貴州巖溶地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析
——以烏都河水電站二期工程為例

張 樂，譚劍波

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550002;2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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貴州巖溶地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析
——以烏都河水電站二期工程為例

張 樂1，譚劍波2

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550002;2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

針對(duì)烏都河水電站二期工程巖溶地區(qū)水文、地質(zhì)條件復(fù)雜，各種巖溶形態(tài)發(fā)育齊全，產(chǎn)匯流條件各不相同等問題，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段根據(jù)流域暴雨洪水特性，結(jié)合參證站歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)電站壩址及廠房洪水進(jìn)行了定量計(jì)算.分析結(jié)果表明：工程區(qū)統(tǒng)計(jì)參數(shù)P=1%的洪峰模數(shù)為15～20 m3/s·km2，計(jì)算得P=1%的洪峰模數(shù)為15.5 m3/s·km2，計(jì)算成果比較合理，符合庫容小、河道型水庫類型.

巖溶地區(qū)；烏都河水電站；設(shè)計(jì)洪水；洪水計(jì)算

烏都河水電站二期工程測(cè)區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布，約占總面積的70%，地表及地下各種巖溶形態(tài)均較發(fā)育.地表石芽、溶溝、溶槽、巖溶洼地、槽谷、溶洞、落水洞、豎井、天窗、巖溶泉水、地下巖溶管道等各種巖溶形態(tài)發(fā)育齊全.由于巖溶地貌的復(fù)雜多樣，構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖溶十分發(fā)育，對(duì)洪水的影響程度各不相同[1].為了為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營管理等提供決策依據(jù)，通過現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)踏勘開展全面水文地質(zhì)調(diào)查，對(duì)巖溶影響設(shè)計(jì)洪水相關(guān)方面的規(guī)律性進(jìn)行全面分析，以獲得適合流域條件和工程特性的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果.

1 流域概況

烏都河系北盤江右岸一級(jí)支流，位于東經(jīng)104°35′～105°00′，北緯25°38′～26°00′之間，河流發(fā)源于盤縣水塘鎮(zhèn)里山嵐(海拔高程1 949 m)，于水城縣花嘎鄉(xiāng)牛滾塘注入北盤江.烏都河全流域面積1 997 km2，主河道河長106 km，流域總落差1 189 m.烏都河水電站壩址以上流域集水面積1 220 km2，主河道河長69.7 km，主河道平均比降為15.4‰.廠房以上流域集水面積1 305 km2，主河道河長75.3 km.烏都河電站壩址與廠址區(qū)間集水面積85 km2，其中地表集水面積僅4.5 km2，地下集水面積80.5 km2.

流域暴雨主要集中在汛期的6～9月，區(qū)內(nèi)雨日較多，P≥0.1 mm的降水日數(shù)206.5 d，P≥50 mm的暴雨日數(shù)3.7 d，多年平均水面蒸發(fā)量1 413.7 mm(E20蒸發(fā)皿).年平均相對(duì)濕度82%，最小相對(duì)濕度5%，多年平均風(fēng)速2.6 m/s，月平均最大風(fēng)速3.7 m/s(3月)，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速30 m/s(1971年3月1日)，風(fēng)向?yàn)閃；大風(fēng)(風(fēng)速17 m/s以上)平均每年出現(xiàn)28.9次，多出現(xiàn)在2～4月.常年風(fēng)向?yàn)镋、NE風(fēng)及靜風(fēng)，頻率分別為18%、21%、23%.大風(fēng)日數(shù)25.1 d，霧日數(shù)74.8 d，冰雹日數(shù)10.7 d.主要的災(zāi)害性天氣有干旱、冰雹、秋季低溫綿雨、倒春寒、霜凍等.

2 暴雨洪水特性

2.1 暴雨特性

烏都河電站壩址以上流域內(nèi)設(shè)有盤縣、普安氣象站，以及羊場(chǎng)、雞場(chǎng)坪雨量站，鄰近設(shè)有老廠、亦資孔、樂民等雨量站，分析各站歷年實(shí)測(cè)最大一日降水量資料，進(jìn)行頻率分析計(jì)算，成果(見表1).

