淺析中小流域設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成

龍章發(fā)，龔紅梅

(1.貴州新中水工程有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550004; 2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

淺析中小流域設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成

龍章發(fā)1，龔紅梅2

(1.貴州新中水工程有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550004; 2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

防洪設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)斷面上游調(diào)蓄作用較大的水庫(kù)或分洪、滯洪等工程，對(duì)洪水具有調(diào)節(jié)作用，改變了天然洪水的狀況，直接影響了下游設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)洪水。對(duì)中小流域而言，水文觀測(cè)資料相對(duì)比較缺乏，為合理推求下游防洪控制斷面設(shè)計(jì)洪水，從設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布著手，根據(jù)各分區(qū)洪水過(guò)程線，通過(guò)試算得出各分區(qū)洪水的組合方式，并分析得出下游控制斷面的設(shè)計(jì)洪水成果。研究表明該方法切實(shí)可行，可以定性、定量分析上游水庫(kù)調(diào)蓄作用對(duì)下游洪水的影響。

設(shè)計(jì)暴雨；地區(qū)分布；水量平衡；削峰滯洪；洪水組成

流域內(nèi)設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成是帶有明顯隨機(jī)性的，受各分區(qū)流域的特征參數(shù)、下墊面情況，流域內(nèi)暴雨中心位置及其變動(dòng)情況[1]、雨區(qū)的移動(dòng)方向等因素影響較大[2]。目前，隨著水利學(xué)科的發(fā)展，多變量的聯(lián)合水文分析方法成為水文分析計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)[3]，尤其是近年來(lái)Copula函數(shù)[4]在水文領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使得其推求設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成成為可能。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成常用的方法主要有地區(qū)組成法(典型年組成法，同頻率組成法)、頻率組合法、隨機(jī)模擬法等[5]。但是針對(duì)各中小流域設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成的計(jì)算，由于水文資料的缺乏，考慮的因素比較單一，在實(shí)際應(yīng)用中仍然不盡合理[6]。文中以菱溪水庫(kù)為例，根據(jù)水庫(kù)流域以上各分區(qū)設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布情況，推求各個(gè)分區(qū)的設(shè)計(jì)洪水。通過(guò)天然洪水過(guò)程線峰、量加以控制，試算得到流域上各分區(qū)洪水的組合的錯(cuò)峰時(shí)間。進(jìn)而考慮上游陳田水庫(kù)的調(diào)蓄作用后，采用天然情況下的洪水組合方式，推求得到菱溪水庫(kù)壩址斷面的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

1 工程流域概況

菱溪水庫(kù)位于福建省惠安縣西北部，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電和供水等綜合利用的中型水庫(kù)。1956年6月建成，大壩為黏土心墻壩，壩址以上控制流域面積51.2 km2，主河道長(zhǎng)度16.2 km，平均比降21‰，興利庫(kù)容1 681.1萬(wàn)m3，總庫(kù)容3 060萬(wàn)m3，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。1972年，菱溪水庫(kù)上游8.0 km處興建陳田水庫(kù)，大壩為黏土斜墻壩，壩址以上控制流域面積29.2 km2，主河道長(zhǎng)度8.0 km，平均比降27‰，興利庫(kù)容1 742萬(wàn)m3，總庫(kù)容2 563萬(wàn)m3，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。隨著陳田水庫(kù)的興建，其對(duì)上游洪水的調(diào)蓄，使得下游菱溪水庫(kù)的洪水過(guò)程發(fā)生較大變化。各分區(qū)流域特征參數(shù)見表1，流域示意圖見圖1。

表1 各分區(qū)流域特征參數(shù)表

圖1 流域示意圖

2 設(shè)計(jì)暴雨地區(qū)分布

設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布依據(jù)水量平衡原理[7]，采用同頻率控制法[8]，根據(jù)各分區(qū)流域的設(shè)計(jì)面雨量，當(dāng)菱溪水庫(kù)壩址以上總流域發(fā)生指定頻率的設(shè)計(jì)面雨量時(shí)，陳田水庫(kù)壩址以上流域也發(fā)生同頻率暴雨，菱溪水庫(kù)壩址至陳田壩腳則為相應(yīng)雨量，即：

(1)式中：HA、HB、HAB分別為陳田水庫(kù)流域、菱溪水庫(kù)流域、區(qū)間流域設(shè)計(jì)暴雨，mm；FA、FB、FAB分別為陳田水庫(kù)流域、菱溪水庫(kù)流域、區(qū)間流域集雨面積，km2。

