(qū)設計洪峰流量。計算公式如（3）：

其中F工、F參分別為工程區(qū)和參證站流域面積(km2)，桂花園F工=1117km2，F(xiàn)參=1275km2。計算得到西河鄉(xiāng)工程段Q工=1105m3/s。

5.1.3 由暴雨資料推求設計洪峰流量

根據(jù)《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》，西河鎮(zhèn)治理段屬于陜南土石林區(qū)，由“各分區(qū)瞬時單位線參數(shù)（m1i=1）0綜合圖”查算計算凈雨強度為 10mm 的 m1=2.12（F/J）0.268；由“各分區(qū)瞬時單位線非線性改正指數(shù)（b）綜合圖”查算出非線性改正指數(shù)b=0.6906-0.1326lgF；計算造峰雨歷時 tp=1.63（F/J）0.244及其平均雨強i=htp/tp，ik=18.75(F/J)0.181。

按m1=m1i=1（010/i）b，其中當i大于ik時，取i=ik。

查“各分區(qū)瞬時單位線參數(shù)（m2）綜合圖”，m2=0.882(F/J)0.197，m2大于 1，取 m2=1。

由m1=nk和m2=1/n求得n、k參數(shù)值。

以n、k查“順時單位線表”，可得時段單位線，潛流按等腰三角形過程加入，底寬為地面徑流過程線底寬的2倍?；靼凑誕0=0.31F0.5計算。計算得到西河鄉(xiāng)10年一遇洪峰流量見表3。

表1 壩河流域水文站基本情況表

圖1 桂花園水文站年最大洪峰流量累積曲線

表2 桂花園文站設計洪峰流量計算成果 單位：m3/s

表3 瞬時單位線計算壩河西河鄉(xiāng)治理段設計洪水成果表

表4 設計洪峰流量計算成果表

6 結論及建議

將上述方法計算的治理段設計洪水成果列于表4，從表中可以看出，水文比擬法計算的洪水成果小于《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》推求的洪水成果。

對于西河鎮(zhèn)段設計洪水，幾種方法的計算成果比較接近。P=10%時，水文比擬法結果略大，該工程段集水面積1117km2，與桂花園水文站流域面積1275km2相差僅8%，區(qū)間無較大支流匯入，上游投洞子電站和古仙洞電站的影響較小，根據(jù)實測洪痕點，采用明渠均勻流計算西河鄉(xiāng)實測洪痕處洪峰流量，與水文比擬法計算洪量相近，因此，推薦西河鄉(xiāng)段采用面積比擬法推求的設計洪水成果。陜西水利