瀟河源渦大壩壩址處設(shè)計洪峰值計算研究

王向明（晉中市瀟河流域管理局，山西晉中030600）

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瀟河源渦大壩壩址處設(shè)計洪峰值計算研究

王向明
（晉中市瀟河流域管理局，山西晉中030600）

鑒于瀟河源渦大壩以上流域下墊面發(fā)生較大變化，使得觀測期間內(nèi)產(chǎn)匯流狀況發(fā)生明顯改變，年徑流量和年最大洪峰遞減下降趨勢十分顯著，同時上游松塔水電站下閘蓄水也對源渦大壩處的設(shè)計洪峰值產(chǎn)生較大影響，設(shè)計洪峰值計算對于合理確定工程的規(guī)模及投資有至關(guān)重要的作用。為此必須按照水文資料觀測期間內(nèi)一致性原則重新估算修正瀟河源渦大壩處的設(shè)計洪峰值，修正估算設(shè)計洪峰值的思路與方法對類似流域計算設(shè)計洪峰值可提供借鑒參考。

瀟河；源渦大壩；設(shè)計洪峰值；計算；研究

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.030

1 流域基本情況

1.1 瀟河流域概況

瀟河是汾河的第二大支流，是晉中市的母親河，發(fā)源于昔陽縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，流經(jīng)壽陽、榆次區(qū)、清徐縣、小店區(qū)，在小店區(qū)洛陽村南匯入汾河。上游有松塔河、白馬河兩大支流，在壽陽縣蘆家莊匯合為干流，下游至榆次區(qū)北合流村又有涂河匯入，全長137km，流域總面積為3894 km2，瀟河流域水系分布圖見圖1。流域內(nèi)大部分為山區(qū)，瀟河源渦大壩位于瀟河干流出山口進入平川的源渦村，源渦大壩壩址以上流域面積為3090 km2，占瀟河流域面積的79.4%。瀟河源渦大壩以上流域?qū)俅箨懶园敫珊禋夂颍竞涓稍?，區(qū)內(nèi)普遍干旱缺水，多年平均降水量為475mm。

1.2 瀟河源渦大壩基本情況

源渦大壩為瀟河灌區(qū)渠首引水樞紐工程，始建于1950年，1952年底投入運行，1962年洪水沖毀又復(fù)建。樞紐由混凝土滾水壩、南北沖砂閘及南北干渠引水閘組成，大壩全長347m，壩高3m，屬低壩引水工程，基本無蓄水功能。在源渦大壩以上流域有兩處國家基本水文站，源渦大壩從1957年設(shè)立觀測站對徑流及洪水進行實測，流域內(nèi)的水文觀測資料較為完整可靠。

1.3 源渦大壩處現(xiàn)采用的設(shè)計洪峰值

圖1 瀟河流域水系分布圖

從源渦大壩開始至下游10km范圍均位于晉中市榆次城區(qū)，2012年完成了源渦大壩7km處的一期1.13km的瀟河河道整治與生態(tài)修復(fù)工程。該段河道防洪大堤按Ⅱ級堤防設(shè)計，堤防設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪峰。該工程50年一遇設(shè)計洪峰計算依據(jù)為源渦大壩處1957～2002年間的實測資料及歷史調(diào)查洪水，確定為1911m3/s，其中Cv值為1.4，Cs/Cv值為2.5。

2 問題的提出

依據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL44—2006）中7.0.1款的規(guī)定：當(dāng)設(shè)計流域內(nèi)的水利和水土保持措施使產(chǎn)流、匯流條件有明顯改變時，應(yīng)估算其對設(shè)計洪水的影響。那么源渦大壩以上流域在長達58年的觀測期內(nèi)產(chǎn)匯流狀況是否有明顯改變?應(yīng)如何估算其對設(shè)計洪峰值的影響? 2011年上游松塔水電站下閘蓄水影響應(yīng)如何修正?

