混聯(lián)型梯級水庫群的典型洪水地區(qū)組成

周祥林，燕文明

(1.中國電力建設(shè)股份有限公司，北京100048；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210098)

混聯(lián)型梯級水庫群的典型洪水地區(qū)組成

周祥林1，燕文明2

(1.中國電力建設(shè)股份有限公司，北京100048；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210098)

為研究不同洪水地區(qū)組成對混聯(lián)型梯級水庫群防洪的影響，以紅水河龍灘以上流域為研究對象，選擇典型洪水并分析其來水特性，應(yīng)用單時段和多時段典型洪水地區(qū)組成法推求了混聯(lián)型梯級水庫的典型洪水的地區(qū)組成。結(jié)果表明：典型洪水應(yīng)選擇以無控制區(qū)間來水為主的典型，對下游防洪較不利；單時段典型洪水地區(qū)組成法適用于分區(qū)少且各梯級調(diào)洪控制時段差別小的情況；多時段典型洪水地區(qū)組成法適用于分區(qū)多且各梯級調(diào)洪控制時段相差大的情況。

典型洪水；設(shè)計洪水；梯級水庫；地區(qū)組成

近年來，梯級水庫的開發(fā)模式已經(jīng)普遍存在于我國的重要江河之上，梯級水庫的調(diào)洪作用直接影響著其下游防洪斷面的設(shè)計洪水[1，2]，劉章君等[3]指出推求防洪斷面以上各分區(qū)洪水的地區(qū)組成是確定設(shè)計洪水的關(guān)鍵。常見的方法有隨機模擬法[4]、典型洪水地區(qū)組成法(同倍比放大法[5]、同頻率地區(qū)組成法[6])等。其中，典型洪水地區(qū)組成法是推求梯級水庫群設(shè)計洪水的基本方法之一，采用設(shè)計斷面設(shè)計洪量與典型洪水洪量的放大倍比來放大上游各分區(qū)典型洪水，將各分區(qū)放大后的洪水進行調(diào)洪演算并將其下泄過程與下游區(qū)間過程進行組合計算，推求受上游水庫調(diào)蓄影響的設(shè)計斷面設(shè)計洪水[7，8]。典型洪水地區(qū)組成法在串聯(lián)型梯級水庫設(shè)計洪水分析計算中已有較廣泛的應(yīng)用，對于混聯(lián)型梯級水庫如何應(yīng)用，本研究將依托紅水河龍灘以上流域進行探討。紅水河流域水文測站始建于20世紀30年代，主要水文測站、蔗香站、這洞站、盤江橋站和天生橋站。

典型洪水地區(qū)組成法又分為單時段典型洪水地區(qū)組成法和多時段典型洪水地區(qū)組成法。單時段典型洪水地區(qū)組成法以設(shè)計斷面控制時段設(shè)計洪量為控制，按典型洪水各分區(qū)洪量占設(shè)計斷面洪量的比例計算各分區(qū)洪量。在梯級水庫情況下，采用多時段典型洪水地區(qū)組成法進行分析計算。首先推求梯級水庫總控制斷面某頻率各時段的設(shè)計洪量，選擇典型過程，計算設(shè)計斷面各時段的放大倍比(如K3、K7-3、K15-7)，對上游各分區(qū)的同一典型洪水過程線均采用設(shè)計斷面的K3、K7-3、K15-7的倍比進行放大，然后自上而下逐級進行水庫調(diào)洪演算和河道匯流計算，并與區(qū)間洪水過程疊加推求設(shè)計洪水過程。該法受選取的洪水典型影響較大，應(yīng)選擇多種典型洪水；另外，由于各時段放大倍比不同，在銜接處需修勻，進行一致性檢查。

1 紅水河龍灘以上流域典型洪水地區(qū)組成研究

1.1 控制時段的選擇

龍灘以上流域，主流長，大支流多，加之地形復(fù)雜，往往造成連續(xù)性洪水，單峰洪水甚少，復(fù)峰居多。單峰洪水過程一般6～8 d，雙峰過程10～15 d；而天生橋一次洪峰過程一般為7 d左右，這洞、盤江橋洪水過程一般陡漲緩落，一次洪水過程一般5～7 d，洪量以3天洪量為主。光照調(diào)洪起主要作用的時段約為3 d，董箐約為1d，天生橋約為3～5 d，龍灘約為7 d左右，故考慮到上下游洪水過程特性，單時段控制時段選取W7d，多時段控制時段選取W3d，W7d，W15d。

1.2 典型洪水的選取

通過洪水地區(qū)組成特點及洪水遭遇情況分析，選擇1966年、1968年、1971年和1990年大洪水作為典型洪水。其中，1966年為4個連續(xù)洪峰組成的復(fù)峰過程，在調(diào)洪計算時，對龍灘工程本身最為不利；1971年為上游南盤江實測最大洪水，本年天生橋壩址峰、量值所占紅水河龍灘以上洪水峰、量值的比例較大；1990年典型為北盤江這洞水文站和區(qū)間洪水所占紅水河龍灘以上流域洪水比重較大的年份；1968年(天生橋、董箐～龍灘)區(qū)間來水占紅水河龍灘以上流域來水比例較大。

