秀水河流域設(shè)計(jì)洪水分析

曲鳳垚

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州450045）

秀水河是遼河中下游右側(cè)的一條支流，從上游到下游是從低山丘陵區(qū)逐漸過(guò)渡到平原地區(qū)。本流域既不屬于東部山區(qū)，也不屬于西部干旱區(qū)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)秀水河上下游的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了分析計(jì)算，在分析計(jì)算的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，本文就發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行一些分析和探討。

1 流域基本概況

秀水河發(fā)源于內(nèi)蒙古科爾沁左翼后旗的四河鄉(xiāng)，流經(jīng)遼寧省四個(gè)縣區(qū)，于新民縣關(guān)家窩堡村附近注入遼河。秀水河全河流域面積1994．2km2，秀水河干流下游有彭家堡水文站，本站從1951年開(kāi)始有流量觀測(cè)資料，觀測(cè)到1995年，1996年開(kāi)始水文站下移，改為公主屯水文站，有觀測(cè)資料到2010年。這樣彭家堡水文站有1951—2010年實(shí)測(cè)水位、流量等觀測(cè)資料［1］。

流域內(nèi)有中型水庫(kù)5座，分別為秀水河干流上游的花鼓窩堡水庫(kù)、獾子洞河支流尖山子河上的尖山子水庫(kù)、獾子洞河干流的獾子洞水庫(kù)以及獾子洞水庫(kù)上游的兩個(gè)支流上的拉馬章水庫(kù)、三合成水庫(kù)。秀水河流域內(nèi)還有小型水庫(kù)多座。秀水河流域地勢(shì)起伏不平，整個(gè)地形呈現(xiàn)北高南低。秀水河流域特性見(jiàn)表1。秀水河流域水系、工程和水文測(cè)站分布如圖1。

表1 秀水河流域特性表

2 設(shè)計(jì)洪水推求

2．1 流域上下游設(shè)計(jì)洪水成果

2．1．1 暴雨洪水特性

流域暴雨期比較集中，大部分在7、8月份發(fā)生暴雨，暴雨持續(xù)時(shí)間一般不到24h。流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，一次洪水的歷時(shí)，大約在24h左右，屬于陡漲陡落的山區(qū)性河流，峰型多是單峰型式，雙峰或多峰的型式也時(shí)有發(fā)生。連續(xù)兩次洪水的歷時(shí)，一般為3～5d。流域上游山區(qū)洪水陡漲陡落，下游洪水經(jīng)過(guò)平原河道的調(diào)蓄，洪峰變緩。

圖1 秀水河流域水系工程和水文測(cè)站分布圖

2．1．2 秀水河上游各中型水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水

秀水河中上游花鼓窩堡水庫(kù)、尖山子水庫(kù)、獾子洞水庫(kù)、三合成水庫(kù)4座中型水庫(kù)在2008年進(jìn)行除險(xiǎn)加固，各水庫(kù)的設(shè)計(jì)入庫(kù)洪水都采用《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》（簡(jiǎn)稱圖表法）計(jì)算，圖表法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果一般都偏大，見(jiàn)表2。經(jīng)水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，除險(xiǎn)加固階段水庫(kù)各頻率最大泄流量成果見(jiàn)表3，4座水庫(kù)中只有花鼓窩堡水庫(kù)的削峰作用最小，以50a標(biāo)準(zhǔn)為例，獾子洞與尖山子水庫(kù)合起來(lái)最大泄量163m3／s，而花鼓水庫(kù)的泄量就達(dá)到317m3／s［2］。

2．1．3 秀水河彭家堡水文站本次計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水

（1）彭家堡水文站建庫(kù)后系列的設(shè)計(jì)洪水

秀水河最大洪水發(fā)生在1951年、1953年、1954年，與遼河干流大洪水年份基本一致，近幾年較大的洪水年份為1991年、1998年和2010年。秀水河上先后修建了多座中型水庫(kù)，1951—2010年洪峰系列有修建水庫(kù)前的，也有修建水庫(kù)后的，是一個(gè)混合系列，不具備資料系列的一致性［2－5］。

表2 秀水河上各中型水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水成果表

表3 秀水河上各中型水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)最大泄量成果表 m3·s－1

秀水河上游的各中型水庫(kù)基本都建成于1959年之前，考慮到資料的一致性，選用水庫(kù)修建以后1959—2010年的實(shí)測(cè)洪峰系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算。由于1959年以后的系列中排在前三位的1951年、1953年與1954年洪水均被排除在外，即使換算成經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)后的洪峰值，仍排在系列的前3位。因此，計(jì)算出的設(shè)計(jì)洪水成果偏小。

為了避免這一問(wèn)題，本次在連續(xù)系列頻率分析計(jì)算時(shí)，1959—2010年系列中最大洪水是1991年，排在連續(xù)系列中的第一位，其前空3位，其重現(xiàn)期采用55a的第4位，后面年份洪峰依次類推。在繪線時(shí)，參考3a較大的洪水，頻率線在其下部通過(guò)。