3 產(chǎn)匯流狀況變化分析

3.1 年徑流量遞減下降趨勢顯著

將1957年在源渦大壩設(shè)立觀測站至2014年汛后上游松塔水電站下閘蓄水前的58年的徑流資料制表繪圖，從源渦大壩1957～2014年間平均徑流量（表1）及年間徑流量圖（圖2）可以看出，年徑流量隨時間遞減下降的變化趨勢較為明顯。2001～2011年間的平均徑流量僅為1957～1967年間的平均徑流量的18%，不到五分之一。

表1 源渦大壩壩處年間平均年徑流量統(tǒng)計表

圖2 源渦大壩年間徑流量圖

3.2 年最大洪峰遞減下降趨勢較為明顯

從1957～2014年間的年最大洪峰統(tǒng)計圖（見圖3）可以看出，年最大洪峰隨時間遞減下降的變化趨勢也十分明顯，同時年際間變化幅度隨時間也有明顯的減少趨勢。年最大洪峰按變化情況可大致分為兩個時期：1957～1966年間的異常期，10年間的年最大洪峰7次大于600m3/s，其中5次大于1000m3/s；1967年至今的穩(wěn)定期，48年間年最大洪峰僅為596m3/s。

從1957年至今的源渦大壩處年間洪峰統(tǒng)計表（見表2）可以看出，異常期與穩(wěn)定期存在嚴重的不一致性。1957～1966年的10年間年徑流量與年最大洪峰相關(guān)度非常高，1967年以后年最大洪峰不再隨年徑流量波動，同時年最大洪峰具有變化幅度逐漸變小趨穩(wěn)，這一現(xiàn)象表明流域內(nèi)下墊面的變化已促成產(chǎn)流、匯流基礎(chǔ)要素的顯著變化。

圖3 源渦大壩年間年最大洪峰圖

表2 源渦大壩壩處年間洪峰統(tǒng)計表

3.3 產(chǎn)匯流狀況改變原因分析

造成年最大洪峰存在嚴重不一致性問題的原因有天氣降雨偏大集中的因素，更主要的是開荒造梯田、大饑荒挖野菜草根、大煉鋼鐵毀林毀木等一系列人為因素，造成流域內(nèi)下墊面大范圍植被破壞水土流失所致。六七十年代隨著水庫、淤地壩、攔水壩、截潛流等大量水利工程的建設(shè)使得下墊面發(fā)生較大變化，產(chǎn)匯流條件明顯不同，加之農(nóng)作物密植高產(chǎn)及植被條件的改善，共同造成了1957～1966年的10年間與其后的48年間存在不一致性的問題。該問題可從以下兩個實例得到驗證。

從蔡莊水庫運行及淤積實例分析，蔡莊水庫是2011年前流域內(nèi)唯一的一座中型水庫，1960年8月建成蓄水，控制流域面積223 km2，總庫容2009萬m3，興利庫容960萬m3，由于當(dāng)時植被及水土保持狀況較差加之嚴重的洪災(zāi)，庫容被泥沙迅速淤積擠占，到七十年代興利庫容就僅剩200萬m3，但在其后的近四十年里200萬m3的興利庫容基本維持至今。

從不同時期極端強降雨天氣實例分析，2013 年7月8日至10日瀟河大壩壩址以上發(fā)生強降雨，特別是白馬河流域降雨量突破壽陽有氣象記錄以來的歷史同期極值，其中48h降水量解愁177.1mm，平頭156.4mm，蔡莊水庫149.0mm，宗艾132.5mm，平舒128.8mm。2013年流域以上17個雨量站統(tǒng)計的年平均降雨量達到684.4mm。短期降雨強度和年平均降雨量均接近或大于1962年的情況下，源渦大壩1962年與2013年的年徑流量對比為3.40億m3和0.41億m3，最大洪峰對比為1394m3/s和39m3/s，由此可以看出不同時期基本相同的強降雨所產(chǎn)生徑流與洪峰差異較大。

3.4 松塔水電站對源渦大壩處設(shè)計洪峰值的影響

松塔水電站工程位于山西省壽陽縣西草莊村旁的瀟河干流松塔河支流上，工程控制流域面積1174km2，是一座以城市生活用水、工業(yè)供水及水力發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用的中型水利樞紐工程。工程由均質(zhì)土壩、供水發(fā)電洞、泄洪洞、溢洪道、壩后發(fā)電站及壩后提水泵站等工程組成。攔河壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩高62.6m，設(shè)計總庫容9740萬m3。工程于2009年開始建設(shè)，2011年底下閘蓄水，目前已投入運行。

考慮到在源渦大壩上游兩大支流匯合處有國家基本水文站蘆家莊站，在松塔水電站壩址蓄水前有國家基本水文站獨堆站，三個關(guān)鍵斷面均有長系列實測洪峰流量資料。用數(shù)理統(tǒng)計方法分析三個斷面間洪峰流量關(guān)系系數(shù)，在松塔水電站調(diào)洪后洪峰流量與區(qū)間洪水做最不利疊加，在50年一遇洪峰值情況下估算松塔水電站對設(shè)計洪峰值的影響折減系數(shù)為0.75。