1.3 單時段典型洪水地區(qū)組成方案

(1)選擇4個典型洪水，將龍灘壩址斷面的現(xiàn)行工程常用頻率(P=0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%、10%)按龍灘壩址天然情況下設(shè)計洪水W7d洪量與龍灘典型洪水W7d洪量的倍比，放大各分區(qū)的典型洪水。

(2)進行水量平衡檢驗。將光照下演至董箐與(光照～董箐)區(qū)間洪水過程線疊加后與董箐壩址設(shè)計洪水過程線比較，天生橋下演至龍灘、董箐下演至龍灘與(天生橋、董箐～龍灘)區(qū)間洪水過程線疊加后與龍灘壩址設(shè)計洪水過程線比較。

(3)按照天生橋、光照及董箐各自調(diào)洪原則進行調(diào)洪計算，推求下泄流量。

(4)將天生橋的下泄流量經(jīng)河道演算至龍灘及受光照影響的董箐下泄流量經(jīng)河道演算至龍灘，再與(天生橋、董箐～龍灘)區(qū)間洪水過程疊加，求得龍灘壩址設(shè)計洪水過程。再統(tǒng)計受上游水庫影響的龍灘壩址各工程常遇頻率的W7d值，見表1。

1.4 多時段典型洪水地區(qū)組成方案

(1)選取1966年，1968年，1971年，1990年洪水作為典型洪水。將龍灘壩址斷面的現(xiàn)行工程常用頻率(P=0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%、10%)按龍灘壩址天然情況下同頻率放大倍比(K3、K7-3、K15-7)放大各分區(qū)洪水過程線。

(2)由于放大后的過程線在時段銜接處有突變，在保持各時段洪量與設(shè)計洪量相等的原則下進行修勻，并對放大后的洪水過程線進行水量平衡檢驗。將各區(qū)間洪水過程線疊加后與設(shè)計洪水過程線比較，在滿足上下游水量平衡的基礎(chǔ)上，重點修正上游斷面的設(shè)計洪水過程線。

(3)按照天生橋、光照及董箐各自調(diào)洪原則作調(diào)洪計算，計算天生橋、光照及受光照影響的董箐壩址設(shè)計洪水下泄流量。

(4)將天生橋、董箐的下泄流量演算至龍灘壩址與(天生橋、董箐～龍灘)區(qū)間洪水過程疊加，推求龍灘壩址設(shè)計洪水過程，統(tǒng)計龍灘壩址各工程常遇頻率的W3d，W7d，W15d值，見表1。

1.5 全系列典型洪水地區(qū)組成方案

本次對龍灘22年實測典型洪水進行單時段(W7d)，多時段(W3d、W7d、W15d)典型洪水地區(qū)組成法計算，對龍灘受上游梯級影響的龍灘組合洪水與龍灘壩址設(shè)計洪水進行比較。通過計算比較可以看出，單時段W7d控制的典型洪水地區(qū)組成法計算的龍灘受上游梯級影響的設(shè)計洪水，只有控制時段W7d控制得住，而W3d不能很好的控制；而多時段控制的典型洪水地區(qū)組成法計算的龍灘受上游梯級影響的組合洪水，與龍灘壩址天然情況下的設(shè)計洪水過程線偏離較小，各控制時段都能得到很好的控制。

2 成果分析比較

(1)不同典型采用單時段、多時段控制推求的龍灘受上游水庫群影響的設(shè)計洪水計算成果比較，見表1，可知：在采用典型洪水組成法時典型選擇很關(guān)鍵。當選擇1971年典型時，上游天生橋水庫調(diào)蓄影響作用比較明顯，更有利于下游龍灘的防洪；當選擇1968年典型時，上游水庫調(diào)蓄對龍灘影響很小，對龍灘防洪最為不利；當選擇1990年典型時，由于光照董箐的調(diào)蓄作用較小，對龍灘基本無影響；當選擇1966年典型時，上游水庫的調(diào)蓄影響不大。

表1 不同典型龍灘受上游水庫調(diào)蓄影響的壩址設(shè)計洪水成果比較 億m3

注：1966年典型為全流域大水；1968年典型為區(qū)間來水為主典型；1971年典型為天生橋來水為主典型；1990年典型為這洞和區(qū)間來水為主典型。

(2)1971年典型多時段控制的計算結(jié)果和龍灘壩址天然洪水設(shè)計成果見表2?？芍?，若采用1971年典型時，對于小頻率的洪水，上游水庫對W3d的影響大于對W7d的影響，即上游水庫對短時段洪量影響大于長時段洪量影響。

(3)P=0.01% 4個典型的單時段、多時段控制推求的受上游水庫影響的龍灘壩址設(shè)計洪水成果見表3，可知：采用單時段W7d控制推求的龍灘壩址W7d能較好控制，對W3d控制尚可，對W15d控制欠佳；而采用多時段控制推求的龍灘壩址洪水其整個過程都能較好地控制。

表2 采用典型洪水組成法推求受上游水庫影響的壩址設(shè)計洪水量(1971年典型，多時段控制)

