微流域蓄水工程設計洪水分析計算淺析

陰宇宙

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

微流域蓄水工程設計洪水分析計算淺析

陰宇宙

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

小微流域上的蓄水工程采用天然設計洪水時有一定的風險。當蓄水工程建成后，形成一定面積的人工水面，流域產匯流條件發(fā)生明顯變化，暴雨在庫面蓄水的部分下滲損失可以忽略不計，降雨全部成為洪水。設計洪水總量比天然條件下明顯增大，確定工程規(guī)模時，須對工程蓄水前后設計洪水的變化進行比較，合理確定相應的設計洪水成果。結合陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程建成前后流域下墊面的變化，計算不同下墊面產流量，對其影響進行評價，結果表明：一遇設計洪量的絕對值增加了7.7萬m3，增幅達31.2%。當工程規(guī)模較小的時候，設計洪水增加后，則有可能對泄洪設施規(guī)模帶來比較大的影響。

微流域；蓄水工程；設計洪水；計算

1 微流域的定義初探

匯集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域，流域分水線包圍區(qū)域的平面投影面積，稱為流域面積。流域面積、河網密度、流域長度和平均寬度、平均高度和平均坡度等均為流域的基本特征參數(shù)，地理位置、氣候特征、下墊面條件等為流域的自然地理特征。流域如何分級，尚未查到有明確的劃分標準。

上世紀八十年代，陜西省編制了《中小流域設計暴雨洪水圖集》（以下簡稱“暴雨圖集”）。關于“暴雨圖集”的使用范圍，有如下規(guī)定：控制使用的流域面積范圍一般應在1000 km2以下；推理公式法適用面積范圍為300 km2以下，300 km2~500 km2供參考使用；瞬時單位線法適用面積范圍為300 km2~1000 m2，1000 km2~1500 km2供參考使用。“圖集”使用說明中提出“特小流域”1小時以內設計點雨量的計算方法，但未定義明確的劃分標準。在進行潛流的回加計算時，陜北地區(qū)和渭北地區(qū)的黃土溝壑區(qū)，流域面積50 km2以下均不扣潛流。與“圖集”同期完成的《渭南地區(qū)暨銅川市實用水文手冊》規(guī)定：對于面積小于10 km2的特小流域，面平均雨量是直接采用流域中心的點暴雨量。由此可見，“暴雨圖集”定義的中小流域上限為1500 km2，下限應為50 km2；流域面積小于10 km2時，可稱之為特小流域。

尚未正式施行的國家水利行業(yè)標準《小流域劃分及編碼規(guī)范》（征求意見稿）對小流域定義如下：小流域通常是指二、三級支流以下以分水嶺和下游河道出口斷面為界集水面積在50 km2以下的相對獨立和封閉的自然匯水區(qū)域。小流域的基本組成單位是微流域，是為精確劃分自然流域邊界并形成流域拓撲關系而劃定的最小自然集水單元。

水土保持行業(yè)的相關規(guī)范中，小流域一般是指面積小于300 km2的流域。根據其面積大小又可分為四級：一級小流域，流域面積50 km2~300 km2；二級小流域，流域面積10 km2~50 km2；三級小流域，流域面積5 km2~10 km2；四級小流域，流域面積小于5 km2。

從陜西省的工程水文實踐看，特小流域可初步定義為流域面積小于10 km2以下的流域，對應于水保行業(yè)的標準，則為三級以下的小流域。依照《小流域劃分及編碼規(guī)范》（征求意見稿），流域面積小于5.0 km2的特小流域，可稱之為微流域。本文探討的陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程提升改造項目擬建的陡溝蓄水池，位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)東南方向的白于山北麓一獨立的集水單元，其壩址斷面的集水面積為1.78 km2，應為微流域。

2 問題的提出

2016年10月，陜西省水利電力勘測設計研究院承接了陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程提升改造項目可研階段設計工作。該工程是為解決革命老區(qū)陜西定邊、甘肅環(huán)縣和寧夏鹽池、同心等縣部分地區(qū)人畜飲水困難，防治地方病，發(fā)展農業(yè)灌溉，改善生態(tài)而興建的一項揚水工程，是國家“八五”重點項目，工程包括三省共用工程和三省專用工程。1990年7月，陜西專用工程開工建設，1997年試通水至定邊縣城。2016年，啟動了提升改造工程設計，其主要任務有四項：改造分水口處的泵站，改造部分輸水管線，新建輸水管線至靖邊縣，新建一座調蓄池，即陡溝調蓄池。

陡溝調蓄池位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)東南約5.8 km處的陡溝灘灘村南側陡溝和泉子溝之間，屬白于山北麓黃土丘陵溝壑區(qū)。壩址斷面以上集水面積1.78 km2，流域形狀近似呈半圓形，無明確的主匯流河槽。經調查，該溝無日常徑流，僅在遭遇暴雨時產生洪水。調蓄池采用全攔全蓄的運用方式，設計標準為五十年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核，設計洪水采用相應的洪量控制。

