攔馬山水電站洪水流量設計及合理性分析

程華衛(wèi)

攔馬山水電站位于陜西省漢中市南鄭縣碑壩鎮(zhèn)境內(nèi)的嘉陵江二級支流碑壩河上游，是《碑壩河流域水電開發(fā)規(guī)劃》中攔馬山至川陜界河道水能資源梯級開發(fā)中的第一級水電站。電站壩址在碑壩鎮(zhèn)攔馬山段河道，距離南鄭縣城85 km，距離下游碑壩鎮(zhèn)6 km，壩址控制流域面積163 km2。

1 流域概況

碑壩河發(fā)源于南鄭縣西河鄉(xiāng)長梁村，為嘉陵江二級支流，先后流經(jīng)西河、碑壩等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。南鄭縣境內(nèi)流長52.72 km，控制流域面積340.11 km2，其中10 km2以上流域面積支流9條，多年平均流量9.65 m3/s，河道繞行于高山峻嶺之間，河身狹窄，谷身陡峭呈“V”字形，比降18.38‰，河床寬度30～50 m，具有山區(qū)河流暴漲暴落的典型特征。

本工程的主要任務是水力發(fā)電。工程由擋水壩、導流沖沙洞、發(fā)電引水洞和電站廠區(qū)四部分組成。大壩正常蓄水位912.00 m，電站裝機容量6000 kW（2×3000 kW），年發(fā)電量1802萬 kW·h，年利用小時數(shù)3007 h，工程規(guī)模屬Ⅴ等?。?）型工程。攔馬山水電站所在的碑壩河沒有水文站，工程設計洪水計算需采用多種方法綜合分析。

2 暴雨洪水特性

碑壩河流域內(nèi)局部暴雨和洪澇災害頻繁發(fā)生，暴雨洪水多發(fā)生在在6～9月份，以7～8月份居多，洪水陡漲陡落，匯流較快，洪水過程一般為1～3天，洪峰疊加頻率高，破壞性極強。2014年9月8日至10日，碑壩河流域普降特大暴雨，降雨量達253.7 mm，持續(xù)高強度暴雨，導致山洪暴發(fā)，河水猛漲，滑坡、泥石流險情發(fā)生，部分地方道路交通癱瘓，電力、通訊、供水中斷。

3 設計洪水

設計洪水計算采用水文比擬法、經(jīng)驗公式法和暴雨資料推求法三種方法分別計算，對計算成果分析論證后推薦設計采用值。

3.1 水文比擬法

本次收集到三華石水文站1948～2015年68年實測洪峰流量系列和江西營水文站1963～2015年53年實測洪峰流量系列，根據(jù)兩個水文站洪峰流量系列資料分別計算攔馬山壩址設計洪水。

（1）水文站設計洪水計算

根據(jù)三華石水文站1948～2015年68年年最大流量實測系列和江西營水文站1963～2015年53年年最大流量實測系列，三華石水文站系列加入1917年歷史洪水，確定1917年洪水重現(xiàn)期為99年，按照《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》（SL44-2006）推薦的方法，按不連續(xù)系列進行頻率分析，經(jīng)驗頻率采用數(shù)學期望公式進行計算，用矩法計算參數(shù)初估值，采用P━Ⅲ型曲線按經(jīng)驗適線法進行適線。適線準則是：盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗點據(jù)的中心位置，側(cè)重考慮與上部和中部大水點據(jù)吻合[1]。三華石水文站和江西營水文站不同頻率設計洪峰流量成果見表1。

表1 三華石和江西營水文站不同頻率設計洪峰流量成果表單位：m3/s

（2）壩址斷面設計洪水計算

攔馬山水電站壩址控制流域面積為163 km2，參證站三華石、江西營水文站控制流域面積分別為578 km2、84.3 km2。采用水文比擬法推算壩址天然設計洪峰流量公式如下：

式中，Q設為設計斷面設計洪峰流量；F設為設計斷面處控制流域面積；F參為水文參證站控制流域面積；Q參為水文參證站設計洪峰流量；n為流域面積經(jīng)驗指數(shù)，取0.67。