本研究共對22年的典型進行了計算。若考慮典型洪水是以區(qū)間來水為主(1966年、1968年)，在區(qū)間與龍灘的W7d的相關(guān)圖略大于同頻率線，按典型洪水組成計算的區(qū)間P=0.01%、W7d就接近于天然情

表3 推求受上游水庫影響龍灘壩址萬年一遇設(shè)計洪水成果比較(單、多時段控制) 億m3

注：壩址天然設(shè)計洪水P=0.01%；W3d=76.9；W7d=158；W15d=285。

況下區(qū)間(P=0.01%)W7d頻率計算的洪量；而1997年、2001年典型，在區(qū)間與龍灘W7d的相關(guān)圖中小于同頻率線及實測平均線，按典型洪水組成計算(不考慮上游水庫調(diào)洪)的區(qū)間(P=0.01%)W7d明顯小于天然情況下(P=0.01%)W7d頻率計算的洪量。若考慮典型洪水是以天生橋來水為主(1971年)，在天生橋與龍灘的W7d的相關(guān)圖中大于同頻率線，按典型洪水組成計算的天生橋(P=0.01%)W7d就接近于天生橋天然情況下(P=0.01%)W7d頻率計算的洪量；2002年典型，在天生橋W7d與龍灘W7d的相關(guān)圖中小于同頻率線和實測平均線，按典型洪水組成計算的W7d就明顯小于天生橋天然情況下(P=0.01%)W7d頻率計算的洪量。若考慮典型洪水以這洞來水為主，如1997年典型，在這洞與龍灘的W7d的相關(guān)圖中略大于同頻率線和實測平均線，按典型洪水組成計算的這洞(P=0.01%)W7d就接近于其天然情況下(P=0.01%)W7d頻率計算洪量；1990年典型在這洞與龍灘W7d的相關(guān)圖中小于同頻率線和實測平均線，按典型洪水組成(不考慮上游水庫調(diào)洪)計算的這洞(P=0.01%)W7d就明顯小于這洞天然情況下(P=0.01%)W7d頻率計算的洪量。

通過以上分析可知，若采用典型洪水地區(qū)組成法推求設(shè)計洪水時，無需對全部系列典型進行計算，當采用的典型是上游水庫來水為主的典型，上游水庫調(diào)蓄作用明顯；當采用無控區(qū)間來水為主的典型時，水庫調(diào)蓄作用不明顯。

3 結(jié) 論

(1)在分析流域暴雨洪水特性和地區(qū)組成規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇了4個有代表性的典型，分析了典型洪水的來水特性。

(2)在設(shè)計工作中，從安全角度考慮，典型洪水應(yīng)選擇以無控制區(qū)間來水為主的典型，它對下游防洪較不利。

(3)單時段典型洪水地區(qū)組成法適用于分區(qū)少且各梯級調(diào)洪控制時段相差小的情況；多時段典型洪水地區(qū)組成法適用于相反的情況。

[1]黃靈芝， 謝小平， 黃強， 等. 梯級水庫設(shè)計洪水地區(qū)組成研究中的JC法[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報， 2006(4)： 163-167．

[2]王正發(fā)， 楊百銀. 梯級水庫防洪標準選擇的方法體系分析研究[J]. 西北水電， 2011(3)： 10-15．

[3]劉章君， 郭生練， 李天元， 等. 梯級水庫設(shè)計洪水最可能地區(qū)組成法計算通式[J]. 水科學(xué)進展， 2014(4)： 575-584．

[4]陳元芳. 隨機模擬法與傳統(tǒng)方法推求設(shè)計防洪庫容優(yōu)劣的初步研究[J]. 水科學(xué)進展， 2000(1)： 64-69．

[5]王憲寶. 設(shè)計洪水過程線放大方法比較[J]. 吉林水利， 2015(5)： 56-58．

[6]鄧頌霖， 杜興強. 同頻率地區(qū)組成法在設(shè)計洪水中的運用[J]. 東北水利水電， 2014(5)： 37-38．

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Typical Flood Regional Composition of Mixed and Connected Cascade Reservoir System

ZHOU Xianglin1, YAN Wenming2

(1.Power Construction Corporation of China, Ltd., Beijing 100048, China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

In order to study the influence of different regional floods on flood control capacity of mixed and connected cascade reservoir system, the Hongshui River Basin is taken as a study case. The typical floods are selected to analyze the inflow characteristics, and the regional composition of typical flood of mixed and connected cascade reservoirs are derived by using the regional composition method of single-period and multi-period typical flood. The results show that, (a) the flood with uncontrolled regional inflow must be selected as the typical flood, which has adverse influence on downstream flood control; (b) the single-period method is applicable for the calculation of the flood regional composition under the conditions of less partition and small flood regulation time difference of cascade reservoirs, and in contrast, the multi-period method will be a better selection for the conditions of many partition and large flood regulation time difference of cascade reservoirs．

typical flood; design flood; cascade reservoir system; regional composition

2016-05-16

周祥林(1981—)，男，安徽金寨人，高級工程師，研究方向為水資源規(guī)劃．

TV123

A

0559-9342(2016)11-0091-04