同理，當(dāng)菱溪水庫(kù)壩址以上流域發(fā)生指定頻率的設(shè)計(jì)面雨量時(shí)，菱溪水庫(kù)壩址至陳田壩腳區(qū)間也發(fā)生同頻率暴雨，陳田水庫(kù)壩址以上流域則為相應(yīng)雨量。根據(jù)以上原理，可以求出P=0.05%時(shí)菱溪水庫(kù)與陳田水庫(kù)同頻、區(qū)間相應(yīng)(以下稱組合Ⅰ)以及菱溪水庫(kù)與區(qū)間同頻、陳田水庫(kù)相應(yīng)(以下稱組合Ⅱ)兩種組合情況下的設(shè)計(jì)暴雨，見表2。

表2 各分區(qū)流域最大24 h設(shè)計(jì)暴雨成果表

單位：mm

3 設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成

研究設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成，應(yīng)在分析計(jì)算設(shè)計(jì)斷面天然情況下設(shè)計(jì)洪水峰、量及洪水過(guò)程線[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行?？紤]到影響洪水地區(qū)組成的因素較多[10]，并且由于中小流域地區(qū)實(shí)測(cè)資料比較缺乏，難以從各個(gè)方面一一考慮。本文以天然情況各分區(qū)不同組合情況下的洪水過(guò)程線為基礎(chǔ)，通過(guò)試算得出各分區(qū)洪水過(guò)程的組合方式。

3.1 天然情況下設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)之前推求所得的各流域不同組合情況下的設(shè)計(jì)暴雨，根據(jù)地區(qū)暴雨洪水設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用推理公式法[11](見式(2)、式(3))即可推求出天然狀況下各流域考慮不同組合情況下的設(shè)計(jì)洪水及洪水過(guò)程線。天然狀況各流域不同組合情況下設(shè)計(jì)洪水成果見表3。

(2)

(3)

式中：Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；h為歷時(shí)內(nèi)的最大凈雨量，mm；τ為流域匯流時(shí)間；m為采用福建沿海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)匯流參數(shù)；L為沿主河道從壩址至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；J為沿流程L的平均比降,‰；F為流域面積,km2。

表3 天然狀況各分區(qū)流域不同組合情況下 (P=0.05%)設(shè)計(jì)洪水成果表

3.2 菱溪水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水組成

陳田水庫(kù)壩址距離菱溪水庫(kù)8.2 km，區(qū)間河道平均比降14‰，根據(jù)上述方法推求所得的天然狀況下各分區(qū)P=0.05%的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，將陳田水庫(kù)洪水過(guò)程線與區(qū)間洪水過(guò)程線按不同錯(cuò)峰時(shí)間(0.50 h、0.75 h、1.00 h)疊加后跟菱溪水庫(kù)壩址天然情況下的洪水過(guò)程線相比較，從洪峰、洪量以及漲峰退水過(guò)程上比較分析得出，錯(cuò)峰0.75 h疊加后的洪水過(guò)程跟天然情況下菱溪水庫(kù)壩址的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程基本一致。根據(jù)菱溪水庫(kù)管理站的實(shí)測(cè)資料，洪水情況下陳田水庫(kù)下泄洪水到達(dá)菱溪水庫(kù)的時(shí)間約為1.00 h左右，本次試算所得2 000 a一遇洪水情況下錯(cuò)峰時(shí)間為0.75 h，比實(shí)測(cè)時(shí)間稍短，符合洪水的一般規(guī)律，成果合理。

菱溪水庫(kù)的入庫(kù)洪水為陳田水庫(kù)調(diào)節(jié)后的下泄洪水過(guò)程與區(qū)間洪水過(guò)程疊加而成，由于區(qū)間河床較陡(J=18‰)，本次洪水疊加不考慮區(qū)間河道[12]的槽蓄影響[13]，只考慮陳田水庫(kù)下泄洪水與區(qū)間洪水的錯(cuò)峰時(shí)間。根據(jù)洪水地區(qū)組成的兩種方案，將陳田水庫(kù)對(duì)發(fā)生同頻率洪水和相應(yīng)洪水分別調(diào)蓄后的下泄流量，與陳田水庫(kù)～菱溪水庫(kù)區(qū)間相應(yīng)洪水和同頻率洪水過(guò)程錯(cuò)峰0.75 h后疊加，得到兩種組合情況菱溪水庫(kù)的入庫(kù)洪水過(guò)程(如陳田水庫(kù)第15 min(0.25 h)泄流量為5.5 m3/s，陳田水庫(kù)-菱溪水庫(kù)區(qū)間第60 min(1.00 h)來(lái)水量12.3 m3/s，則第1 h菱溪水庫(kù)入庫(kù)流量為17.8 m3/s)，菱溪水庫(kù)壩址洪水過(guò)程見圖2。

