湟水流域區(qū)間暴雨洪水演變規(guī)律分析研究

【摘要】湟水起源于青海省，其中河源的海拔高度為4395m。外部環(huán)境的改變很容易對湟水造成一定的影響，所以及時了解當?shù)氐臍夂蜃兓约翱梢杂行П苊夂闈碁?zāi)害的發(fā)生。外部環(huán)境的改變很容易導(dǎo)湟水的泛濫，為此本文對洪水成因、洪水與泥沙的關(guān)系、洪水量相關(guān)計算等進行說明，以進一步減少洪澇災(zāi)害的發(fā)生。本課題以湟水流域作為研究突破口，探究水沙產(chǎn)生的來源及演變規(guī)律，為八盤峽水庫防洪及流域水量調(diào)度提供決策依據(jù)，希望對防洪救災(zāi)提供相應(yīng)的技術(shù)幫助。

【關(guān)鍵詞】湟水；水資源；水電站；演變規(guī)律；流域區(qū)間

1、引言

湟水是黃河上游的最大支流，位于黃河左岸。西起日月山與青海湖水系相鄰， 北依祁連山和河西走廊水系相鄰， 南以拉雞山為界與黃河干流水系為界，東連甘肅省黃河支流莊浪河水系。大地構(gòu)造屬祁連山褶皺帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，水系分布獨特，由西北向東南走向的祁連山、達板山和拉雞山三條平行的山脈和其間的兩條谷地組成了湟水干流和支流大通河水系。湟水干流位于流域的南部，河谷寬闊，流域?qū)?0-100km，屬于西北黃土高原區(qū)；最大支流大通河在流域的北部，貫穿于祁連山和達板山之間， 地勢高亢，流域呈條狀，河長大于干流湟水，形成了兩種截然不同的自然景觀共處于一個流域的獨特格局。

民和、享堂至八盤峽庫區(qū)區(qū)間暴雨洪水，具有突發(fā)性、預(yù)見期短，難以有效的控制，同時，洪水夾雜著大量泥沙，給八盤峽水電站的運行帶來諸多的問題。湟水河及支流大通河陸續(xù)建設(shè)了許多小電站，這些電站庫容較小，出庫水量很難進行統(tǒng)一調(diào)度，截流、放水隨意性較強。

2、區(qū)間水資源區(qū)域水資源狀況

2.1 氣候條件及氣象要素

湟水下游屬于高原干旱、半干旱的大陸性氣候，氣候垂直變化明顯，從西向東海拔逐步降低，氣溫隨之升高，降水逐漸減少。湟水地區(qū)多年平均降水量350mm，降水時空分布不均，山區(qū)降水量大，多在450mm以上，河谷地區(qū)在330mm左右。多年平均水面蒸發(fā)量在800～1200mm，自東南向西北逐漸減少。

2.2 區(qū)間入湟支溝概況

在該區(qū)間的湟水干流附近分布有眾多支流、支溝，集水面積有2203km2。湟水干流右岸有隆治溝、二道溝、咸水溝、磨彎子溝等，左岸有牛克溝、甜水溝、倒水溝、三條溝、大溝等。右岸是區(qū)間暴雨主要的發(fā)生地，也是區(qū)間洪水主要產(chǎn)匯流的區(qū)域。

2.3 洪水成因

湟水河域洪水主要由暴雨形成，暴雨的特點是歷時短、強度大、面積小，較大暴雨大部分是傍晚或夜間發(fā)生。暴雨的成因主要是由于各地水汽、熱力和動力條件以及地形的差異，致使暴雨在地理分布上并不與降水量相一致。

湟水流域的洪水都是由暴雨和大雨形成。由于降雨量時空特點，加之植被條件差，因而洪水過程陡漲陡落，峰高量不大，歷時短，最短的洪水過程歷時不足5h，暴雨洪水在時間上具有很好的相應(yīng)性，大多出現(xiàn)在7-9月，洪峰的年際變化大。降水時間短而強大，從起漲到落平只有幾小時。其洪水為春汛和夏汛，但較大洪水都發(fā)生在夏汛，由暴雨所造成。

