鎮(zhèn)安縣縣河云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址處洪水分析

呂 玲

（陜西省涇惠渠灌溉管理局，陜西 三原 713800）

為了解決鎮(zhèn)安縣城供水和烤煙發(fā)展灌溉用水問(wèn)題，擬在縣河建設(shè)云鎮(zhèn)水庫(kù)。縣河系乾佑河一級(jí)支流，有東西兩源，東源為大窯溝，西源為黑窯溝，兩源于火紙廠附近相匯，經(jīng)云鎮(zhèn)、結(jié)子、于興隆寺匯入乾佑河。流域全長(zhǎng)39.1 km，流域面積246 km2，比降18.1‰。云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址位于縣河流域云蓋寺鎮(zhèn)以上1.5 km處，壩址以上控制流域面積74.4 km2，河長(zhǎng)14.6 km，比降54.0‰，壩址處河床高程845m。為保證水庫(kù)安全建設(shè)，需對(duì)縣河徑流及洪水進(jìn)行分析計(jì)算。

1 徑流分析

縣河流域無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，本次徑流分析以乾佑河柞水水文站作為徑流計(jì)算參證站。

1.1 年徑流特性

縣河流域的徑流主要由降水形成，縣河的徑流在汛期主要靠降水入滲補(bǔ)給，枯水季節(jié)靠地下水補(bǔ)給。徑流具有年際變化較大，年內(nèi)分配不均的特點(diǎn)。根據(jù)乾佑河柞水水文站1981~2011年31年實(shí)測(cè)年徑流資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均徑流量為1.47億m3，年徑流量最大為3.70億m3(1983年)，最小為0.42億m3（1997年），最大值為最小值的8.81倍；7~9月徑流量占全年的51.5%，而12~2月徑流量?jī)H占年徑流量的5.75%。

2.2 參證站徑流分析計(jì)算

柞水站實(shí)測(cè)徑流系列年限為31年，2009~2011年因引乾濟(jì)石工程引水影響徑流，經(jīng)還原計(jì)算，三年天然徑流量分別為1.53 億 m3、1.71 億 m3、2.37 億 m3。通過(guò)柞水、青泥灣兩站 1981~2011年31年同步徑流系列作直線相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.96，根據(jù)柞水站1959~2011年年徑流量進(jìn)行頻率計(jì)算，按矩法初步估算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，然后采用P—Ⅲ型曲線適線，適線結(jié)果：多年平均徑流量為 1.45 億 m3，CV=0.5，CS=2.5CV。

1.3 工程壩址斷面設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算

柞水站以上流域代表雨量站為老林站、柞水站，兩站1970~2011年多年平均降雨量均值為811.7mm；縣河流域代表雨量站為太山廟雨量站，工程斷面下游有鎮(zhèn)安氣象站，本次采用1980~2011年太山廟雨量站多年平均年降雨量與鎮(zhèn)安站相同系列多年平均年降水量的比值作為修正系數(shù)，乘以鎮(zhèn)安站1970~1979年年降水量，得到太山廟雨量站1970~2011年年降水量系列，計(jì)算得到設(shè)計(jì)流域多年平均面降雨量為900.1mm。據(jù)此計(jì)算得到降雨修正系數(shù)為1.11。柞水站控制流域面積為457 km2，云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址控制流域面積為74.4 km2，按面積比擬法并考慮降水修正，計(jì)算得壩址處多年平均年徑流量為2620萬(wàn)m3。

2 洪水分析

2.1 暴雨洪水特性

縣河的洪水是由暴雨形成的，暴雨的特性決定著洪水特性。根據(jù)柞水站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)暴雨最早發(fā)生在5月，最遲出現(xiàn)在11月，但量級(jí)和強(qiáng)度較大的暴雨一般發(fā)生在7~8月。雷暴雨多發(fā)生在夏季，一般為地形雨，籠罩面積小，歷時(shí)短，強(qiáng)度大?？h河流域的洪水最早出現(xiàn)在5月，但洪峰流量較小，年最大洪水一般出現(xiàn)在7~8月。