圖2 菱溪水庫(kù)壩址洪水過(guò)程線

4 設(shè)計(jì)洪水成果分析

由于上游陳田水庫(kù)的興建，控制流域面積29.2 km2，約占菱溪水庫(kù)壩址以上流域面積60%，興利庫(kù)容1 742萬(wàn)m3，總庫(kù)容2 563萬(wàn)m3，調(diào)蓄能力較強(qiáng)，對(duì)陳田水庫(kù)壩址以上控制流域洪水的削峰作用非常明顯達(dá)55%，對(duì)菱溪水庫(kù)壩址流域削峰達(dá)35%左右。根據(jù)圖2，通過(guò)上游陳田水庫(kù)調(diào)蓄作用后，菱溪水庫(kù)壩址洪水過(guò)程與天然洪水過(guò)程相比發(fā)生了較大變化。由于陳田水庫(kù)削峰滯洪[14]的影響，菱溪水庫(kù)洪水過(guò)程漲峰時(shí)段洪量減少，洪水組成主要以區(qū)間洪水為主，峰現(xiàn)時(shí)間[15]提前；退水過(guò)程卻變得相對(duì)較緩，洪量增加，洪水組成以陳田水庫(kù)下泄洪水為主。由此表明，在流域下墊面條件改變及上游水庫(kù)調(diào)蓄影響下，本次推求所得菱溪水庫(kù)壩址洪水過(guò)程，與該流域的實(shí)際洪水特性比較吻合，洪水成果基本合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)考慮上游水庫(kù)調(diào)蓄作用后的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了研究。根據(jù)水量平衡原理，通過(guò)分析計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布、洪水頻率組合方式以及考慮上游水庫(kù)削峰滯洪影響，推求下游設(shè)計(jì)洪水。由文中實(shí)例成果表明，該方法切實(shí)可行，可以定性、定量分析上游水庫(kù)調(diào)蓄作用對(duì)下游洪水的影響。對(duì)中小流域設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成的計(jì)算有一定的參考及實(shí)踐價(jià)值。

[1] 張洪剛，郭海晉，歐應(yīng)鈞，等.長(zhǎng)江流域洪水地區(qū)組成與遭遇規(guī)律研究[J].人民長(zhǎng)江，2013,44(10):62-65.

[2] 水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局．水利部南京水文水資源研究所.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1995.

[3] 郭生練，閆寶偉，肖 義，等.Copula函數(shù)在多變量水文分析計(jì)算中的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].水文，2008,28(3):1-7.

[4] 閆寶偉，郭生練，郭 靖，等.基于Copula函數(shù)的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010,29(6):60-65.

[5] 謝小平，黃靈芝，席秋義，等.基于JC法的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006,25(6):125-129.[6] 米文靜，王雙銀，向友珍.已建成水庫(kù)的防洪安全復(fù)核方法研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(3):178-181.[7] 水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范:SL44-93[S].北京：水利電力出版社，1993.

[8] 詹道江,葉守澤.工程水文學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[9] 謝 蕾,徐 仁.上游建庫(kù)對(duì)頭屯河水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的影響分析[J].人民黃河，2010，32(2):53-54.

[10] 梁忠民，陸 波.考慮上游中小水庫(kù)影響的水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水研究[J].水電能源科學(xué)，2004，22(4):27-29．

[11] 陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1985.

[12] 曹 磊,張貴金,夏 波,等.河道改造對(duì)彎曲河段的水力影響模擬研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14(1):21-26.

[13] 芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[14] 宋東輝，徐 晶.上游有調(diào)洪水庫(kù)的小流域洪水過(guò)程計(jì)算[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(5):38-39．

[15] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

Analysis of Regional Composition of Design Flood in Small and Medium River Basin

LONG Zhangfa1, GONG Hongmei2

(1.GuizhouXinzhongshuiEngineeringCo.,Ltd.,Guiyang,Guizhou550004,China;2.GuizhouZhongshuiConstructionManagement,Guiyang,Guizhou550002,China)

In flood protection design reservoirs or flood diversion and detention projects with significant flood-egulating functions at the upstream design section are of significance to flood regulation, because they change conditions of natural flood and have direct influences on the design flood to the downstream design section. For medium and small basins, the hydrological data are relatively limited. To accurately calculate the peak flow of downstream design section, in this paper we start from the regional distribution of design rainstorm, and then according to the flood hydrograph of each district, the combination mode of flood in each district is obtained by trial calculation, and the design flood results of downstream control section are obtained. The results show that the method is feasible and can provide qualitative and quantitative analysis of the influence of upstream reservoir regulation of downstream flood.

design rainstorm; regional distribution; water balance; peak clipping and flood detention; flood composition

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.045

2016-11-25

2017-01-10

龍章發(fā)(1987—)，男(苗族)，湖南懷化人，工程師，主要從事工程水文及水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。 E-mail:2621528390@qq.com。

TV122

A

1672—1144(2017)02—0237—04