表1 流域及鄰近各站最大一日降水量統(tǒng)計(jì)成果表

設(shè)計(jì)流域?qū)儋F州省一般雨區(qū)，但在夏季也常有日降水量在100 mm以上的大暴雨出現(xiàn)，冷鋒低槽和兩高切變是形成這種天氣的主要原因.根據(jù)流域內(nèi)的降雨觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：盤縣氣象站實(shí)測(cè)最大一日降水量為148.3 mm(1965年5月31日)，普安氣象站為149.4 mm(1974年10月4日)，草坪頭水文站實(shí)測(cè)最大一日降水量為115.5 mm(1979年7月15日)，受地形地貌影響，暴雨量級(jí)有從南向北減小的趨勢(shì).

從各站的暴雨量級(jí)來看，暴雨的高值區(qū)出現(xiàn)在老廠一帶，流域內(nèi)的盤縣、普安氣象站及雞場(chǎng)坪雨量站暴雨也較大，流域中心的羊場(chǎng)降雨量較小.從暴雨的統(tǒng)計(jì)成果可以看出，設(shè)計(jì)流域平均最大一日降水量均值在85 mm左右.

烏都河流域一般5月份進(jìn)入汛期，10月份結(jié)束，年最大一日降水量主要發(fā)生在6～8月份，占53.8%～76%.

2.2 洪水特性

烏都河流域?qū)俚湫蜕絽^(qū)雨源型河流，洪水均由暴雨所致，具有陡漲緩落、峰量集中、漲峰歷時(shí)短等山區(qū)性河流的特點(diǎn)，同時(shí)還受暴雨分布、暴雨強(qiáng)度、暴雨歷時(shí)和巖溶等影響[2-3].

據(jù)草坪頭水文站歷年實(shí)測(cè)資料分析，年最大洪水多發(fā)生在6～9月，占88.2%.洪水峰高量大，洪水過程多呈單、雙峰型，復(fù)式洪水較少見；漲峰歷時(shí)5～12 h，洪峰持續(xù)時(shí)間20 min～1 h，一次洪水總歷時(shí)3～10 d，實(shí)測(cè)最大洪峰流量為1 640 m3/s(1979年6月24日).

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1 參證站洪水計(jì)算

二期工程中搜集到草坪頭水文站1959—2009年共51年實(shí)測(cè)洪峰流量資料.黔西南州水文隊(duì)曾于1976年12月對(duì)烏都河草坪頭河段進(jìn)行過歷史洪水調(diào)查，成果如表2所示.將該站歷年實(shí)測(cè)洪水洪峰流量序列，加入1906年調(diào)查歷史洪水，構(gòu)成不連續(xù)洪水序列進(jìn)行頻率分析計(jì)算.由于1906年歷史洪水未超過實(shí)測(cè)最大洪峰流量，因此不做特大值處理，實(shí)測(cè)的1979年洪水(實(shí)測(cè)洪峰流量1 640 m3/s)重現(xiàn)期經(jīng)考證分析取為105年，1968年次大洪水(實(shí)測(cè)洪峰流量1 450 m3/s)重現(xiàn)期為53年，采用P-Ⅲ曲線進(jìn)行適線分析[4-5]，則參證站洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)(見表3).