彭家堡水文站設(shè)計(jì)洪峰，按繪線讀點(diǎn)補(bǔ)矩法進(jìn)行頻率計(jì)算，線型為皮爾遜Ⅲ型，CS采用2．5CV，CV值經(jīng)綜合平衡后確定，適線較好。彭家堡水文站計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 彭家堡水文站實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 m3·s－1

（2）彭家堡水文站混合系列的設(shè)計(jì)洪水

為了分析秀水河彭家堡水文站建庫(kù)后系列計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果的合理性，對(duì)彭家堡水文站混合系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰頻率計(jì)算作為參考。從水文學(xué)原理上說(shuō)，不能計(jì)算混合系列的設(shè)計(jì)洪峰流量，由于混合系列包含建庫(kù)前年份的天然洪峰，也包含建庫(kù)后經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)彭家堡位置的實(shí)測(cè)組合洪峰，比單一的建庫(kù)后的實(shí)測(cè)組合洪峰系列計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰肯定是偏大的，因此，對(duì)混合系列的設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行頻率計(jì)算。采用1951—2010年資料，按連續(xù)系列矩法補(bǔ)矩進(jìn)行頻率計(jì)算，得出彭家堡水文站混合系列洪峰計(jì)算成果見(jiàn)表4。

（3）彭家堡水文站還原系列的設(shè)計(jì)洪水

為了分析彭家堡水文站混合系列成果的合理性，對(duì)彭家堡站1951—2010年還原系列進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)建庫(kù)后各年最大洪峰值（1959—2010年）進(jìn)行了還原計(jì)算，得到?jīng)]修建水庫(kù)條件下的系列，根據(jù)此系列，按連續(xù)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，其計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表5中1號(hào)為基準(zhǔn)樣，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)分別為高嶺土替代率為10%，20%，30%，40%的低碳混凝土試樣.

從表4可以看出，三個(gè)系列計(jì)算的成果相互關(guān)系合理，計(jì)算成果均值還原系列洪峰最大，混合系列次之，建庫(kù)后系列成果最??；CV值混合系列最大，建庫(kù)后系列最小。因此，建庫(kù)后52a系列的設(shè)計(jì)洪峰成果是相對(duì)合理的，彭家堡水文站的設(shè)計(jì)洪水可以采用建庫(kù)后的資料系列計(jì)算的成果，見(jiàn)表4。

2．2 設(shè)計(jì)洪水成果比較及4座水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的重新計(jì)算采用

對(duì)比秀水河上下游設(shè)計(jì)洪水成果，上游各水庫(kù)除險(xiǎn)加固階段（采用圖表法）的設(shè)計(jì)洪水成果，以花鼓窩堡水庫(kù)為例，與下游彭家堡站相比，50a一遇花鼓窩堡水庫(kù)的洪峰流量是897m3／s，洪峰模數(shù)達(dá)到3．49m3／s／km2，大于彭家堡站的洪峰流量799m3／s，洪峰模數(shù)0．52m3／s／km2，同一個(gè)流域上下游相差懸殊。

從經(jīng)驗(yàn)上看，圖表法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果一般系統(tǒng)偏大，為了使設(shè)計(jì)洪水成更加合理，不出現(xiàn)上游（花鼓窩堡）洪峰大于下游站（彭家堡）的情況，本次對(duì)上游各水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水重新計(jì)算。

拉馬章河位于秀水河左側(cè)，與秀水河緊鄰，同為遼河右側(cè)支流，拉馬章河上游建有尚屯中型水庫(kù)。拉馬章河尚屯水庫(kù)控制面積249．9km2，其所處的位置、流域自然概況、產(chǎn)匯流概況與秀水河上的五座中型水庫(kù)比較接近。尚屯水庫(kù)有長(zhǎng)系列的水文資料，所以重點(diǎn)分析尚屯水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水成果，本次秀水河上游各水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰、洪量用尚屯水庫(kù)推求。

以花鼓水庫(kù)為代表，用尚屯水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果推求的結(jié)果見(jiàn)表5。花鼓水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)最大泄洪量見(jiàn)表5。

本次上游各水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰、洪量采用尚屯水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水成果推求。

表5 花鼓水庫(kù)洪水成果以及洪水調(diào)節(jié)成果表

2．3 秀水河各控制斷面設(shè)計(jì)洪峰的分析采用

秀水河斷面控制流量變化較大的控制點(diǎn)，上游從花鼓窩堡－康法縣界－獾子洞河匯入口－新開(kāi)河下斷面彭家堡水文站，見(jiàn)圖1。中間各控制斷面的設(shè)計(jì)洪峰，從原理上分析是花鼓窩堡水庫(kù)放流加上區(qū)間的洪水過(guò)程的最大值。在計(jì)算中進(jìn)行了這樣的簡(jiǎn)化計(jì)算，上游用水庫(kù)最大放流控制，下游用彭家堡水文站設(shè)計(jì)洪峰控制，中間各控制地點(diǎn)洪峰按上下游洪峰值內(nèi)插求得。內(nèi)插的方法是按照小區(qū)間面積占上下游大區(qū)間面積的比例分配上下游流量的差值。秀水河從上游到下游各控制斷面的洪峰流量成果見(jiàn)表6。