計算結(jié)果見表2。

表2 攔馬山水電站壩址天然設計洪水計算成果表 單位：m3/s

3.2 經(jīng)驗公式法

根據(jù)《漢中地區(qū)實用水文手冊》的經(jīng)驗公式法計算公式：

式中，Qp為設計頻率為P的洪峰流量，m3/s；F為設計斷面控制流域面積，壩址163 km2；Cp，n為設計頻率為P的經(jīng)驗參數(shù)和指數(shù)。

碑壩河流域?qū)儆诮息騾^(qū)，Cp，n值詳見表3，采用經(jīng)驗公式法計算攔馬山水電站壩址不同頻率洪峰流量成果詳見表4。

表3 公式中經(jīng)驗參數(shù)及指數(shù)表

表4 經(jīng)驗公式法計算設計洪水成果表 單位：m3/s

3.3 暴雨資料推求法

根據(jù)《漢中地區(qū)水文手冊》，查算暴雨、產(chǎn)流、匯流參數(shù)，推求設計洪水，本次匯流計算采用推理公式法[2]。

（1）設計暴雨

壩址以上流域面積163 km2，設計暴雨歷時取12小時，暴雨時段△t=1小時。查不同歷時暴雨量統(tǒng)計值參數(shù)Ht、Cv及Cs/Cv=3.5查Kp推求不同設計頻率的點暴雨，由暴雨點面關(guān)系求得設計面雨量。成果見表5。

表5 不同頻率設計暴雨量計算成果表

（2）產(chǎn)流計算

工程所在流域地處濕潤地區(qū)，按蓄滿產(chǎn)流計算，流域最大蓄水量Im=55 mm，前期影響雨量Pa=0.67×Im=36.7 mm，在面雨量過程上一次扣除初損雨量I0=Im—Pa=18.3 mm。采用蓄滿產(chǎn)流計算方法求得產(chǎn)流過程?？鄢凉摿髁?0%，由產(chǎn)流過程中扣除時段平均潛流量，即得凈雨過程，見表6。

表6 推理公式法累積凈雨過程表 單位：mm

（3）匯流計算

①τ—Qm關(guān)系曲線

假設Qm并將m、L、J值代入下式：

式中：m為匯流參數(shù)，τ為匯流歷時；L為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長距離，為20.4 km；F為流域面積，為163 km2。

計算得τ—Qm關(guān)系曲線，見圖1。

②Qm—τ關(guān)系曲線

將累積凈雨量過程代入式Qm=0.278×F×∑ht/t，計算得Qm—τ關(guān)系曲線。Qm—τ和τ—Qm關(guān)系曲線見圖1。

圖1 Qm—τ和τ—Qm關(guān)系曲線

各頻率τ—Qm關(guān)系曲線與Qm—τ關(guān)系曲線的交點的縱軸和橫軸坐標分別對應各設計頻率的洪峰流量和匯流時間。暴雨推求設計洪水成果詳見表7。

表7 推理公式法計算設計洪水成果表 單位：m3/s

3.4 成果合理性分析

將本次計算的四個設計洪水成果進行比較，比較成果詳見表8。

表8 攔馬山壩址洪峰流量計算成果比較表 單位m3/s

通過對表8各個方法計算的設計洪水成果比較，可以看出經(jīng)驗公式法與暴雨資料推求法計算的結(jié)果較接近，兩個水文站比擬法計算的結(jié)果均較小，這主要是兩個水文參證站與壩址屬于不同流域，且兩者流域面積相差較大，三華石和江西營水文站控制流域面積分別是攔馬山壩址控制流域面積的3.55倍和0.52倍，設計洪水計算結(jié)果的誤差較大。暴雨資料推求法采用的本流域的設計暴雨資料，能夠較好的反映該流域的實際情況。且2014年、2015年碑壩河茶園、中南、朱家壩水電站洪水由防洪墻翻進廠房，已危及到廠房安全，因此從安全角度考慮，攔馬山水電站壩址設計洪水采用偏安全的暴雨資料推求法計算的設計洪水成果。

4 結(jié)語

碑壩河流域由于缺乏實測水文資料，工程設計洪水計算時要采用水文比擬法、經(jīng)驗公式法和暴雨資料推求法等多種方法分別計算，對計算結(jié)果比較分析，合理選用成果，能夠為工程設計提供更加準確的依據(jù)。

[1]SL44-2006，水利水電工程設計洪水計算規(guī)范[S].

[2]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計算[M].北京：水利電力出版社，1985.