表2 草坪頭水文站歷史洪水調(diào)查成果表

表3 草坪頭水文站洪水計(jì)算成果表 (單位：m3/s)

備注：資料序列為1906，1959—2009年，n=52年

3.2 歷史洪水計(jì)算

通過實(shí)地調(diào)查，在壩址上調(diào)查到1979年、2007年、2009年洪水位，在廠址處調(diào)查到2007年、2009年洪水位，其中1979年的洪水為調(diào)查最大洪水.由于壩址處洪水受下游入伏口的頂托影響，洪峰流量采用水文比擬法計(jì)算，廠址洪水采用曼寧公式計(jì)算并采用水面曲線法進(jìn)行驗(yàn)證[8].根據(jù)調(diào)查洪水水位，并結(jié)合壩址河段實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，壩址河段1979年洪水高程為1 207.61 m，洪峰流量為1 770 m3/s，為調(diào)查到的最大洪水.通過對(duì)盤縣報(bào)刊、水利志等相關(guān)資料考察，1979年洪水為烏都河1906年以來的最大洪水，由于更遠(yuǎn)時(shí)期的洪水難以考證，故洪水考證期從1906年開始至2011年為105年，確定1979年洪水重現(xiàn)期為105年，與上游草坪頭水文站的重現(xiàn)期一致.

3.3 壩址及廠房洪水計(jì)算

烏都河水電站壩址位于畔河落水洞上約1.0 km處，由于受落水洞阻水影響造成回水頂托，使得洪水位明顯抬高，因此不能采用曼寧公式或是水面曲線法推算調(diào)查洪水位相應(yīng)的洪峰流量.需采用水文比擬法計(jì)算壩址處洪峰流量，壩址控制集水面積1 220 km2，小于3 000 km2，洪峰流量面積影響指數(shù)n=0.67，考慮面積差異，洪峰Cv適當(dāng)減少，為0.62，將草坪頭水文站洪水比擬到壩址，得壩址處設(shè)計(jì)洪水成果(見表4).

烏都河電站廠址通過暗河與壩址河段聯(lián)結(jié)，由于廠址處無水文資料，同時(shí)受上游溶洞的調(diào)節(jié)作用影響，因此不能直接采用水文比擬法計(jì)算廠址洪水，故設(shè)計(jì)洪水以歷史洪水調(diào)查成果為主要依據(jù)，分析不同頻率下落水洞的削峰程度，進(jìn)而推算廠址設(shè)計(jì)洪水.

草坪頭水文站1979年實(shí)測(cè)洪峰流量1 640 m3/s，按面積比擬到落水洞進(jìn)口河段為1 770 m3/s(面積影響指數(shù)n=0.67)，但在落水洞出口河段調(diào)查洪峰流量為970 m3/s，可知落水洞削峰率為45.2%；草坪頭站2007年實(shí)測(cè)洪峰流量852 m3/s，按面積比擬到落水洞進(jìn)口河段為922 m3/s，但在落水洞出口河段調(diào)查洪峰流量為650 m3/s，可知落水洞削峰率約為29.5%；草坪頭站2009年實(shí)測(cè)洪峰流量728 m3/s，按面積比擬到落水洞進(jìn)口河段為788 m3/s，但在落水洞出口河段調(diào)查洪峰流量為580 m3/s，洪水削峰率為26.4%.

從洪水調(diào)查成果分析，洪水量級(jí)越大，落水洞削峰作用越大，點(diǎn)繪洪水洪峰流量～削峰率曲線(見圖1).當(dāng)洪水頻率P<10%的時(shí)候，落水洞的削峰率在30%以下，當(dāng)洪水頻率P>1%，落水洞的削峰率可達(dá)46%左右，根據(jù)削峰率統(tǒng)計(jì)成果，確定P=0.2%～50%頻率下洪水削峰率在0～54.7%之間.

根據(jù)壩址設(shè)計(jì)洪水、不同頻率下的削峰率，計(jì)算得不同頻率下廠房的設(shè)計(jì)洪水成果(見表4).

圖1 落水洞洪峰流量～削峰率曲線圖

項(xiàng)目均值CvCs/Cv頻率P/%0.20.330.5123.3351050壩址設(shè)計(jì)洪水/(m3/s)5170.6242350216020001750149013101160919402溶洞削峰比例/%///54.753.451.244.840.036.733.929.410.3廠房設(shè)計(jì)洪水/(m3/s)///10601010976966894829767649361

3.4 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

烏都河電站(一期)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為1 230 m3/s(P=3.33%), 校核洪水洪峰流量為2 000 m3/s(P=0.5%)，原參證站、壩址洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)及不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果(見表5).