八盤峽水庫的洪水組成主要是劉家峽水庫控制洪水和湟水流域洪水。湟水流域在民和、享堂分別設(shè)有水文站進行洪水監(jiān)測預(yù)報，但湟水流經(jīng)享堂、民和站74km后在八盤峽壩前匯入黃河，在此期間無任何洪水監(jiān)測手段，無法掌握民和、享堂水文站至八盤峽庫區(qū)區(qū)間暴雨洪水情況。

3、區(qū)間洪水分析

3.1 民和、享堂站設(shè)計洪水

湟水民和水文站和大通河享堂水文站逐年洪峰流量及發(fā)生時間統(tǒng)計見表3。從表中可以看出，湟水和大通河逐年的最大洪峰流量幾乎沒有同日發(fā)生的，說明這兩條河流的年最大洪峰流量常不同步出現(xiàn)。

歷史洪水及其稀遇程度由歷史洪水調(diào)查資料確定。據(jù)記載，湟水、大通河匯合口下游的紅古洪水調(diào)查斷面，1847年、1898年、1919年、1948年、1935年相繼發(fā)生過大洪水，調(diào)查的洪峰流量分別為4700、2500、1800、1600、1380 m3/s，除1847年洪水痕跡無法詳細辨認，洪峰流量可能存在較大誤差不能應(yīng)用外，其他洪水調(diào)查成果均較可靠。

歷史洪水的重現(xiàn)期依1847年為起始年，則：

（年）

其經(jīng)驗頻率為：

將調(diào)查值與實測值組成的年最大洪峰流量資料序列，經(jīng)過程序優(yōu)化適線。得出統(tǒng)計參數(shù)為： m3/s，Cv=0.37，Cs/Cv=4.0。

3.2 不同量級入庫洪水及傳播時間

按照重現(xiàn)期10～20年為較大洪水、重現(xiàn)期20～50年為大洪水、重現(xiàn)期50年以上為特大洪水以及本課題的任務(wù)，民和、享堂洪水流量，分為小水、中水、大水和特大水；按以上量級，統(tǒng)計民和、享堂發(fā)生以上標準洪水，民和、享堂至八盤峽洪水傳播時間用τ傳=S距/V速計算。

水文斷面一般選擇在比較順直的河道上，比彎道、寬淺河道處的流速大，所以對上述洪水統(tǒng)計分析后得出各級洪水到八盤峽水庫的傳播時間。見下表6。流量的單位m3/s，傳播時間（τ）的單位h。

3.3 洪水與泥沙的關(guān)系

八盤峽水庫入庫泥沙主要來源于鹽鍋峽出庫泥沙和湟水的泥沙。鹽鍋峽出庫泥沙是可控的，與其下泄洪水基本一致。湟水的泥沙主要來自于民和以上和區(qū)間，與洪水不同步。

3.4 暴雨點面折算

研究區(qū)暴雨具有降水強度大、籠罩面積?。ㄍ性趲椎綆资畟€平方公里）、造成的災(zāi)害嚴重的特點，較大面積的暴雨幾乎不可能發(fā)生。根據(jù)《甘肅省水文圖集》（甘肅省水利局水文總站編，1978.3），3小時暴雨量的衰減指數(shù)為0.65時的點面折算系數(shù)為0.59，用折算系數(shù)計算出各流域的面雨量見表8。