2.2 歷史洪水及重現(xiàn)期

根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》及青泥灣站實(shí)測(cè)資料，青泥灣水文站河段有6場(chǎng)大洪水，根據(jù)洪水調(diào)查及訪問(wèn)記錄情況，1902年洪水為最大洪水，洪峰流量為3100m3/s，洪水重現(xiàn)期為110年。柞水水文站河段變化較大，洪水位不可靠，無(wú)法推流，無(wú)洪水調(diào)查成果。根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》，云鎮(zhèn)河段有1場(chǎng)大洪水，為1957年洪水，洪峰流量為269m3/s（較可靠）。在壩址河段調(diào)查到1983年洪水最大，洪水位為848.8m，采用曼寧公式推算得洪峰流量為500 m3/s。故本次將1983年洪水重現(xiàn)期定為50年一遇，1957年洪水重現(xiàn)期定為20~30年一遇。

2.3 設(shè)計(jì)洪水

縣河流域?qū)贌o(wú)資料地區(qū)，現(xiàn)采用匯水面積法、綜合參數(shù)法、水文比擬法、推理公式法分別進(jìn)行洪水計(jì)算，洪水標(biāo)準(zhǔn)按0.1%、0.2%、2%、5%、10%、20%進(jìn)行計(jì)算。

2.3.1 匯水面積法

參照《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式——匯水面積相關(guān)法，以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：QP為設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計(jì)流域面積74.4 km2；Kp為模比系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，詳見(jiàn)《水文手冊(cè)》；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，乾佑河流域?yàn)?.566。

計(jì)算所得結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址匯水面積法設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3.2 綜合參數(shù)法

利用《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式——綜合參數(shù)法，以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)查取《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》相關(guān)圖表，云鎮(zhèn)水庫(kù)流域重心處6小時(shí)暴雨量均值H6h＝55mm，Cv＝0.60，按 Cs＝3.5Cv 查得 Kp 值，計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨值。計(jì)算公式為：

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計(jì)流域面積74.4 km2；J為主河道平均比降；Hp為設(shè)計(jì)頻率為P的6h暴雨量，取 55 mm；Kp為模比系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，詳見(jiàn)《水文手冊(cè)》；n、α、β為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，n＝0.58、α＝0.0355、β＝0.55。

計(jì)算所得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3.3 推理公式法

由五萬(wàn)分之一航測(cè)圖上量得云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址流域特征值，流域面積74.4 km2，主河道長(zhǎng)14.6 km，河道比降54‰。根據(jù)《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》及《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》，工程區(qū)暴雨歷時(shí)采用12小時(shí)，暴雨計(jì)算時(shí)段采用1小時(shí)。根據(jù)手冊(cè)及暴雨洪水圖集中年最大1、3、6、12小時(shí)點(diǎn)雨量均值及變差系數(shù)等值線圖查得設(shè)計(jì)斷面以上流域重心處各歷時(shí)點(diǎn)雨量的均值及變差系數(shù)Cv值，取Cs=3.5Cv，查皮爾遜Ⅲ型曲線kp表，可計(jì)算得到相應(yīng)歷時(shí)設(shè)計(jì)頻率的點(diǎn)雨量。采用點(diǎn)面系數(shù)，由設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量可推求設(shè)計(jì)面雨量，根據(jù)12h設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配表對(duì)面雨量進(jìn)行分配，得到面降雨過(guò)程。縣河產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，流域土壤最大蓄水量Im為80mm，設(shè)計(jì)情況下前期影響雨量為Pa=53.33mm（2/3Im），則初損量為I0=Im-Pa=26.67mm。將面降水過(guò)程一次扣除初損量，即得產(chǎn)流過(guò)程。將產(chǎn)流總量扣除20%潛流量，即為凈雨量。按照推理公式法，推求設(shè)計(jì)洪峰流量的公式為：