表5 烏都河電站原設(shè)計(jì)洪水成果表 (單位：m3/s)

通過與原一期設(shè)計(jì)洪水成果相比較，二期工程洪水計(jì)算中參證站的洪峰均值比原來大，而變差系數(shù)較原來小，分析其原因，主要是因?yàn)閮纱嗡玫馁Y料序列長度不一致所造成，原使用的資料序列為1959—1989年共31年，而二期工程中使用的資料序列為1959—2009年共52年，資料序列較原來長，實(shí)測(cè)資料中1989年至今的洪峰流量較大，但未出現(xiàn)特大值，因而出現(xiàn)洪峰流量均值比原來大、洪峰Cv比原來小，是符合洪水變化規(guī)律的，因此，采用二期工程中設(shè)計(jì)的洪水成果.

烏都河水電站壩址洪峰流量平均值為517 m3/s，洪峰模數(shù)為4.42 m3/s·km2，Cv=0.62；烏都河上游的西沖水文站洪峰流量平均值43.7 m3/s，模數(shù)為4.29 m3/s·km2，Cv=0.72；鄰近拖長江流域上的土城水文站洪峰流量平均值432 m3/s，模數(shù)為4.33 m3/s·km2，Cv=0.42；馬別河上的馬嶺水文站洪峰流量平均值5.22 m3/s，模數(shù)為5.22 m3/s·km2，Cv=0.4.從周邊水文站實(shí)測(cè)洪峰流量來看，西沖、土城站較小，馬嶺水文站最大，分析其原因，主要是因?yàn)槲鳑_、土城站流內(nèi)域巖溶較發(fā)育，暴雨量級(jí)較??；而馬別河流域?qū)儋F州省暴雨高值區(qū)，從普安—青山—馬嶺—興義降雨量逐漸增大，興義則為暴雨高值中心區(qū).又據(jù)貴州省水文水資源局所作《貴州省年最大洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)的地區(qū)綜合分析》，本區(qū)域P=1%的洪峰模數(shù)為15～20 m3/s·km2，計(jì)算P=1%的洪峰模數(shù)為15.5 m3/s·km2，兩者基本一致，因此計(jì)算洪水成果是比較合理的.

4 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算與復(fù)核

由于烏都河水庫庫容太小，削峰作用甚微，故按泄量等于來量進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算.水庫設(shè)計(jì)采用壩頂溢洪和底孔泄洪，經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核，溢洪道堰頂高程為1 182 m，溢流凈寬30 m，綜合流量系數(shù)為2.0，堰流公式：q=2.0×B×H3/2；底孔為方形，底板進(jìn)口高程1 175.00 m，中心高程為1 176.5 m；綜合流量系數(shù)為2.66，孔流公式：q=2.66×A×H01/2，底孔面積A=3 m×3 m=9 m2，水庫泄流曲線計(jì)算成果(見表6及圖2).

表6 水庫泄流曲線計(jì)算成果表

烏都河水庫無特殊的防洪任務(wù)，洪水調(diào)節(jié)計(jì)算僅考慮大壩本身的防洪要求.洪水調(diào)度原則為：不預(yù)留防洪庫容，自正常蓄水位1 182 m起調(diào)，溢洪道、底孔同時(shí)泄流.低頻率洪水時(shí)采用水量平衡方程式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，當(dāng)受伏流入口阻水影響后，采用伏流入口水位泄流曲線～入伏口以上庫容曲線～洪水過程線進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，在求得不同流量下入伏口前水位后，再采用伯努利方程推算上游水庫壩址水位，得到各壩址相應(yīng)的洪水位.