3.5 不同頻率的設(shè)計洪水

該區(qū)間是由無實測資料地區(qū)的眾多小流域組成，本設(shè)計采用地區(qū)經(jīng)驗公式法。

《橋涵水文》中針對全國各地小流域暴雨洪水計算問題，提出了區(qū)域性較強的經(jīng)驗公式，這里采用經(jīng)驗公式（2），即：

（4-2）

式中：—為設(shè)計頻率為p的洪峰流量（m3/s）；

—為設(shè)計頻率為P（%）的雨力（mm/h）；

—為流域集水面積（km2）；

、、—均為模型參數(shù)。

由于穿越斷面所在流域內(nèi)沒有實測雨量資料，模型參數(shù)、、在書中查得：、、。

該公式適用于流域面積較小，流域特征參數(shù)量算誤差較大的河流。

4、八盤峽入庫洪水分析

鹽鍋峽水庫為日調(diào)節(jié)水庫，經(jīng)過鹽鍋峽水庫調(diào)節(jié)，能將劉家峽水庫出庫泄量調(diào)節(jié)得更加均勻，使下游工農(nóng)業(yè)用水的取水口水位更加平穩(wěn)。同時，鹽鍋峽水庫借助于上游劉家峽水庫的調(diào)節(jié)作用，同步運轉(zhuǎn)，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著更大地作用，電站豐水期在基荷部分運行，只參與少量調(diào)峰任務(wù)，以盡量利用河流水量；在枯水期，與劉家峽水電站和其它水電站一起共同擔負電力系統(tǒng)的尖峰負荷部分，為系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)整頻率服務(wù)。在非常運行期間，為了完成隨時有可能出現(xiàn)的事故備用要求，運行規(guī)定一般情況下鹽鍋峽水庫水位控制在1618.00m—1619.00m之間運行，這樣可以在電力系統(tǒng)要求增加負荷，由鹽鍋峽水電站及時開機帶負荷時，水庫有足夠的調(diào)節(jié)庫容來滿足增加負荷的要求。

鹽鍋峽水庫為日調(diào)節(jié)性能，調(diào)節(jié)庫容7.00Mm3，相應(yīng)工作深度為0.50m，水位在1618.50m—1619.00m之間運行。但由于運行初期的淤積，使調(diào)節(jié)庫容逐年減少，1990年4月為5.13Mm3，1994年10月為4.85Mm3，至1998年5月僅為4.67Mm3，達不到日調(diào)節(jié)對庫容的要求。實際運行中，結(jié)合電力系統(tǒng)調(diào)峰及負荷調(diào)整的需要，以及滿足調(diào)整水庫水位的要求，將4000 m3/s或常年洪水情況下最低水位控制在1617.00m左右，以便減少淤積，增加有效庫容。據(jù)運行資料統(tǒng)計，近十年來一日內(nèi)最高運行水位與最低運行水位之差最大達到3.10m（1992年8月8日，最高水位1619.70m，最低水位1616.60m），相應(yīng)調(diào)節(jié)庫容達到26.00Mm3；為此在實際運行調(diào)度中，根據(jù)電力系統(tǒng)運行需要，將工作深度適當加大，即增大水位變化幅度，從而使調(diào)節(jié)庫容增加，為系統(tǒng)提供更多的調(diào)峰出力以及事故備用庫容。

龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)節(jié)洪水，是目前黃河上游河段防洪調(diào)度的主要形式。其聯(lián)合調(diào)度洪水的原則是使所有防洪對象達到或基本達到規(guī)范規(guī)定的防洪標準，以充分利用黃河上游水資源，使上游整個梯級水電站取得較好地發(fā)電效益。自1990年以來，在龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)節(jié)洪水的情況下，鹽鍋峽水庫最大入庫流量為1780m3/s，未達到設(shè)計洪水5510m3/s（0.5%），即未遇到設(shè)計及校核洪水標準，水資源充分利用，基本未棄水，只配合劉家峽水庫排沙，同步泄水拉沙。

5、湟水河下游段電站對八盤峽電站的影響

5.1 電站對該河段洪水過程的影響

由于該河段已建成的水電站均在河道上修建攔水壩抬高水位，將水流通過山洞或渠道引至下游發(fā)電，或者直接利用閘壩形成的水流落差發(fā)電。這些水電站庫容小，調(diào)蓄能力差，但在洪水期多座電站同時泄水會瞬間加大河道流量，形成人造洪峰。庫容泄空后又相繼蓄水，致使河道洪峰流量迅速減小。由于沒有形成有效的聯(lián)合調(diào)度機制，各電站的蓄水、泄水造成天然河道洪水呈鋸齒狀，枯水期蓄引水又會使減水河段水量減少，甚至發(fā)生斷流。

5.2 電站對該河段沙峰過程的影響

在河道上修建水電站均時，均需修建攔水壩抬高水位，形成水流落差發(fā)電。河道水位的抬高，造成河道內(nèi)一定河段比降變緩、水流流速變小、挾沙能力顯著減少，致使河道內(nèi)泥沙大量溯源淤積，壩址下泄水流的含沙量明顯減少。