表6 秀水河各控制斷面組合洪峰成果表 m3·s－1

3 成果合理性分析

尚屯水庫(kù)本次計(jì)算設(shè)計(jì)洪量包括1d、3d、5d的設(shè)計(jì)洪量，各時(shí)段洪量均值、設(shè)計(jì)值與歷時(shí)的關(guān)系，長(zhǎng)時(shí)段洪量大于短時(shí)段洪量，曲線圓滑無(wú)突變、趨勢(shì)合理，見(jiàn)圖2。各時(shí)段洪量Cv與歷時(shí)的關(guān)系，長(zhǎng)時(shí)段洪量Cv小于短時(shí)段洪量Cv，見(jiàn)圖3。將尚屯水庫(kù)各時(shí)段洪量頻率曲線點(diǎn)繪在同一坐標(biāo)圖上，見(jiàn)圖4，曲線走向一致、且沒(méi)有交叉現(xiàn)象，并保持了合理的差距。點(diǎn)繪了同一流域以頻率2%為代表的集水面積與設(shè)計(jì)洪峰雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖，設(shè)計(jì)洪峰隨著面積增大而增大，且在雙對(duì)數(shù)曲線上基本呈線性關(guān)系，見(jiàn)圖5。故可以認(rèn)為本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果基本合理。

圖2 尚屯水庫(kù)站洪量－歷時(shí)（日）關(guān)系圖

圖3 尚屯水庫(kù)站各時(shí)段設(shè)計(jì)洪量Cv－歷時(shí)（日）關(guān)系圖

圖4 尚屯水庫(kù)各時(shí)段洪量頻率曲線圖

4 問(wèn)題及解決方法

（1）秀水河流域?qū)儆谶|河中下游右側(cè)支流，上游到下游從低山丘陵區(qū)、逐漸過(guò)渡到平原地區(qū)，上游沒(méi)有水文站，按照常規(guī)方法（圖表法）計(jì)算，很容易導(dǎo)致上游設(shè)計(jì)洪水成果偏大。與下游用實(shí)測(cè)資料系列計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果矛盾，為了使上下游的洪水成果一致，修改了上游洪水，采用鄰近站的實(shí)測(cè)資料成果進(jìn)行合理推求，達(dá)到了流域內(nèi)的成果趨向于合理。

圖5 秀水河各站2%洪峰－面積雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖

（2）在彭家堡站的洪水頻率分析中，系列年限達(dá)到了60a，在系列中包含上游水庫(kù)建成前與建成后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)條件不同，對(duì)4座中型水庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)還原計(jì)算，由于中型水庫(kù)的觀測(cè)條件和資料精度有限，水庫(kù)洪量還原不準(zhǔn)確，同時(shí)建庫(kù)前的大水年暴雨洪水資料很寶貴，于是計(jì)算了3個(gè)系列的設(shè)計(jì)洪水，互相驗(yàn)證，互為分析，得到了工程需要采用的成果。

（3）上游有水庫(kù)，下游有控制站，區(qū)間洪水的簡(jiǎn)易求法為中間各控制斷面的設(shè)計(jì)洪峰，從原理上分析是上游水庫(kù)放流加上下游區(qū)間的洪水過(guò)程的最大值。簡(jiǎn)化計(jì)算為上游用水庫(kù)最大放流控制，下游用彭家堡水文站設(shè)計(jì)洪峰控制，中間各控制地點(diǎn)洪峰按上下游洪峰值根據(jù)區(qū)間面積內(nèi)插求得。

5 思考與結(jié)論

流域設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算中常遇到的問(wèn)題是計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果與上下游及鄰近流域成果不一致、發(fā)生矛盾，應(yīng)找到成果矛盾的水文成因，并采用多種方法分析計(jì)算互相驗(yàn)證，在水文分析計(jì)算時(shí)，對(duì)于具體情況，應(yīng)靈活分析，對(duì)資料進(jìn)行合理性的分析和甄別，對(duì)已有的資料盡量合理利用，盡量達(dá)到流域成果的平衡，從中找到最合理的解決方案。

［1］遼寧省水利廳．遼寧省水利普查成果［M］．北京：中國(guó)水利水電出版，2014．

［2］詹道江，徐向陽(yáng)，陳元芳．工程水文學(xué)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，1987．

［3］葉守澤．水文水利計(jì)算［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社出版，2013．

［4］金光炎．水文統(tǒng)計(jì)原理與方法［M］．北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1959．

［5］中華人民共和國(guó)水利部．SL 44－2006水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2006．