4 產(chǎn)匯流狀況改變后設(shè)計洪峰值估算

鑒于流域內(nèi)的產(chǎn)流、匯流條件改變明顯，存在不一致性的問題，通過對有關(guān)資料收集整理分析，提出如下設(shè)計洪峰值估算的具體方法。

4.1 對歷史洪水調(diào)查數(shù)據(jù)的處理

瀟河源渦大壩處無歷史調(diào)查洪水資料。在瀟河源渦大壩上游約25km處有國家基本水文站蘆家莊站，該站以上流域面積為2724 km2，占瀟河大壩以上流域面積的88.2%，資料顯示蘆家莊水文站共調(diào)查到1502年以來的6次歷史大洪水。由于蘆家莊至源渦大壩間河道對上游洪水有一定的滯洪蓄洪作用，1957年至2014年的58年間中，有46年蘆家莊洪峰流量大于源渦大壩，故蘆家莊歷史調(diào)查洪水宜采用數(shù)理統(tǒng)計分析兩斷面間洪峰流量關(guān)系進行延長插補。

4.2 對1957年至1966年間大洪峰流量的處理

考慮到源渦大壩1957年至1966年10年間產(chǎn)匯流條件與其后48年間的產(chǎn)匯流條件存在明顯不一致性，從已掌握的資料和手段還不能準(zhǔn)確對源渦大壩1957年至1966年10年間大洪峰流量作還原及一致性處理，作剔除處理也不合適。對此在使用頻率分析法匹配皮爾遜-III型曲線適線時，采取適當(dāng)調(diào)整Cv值，采取偏離中部吻合上部的方法，使1957年至1966年10年間的5個大洪峰流量點適當(dāng)偏離頻率曲線，Cv值由1.4調(diào)整為1.0，見圖4，以此方法處理1957年至1966年10年間產(chǎn)匯流條件的不一致性問題。

圖4 源渦大壩洪峰流量頻率曲線修正對比圖

依據(jù)源渦大壩處1957～2011年間的實測資料及上述調(diào)整修正，50年一遇洪峰值計算修正結(jié)果見表3。

表3 源渦大壩50年一遇洪峰值計算修正成果表

4.3 源渦大壩處洪峰值估算成果及合理性分析

根據(jù)產(chǎn)匯流一致性修正成果及松塔水電站對設(shè)計洪峰值的影響折減系數(shù)0.75，最終確定源渦大壩處50年一遇洪峰值為：1170m3/s×0.75 =878m3/s，該估算成果值較未修正前1462m3/s降低39.9%。

由于考慮的方法和修正有不同，規(guī)范沒有統(tǒng)一明確的計算辦法，故有必要對計算成果進行合理性分析。

從年限角度看，源渦大壩斷面處從異常期結(jié)束的1967年開始到現(xiàn)在連續(xù)48年間的最大洪峰值為596m3/s，近35年來最大洪峰值僅為288m3/s，加之今后松塔水庫的蓄洪削峰，50年

一遇洪峰值估算成果878m3/s還是有較大安全余量的。

使用《山西省水文計算手冊》采用暴雨推求法和地區(qū)經(jīng)驗公式法進行驗證，估算成果偏小，這與本流域大量水利工程建設(shè)有關(guān)。隨著山西省汾河流域大規(guī)模生態(tài)修復(fù)以及洪水資源利用工程的逐步實施，源渦大壩以上流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境會進一步改善，特別是小型水庫、攔水壩、淤地壩還將大量建設(shè)，大洪峰出現(xiàn)的條件和概率將繼續(xù)降低。

綜上所述，源渦大壩處50年一遇洪峰估算值是合理可靠的。

5 結(jié)語

通過對源渦大壩處產(chǎn)匯流條件一致性及松塔水電站對源渦大壩處洪峰值影響的分析與估算，說明產(chǎn)匯流條件對設(shè)計洪峰值的影響還是非常明顯的，修正是十分必要的。目前還沒有產(chǎn)匯流條件有明顯改變時合理估算其對設(shè)計洪水的影響的針對性、規(guī)范性、可操作性的一致性修正的技術(shù)手段，使得設(shè)計洪峰值容易產(chǎn)生較大偏差，出現(xiàn)計算結(jié)果不合理的情況，特別是在選用長系列水文資料進行設(shè)計洪峰值計算更應(yīng)高度重視產(chǎn)匯流條件的一致性問題，才能使設(shè)計值更加合理。

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1672-2469（2016）01-0093-03

2015-06-11

王向明（1966年—），男，高級工程師。