圖2 水庫泄流曲線與壩后水位流量關(guān)系曲線圖(低水時(shí))

經(jīng)復(fù)核，一期已建大壩P=3.33%設(shè)計(jì)洪水位為1 199.83 m，P=0.5%校核洪水位為1 211.4 m，總庫容為384萬m3.與原初設(shè)相比，設(shè)計(jì)洪水位增加0.63 m，校核洪水位降低0.13 m，經(jīng)比較，設(shè)計(jì)洪水為比之前高主要是設(shè)計(jì)洪水洪峰流量比原設(shè)計(jì)大，校核洪水位比原設(shè)計(jì)校核洪水位低0.13 m，大壩是安全的.經(jīng)比較，水庫設(shè)計(jì)洪水位使用二期工程復(fù)核結(jié)果，校核洪水位仍采用原初設(shè)成果，即設(shè)計(jì)洪水位為1 199.83 m，校核洪水位為1 211.53 m，總庫容398萬m3.當(dāng)上下游水位基本持平時(shí)，Q=430 m3/s，此時(shí)Z=1 185.3 m，相當(dāng)于P=40%左右的洪水.

5 結(jié) 論

烏都河水電站二期工程是在一期工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，工程沿用一期的大壩、溢洪道等永久建筑物.設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成較為復(fù)雜，各種巖溶形態(tài)發(fā)育齊全.通過對(duì)烏都河流域暴雨洪水特性規(guī)律的推演計(jì)算，定量分析了新建工程對(duì)河道行洪能力的影響，為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和興利調(diào)度運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù).

(1)烏都河河段從1906年至今最大洪水發(fā)生在1979年，洪水高程為1 207.61 m，洪峰流量為1 770 m3/s)，洪水考證期為105年.

(2)烏都河水電站壩址及廠房洪水計(jì)算結(jié)果與庫面面積小、河道型水庫類型等特點(diǎn)匹配，洪水計(jì)算時(shí)考慮伏流入伏口的頂托作業(yè)和巖溶的滯峰、下泄能力等，洪水計(jì)算方法是比較合理.

(3)烏都河水庫在設(shè)計(jì)中沒有防洪任務(wù)，也沒有特別的防洪保護(hù)對(duì)象，不設(shè)防洪庫容，洪水調(diào)節(jié)僅考慮樞紐本身的安全是可行的.

(4)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算過程中，正常蓄水位進(jìn)行起調(diào)水位，低頻率洪水時(shí)采用水量平衡方程式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，當(dāng)受伏流入口阻水影響后，采用伏流入口水位泄流曲線～入伏口以上庫容曲線～洪水過程線進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，在求得不同流量下入伏口前水位后，再采用伯努利方程推算上游水庫壩址水位，得到各壩址相應(yīng)的洪水位，計(jì)算方法比較合理.

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Calculation and Analysis of Design Flood in Karst Area of Guizhou—A Case of Phase II Project of Wuduhe Hydropower Plant

ZHANG Le1, TAN Jian-bo2

(1.Guizhou Xinzhongshui Engineering Co. Ltd., Guiyang 550002, China;2.Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

In the karst area of the 2ndphase project of Wuduhe Hydropower Plant, the hydrogeological condition is extremely complete due to the various karst forms and different runoff conditions. In order to accurately grasp the influential regularity of Karst landform on the flood and to ensure the river and dam’s running safety during flooding, according to the characteristics of the rainstorm and flood in the river basin, as well as the historical flood data of the station, the flood quantitatively calculation has been done during the planning and design stage. The analysis results show that, in the project area, the statistical flood peak modulus ofP=1% is 15～20 m3/s·km2and the calculation results ofP=1% is 15.5 m3/s·km2, the calculation results are rational, in accordance with the reservoirs of small storage and river-type.

karst area; Wuduhe Hydropower Plant; design flood; flood calculation

2016-04-12

張 樂(1984-)，女,陜西臨潼人，碩士，工程師，主要從事水利水電工程水文及規(guī)劃工作.

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1008-536X(2016)06-0024-05