5.3 區(qū)間水電站運行對八盤峽電站的影響

5.3.1 湟水河下游段河道對八盤峽電站運行的影響

近年來湟水河下游段流域由于采砂作業(yè)和小水電施工在一定程度上破壞了河床原有的形態(tài)結(jié)構(gòu)，形成的河道堆積體較多，使得水流變緩；河流改道，加劇河岸的沖刷，使來水含沙量增大。湟水第一次洪峰來時，大量的污物進入庫區(qū)，使機組攔污柵壓差迅速升高，給機組運行帶來很大壓力。另外河道采砂船只失控事件時有發(fā)生，給水庫安全運行帶來威脅。

5.3.2 區(qū)間水電站對八盤峽水庫調(diào)度的影響

①電站不規(guī)范的運行使民和、享堂站的水情信息失真

電站運行產(chǎn)生的人造洪峰致使湟水河民和、享堂站的水沙情信息失真，給水庫調(diào)度運行造成一定困難；

②電站攔水壩攔蓄的泥沙對下游產(chǎn)生潛在威脅

攔水壩攔蓄的泥沙對八盤峽水庫有很大的潛在威脅，在正常調(diào)度情況下對電站運行不產(chǎn)生影響，但在水沙不同步下泄或出現(xiàn)小水大沙的情況，則對八盤峽電站的安全運行造成嚴重威脅。

6、防汛抗洪應(yīng)急調(diào)度方案

6.1 現(xiàn)狀條件下，當區(qū)間電站全部發(fā)生整體垮壩的情況下，水調(diào)人員只有通過壩前庫水位的升高速度來判斷進入水庫的水量，同時由于區(qū)間流量的增大，大量雜物會沖入庫區(qū)，使攔污柵壓差急劇升高，因此，庫水位和攔污柵壓差便成為監(jiān)測湟水河下游段是否發(fā)生異常的兩個重要指標。

6.2 汛期要根據(jù)天氣預(yù)報，加強陰雨天氣的水文觀測。由于湟水下游區(qū)間，汛期多發(fā)生局部大暴雨或特大暴雨，汛期陰雨天，享堂、民和站應(yīng)24段制進行觀測發(fā)報，八盤峽電站壩上水位也應(yīng)進行24段制觀測，水位上漲速率過快時應(yīng)改為48段制觀測，嚴格按照度汛方案進行調(diào)度，做到防患于未然。

6.3 建立區(qū)間雨情監(jiān)測系統(tǒng)。國家已在甘肅、青海省境內(nèi)建立山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，湟水河下游區(qū)屬山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)，這里有山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)雨量觀測站，八盤峽電廠應(yīng)積極與蘭州市防辦聯(lián)系。

6.4 積極探索八盤峽電站與湟水河下游電站統(tǒng)一調(diào)度方案。將電站的運行進行統(tǒng)一管理，統(tǒng)一調(diào)度。這樣梯級電站可與八盤峽電站共享水情信息，提高電站調(diào)度運行的能力，最大限度地提高發(fā)電效率。

6.5 加強技術(shù)合作，不斷探索電站入庫洪水過程的預(yù)報能力。隨著水情信息傳遞能力的不斷加強、水文預(yù)報技術(shù)的不斷提高，電廠應(yīng)與水文部門的高級技術(shù)人員進行技術(shù)合作交流，研究八盤峽電站入庫洪水的預(yù)報方法，為電站運行調(diào)度提供技術(shù)支持。

7、總結(jié)

本文通過對湟水區(qū)間水資源區(qū)域水資源進行相關(guān)分析說明，此外針對湟水對八盤電站的影響進一步說明。在分析外界環(huán)境的改變對湟水水域產(chǎn)生的影響時，也對湟水的防洪設(shè)計進行了相應(yīng)的說明。同時通過制定相應(yīng)防洪應(yīng)對策略，減少自然災(zāi)害的發(fā)生和保證人們的人生安全。希望借助此論文可以對洪澇災(zāi)害的發(fā)生提供相應(yīng)的幫助。

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