式中，m 為流域匯流參數(shù)，m=0.193θ0.584

按流域特征值及上述公式，得2條Qm~t曲線計(jì)算結(jié)果。將2條Qτ~τ曲線點(diǎn)匯于同一坐標(biāo)系中，其兩條曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱橫坐標(biāo)，即為所求的洪峰流量和匯流歷時(shí)。并考慮回加潛流、基流，不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量Qm、匯流歷時(shí)τ見(jiàn)表3。另外，計(jì)算了5%、10%，洪水成果見(jiàn)表3。

表3 云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3.4 水文比擬法

（1）參證站設(shè)計(jì)洪水

洪峰流量選樣采用年最大值法，洪量按固定時(shí)段獨(dú)立選取年最大值法，根據(jù)流域的洪水特性，洪水的計(jì)算時(shí)段確定為1日。根據(jù)青泥灣站1959~2011年53年同場(chǎng)洪水洪峰流量與一日洪量建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.94，相關(guān)方程如下：

式中：W1為一日洪量，（萬(wàn) m3）；Q 為洪峰流量，（m3/s）。

根據(jù)上述方程求得青泥灣站1902、1926、1957年一日洪量分別為：11700萬(wàn) m3、8380 萬(wàn) m3、7020萬(wàn) m3。根據(jù)青泥灣水文站實(shí)測(cè)洪水系列，加入1902、1926、1957年調(diào)查洪水，按不連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算，以矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P—Ⅲ型曲線適線，計(jì)算得到青泥灣站不同頻率的洪峰流量、一日洪量，不同頻率的洪水見(jiàn)表4。

柞水站調(diào)查洪水參考青泥灣站1902、1926、1957年調(diào)查洪水，采用面積比擬法進(jìn)行推算，求得洪峰流量分別為1660、1130、921m3/s。另根據(jù)柞水站洪峰流量與一日洪量建立相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為r=0.89，相關(guān)方程為：

根據(jù)上述方程得 1902、1926、1957年一日洪量分別為：3963萬(wàn) m3、2983萬(wàn) m3、2565萬(wàn) m3。根據(jù)柞水站實(shí)測(cè)洪水系列，加入1902、1926、1957年洪水，按不連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算，以矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P—Ⅲ型曲線適線，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 青泥灣站、柞水站不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：洪峰m3/s；洪量萬(wàn)m3

（2）云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水成果

云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算按下式計(jì)算：

式中：Q設(shè)、Q參為壩址、參證站設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；F設(shè)、F參為壩址、參證站控制流域面積（km2）；n為面積指數(shù)，取0.566。

壩址不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表5。

表5 云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址水文比擬法設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：洪峰m3/s；洪量萬(wàn)m3

2.3.5 設(shè)計(jì)洪水成果采用

各方法計(jì)算成果見(jiàn)表6，從表中可以看出，除匯水面積相關(guān)法計(jì)算成果略小外，其他幾種方法基本處于同一量級(jí)；當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1000、500年時(shí)，推理公式成果略小于綜合參數(shù)法成果，對(duì)于50、20、10年一遇洪水，推理公式成果最大。根據(jù)洪水調(diào)查情況，1983年洪水為50年一遇洪水，洪峰流量為500m3/s。與推理公式法計(jì)算成果一致。因此，從考慮安全起見(jiàn)，推薦采用推理公式法計(jì)算成果。頻率為20%設(shè)計(jì)洪水采用以柞水站為參證站水文比擬法成果。

表6 云鎮(zhèn)水庫(kù)壩址各種方法設(shè)計(jì)洪水成果表 單位：洪峰m3/s；洪量萬(wàn)m3

3 結(jié)語(yǔ)

縣河流域無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，壩址處多年平均年徑流量為2620萬(wàn)m3。本次設(shè)計(jì)采用4種方法推算設(shè)計(jì)洪水，并進(jìn)行綜合分析，確定計(jì)算斷面的洪水成果采用推理公式法成果，各工程斷面洪水計(jì)算成果為20年一遇洪水為350m3/s，洪水量為630萬(wàn)m3；50年一遇洪水為490m3/s，洪水量為820萬(wàn)m3；500年一遇洪水為830m3/s，洪水量為1270萬(wàn)m3，可供秦嶺山區(qū)河道洪水分析借鑒。