一般情況下，水文設計成果為天然狀態(tài)下的設計洪水。但對特小流域、尤其是小微流域上的蓄水工程而言，采用天然設計洪水時有一定的風險。當蓄水工程建成后，形成一定面積的人工水面。人工水面和天然的流域下墊面不同，即產流、匯流條件不同。當工程蓄水后形成的水面所占的比例達到一定程度時，和天然條件下相比，蓄水后的設計洪水比明顯增大。

因此，在特小流域或微流域進行蓄水工程設計時，確定水工建筑物的規(guī)模時必須對工程蓄水前后設計洪水的變化進行比較，合理確定相應的設計洪水成果，確保建筑物安全。

3 陡溝調蓄池設計洪水分析計算

陡溝調蓄水池位于紅柳溝鎮(zhèn)東南方向賀圈村和張興莊之間，距紅柳溝鎮(zhèn)約5.8 km，為一低洼地，壩軸線高程約1476 m,最高的分水嶺海拔高程1631 m，相對高差約160 m。壩址以上集水面積1.78 km2，河長2.48 km，平均比降0.045，屬無資料地區(qū)。水庫采用全攔全蓄的運用方式，設計洪水僅需提供設計洪水總量。依據《榆林地區(qū)實用水文手冊》（以下簡稱“榆林手冊”），通過暴雨公式進行計算。

3.1 建庫前天然條件下產流量

3.1.1 設計暴雨

調蓄池地處白于山北麓，按照榆林手冊，屬白于山河源梁澗區(qū)，即暴雨分區(qū)Ⅲ。該區(qū)域設計暴雨歷時一般不超過24 h，考慮到該水庫工程的重要性及該地區(qū)暴雨的特殊性，出于工程安全考慮，本次設計暴雨時采用24 h，計算時段Δt取1 h。CS/CV取3.5，由皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)查得設計頻率為P的模比系數(shù)KP，得到設計頻率不同歷時的點暴雨量；通過點面關系，求得設計流域不同頻率的面暴雨量,點面系數(shù)取1.0。以1 h、3 h、6 h、12 h、24 h設計面雨量為控制，采用手冊中確定的“24小時暴雨概化雨型”，得到陡溝流域設計面雨量時程分配結果。

按照榆林地區(qū)實用水文手冊，調蓄池位于產匯流分區(qū)為Ⅳ區(qū),以超滲產流為主。設計工況下，土壤最大蓄水量Im=100 mm，前期影響雨量Pa=1/3Im。當前期影響雨量S＜80 mm時，土壤入滲率f=14.83S-1.08mm/min；當S≥80 mm時，f=0.13 mm/min。

計算結果如下：P=0.1%，凈雨量138.8 mm，相應的洪水總量為24.7萬m3；P=2%，凈雨量58.1 mm，相應的洪水總量為10.3萬m3；P=20%，凈雨量12.1mm，相應的洪水總量為2.24萬m3。

不同頻率面雨量及洪水總量計算結果見表1。

3.2 水庫蓄水運用后產流量

表1 調蓄池不同頻率的面雨量及洪水總量計算成果表

陡溝調蓄池建成后，正常蓄水位1510m，總庫容為963萬m3，水面面積67.4萬m2，占流域總面積的的37.9%。水庫蓄水運用后，降雨在水面部分全部形成產流，產流系數(shù)為1.0；水面之外的天然流域，產流計算時仍需考慮下滲量。

蓄水后的產流計算結果見表2。

表2 陡溝水庫蓄水后產流量計算成果表

3.3 推薦采用的設計成果

水庫蓄水運用后，產流條件發(fā)生了明顯改變，產流量也較天然條件下有明顯增大。以千年一遇暴雨計算結果看，水庫蓄水前天然條件下，產流量為24.7萬m3，水庫蓄水后增加到32.4萬m3，增幅為31.2%。五年一遇時變化最大，產流量增幅為166%。

從安全角度考慮，推薦采用建庫運用后的計算結果作為設計依據。

水庫建成前后產流量計算結果及變化情況見表3。

表3 陡溝水庫蓄水前后產流量計算成果對比表

4 結語

在本例中，工程蓄水運用后，產流條件將發(fā)生明顯改變。反映到設計洪水成果上，千年一遇設計洪量的絕對值增加了7.7萬m3，增幅達31.2%。當工程規(guī)模較小的時候，設計洪水增加后，則有可能對泄洪設施規(guī)模帶來比較大的影響。

陜西是一個水利大省，有眾多的小型水利工程，尤其在陜北地區(qū)，建有數(shù)以千計的小型水庫和淤地壩。近年來，隨著水資源開發(fā)力度的加大，一些地方和單位在特小流域、微流域修建小型水庫、蓄水工程，同時對小型水庫、淤地壩進行除險加固，將其改造為水源工程。本文探討的問題，具有一定的現(xiàn)實意義，其分析方法可供同行借鑒參考。

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1673-9000（2017）03-0145-02

2017-03-10

陰宇宙（1965-），男，陜西渭南人，高級工程師，主要從事水利水電工程水文設計研究工作。