虎山水庫設(shè)計洪水計算分析

張 磊 任澤垠 田黎明

(1.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院,河南 南陽 473003；2.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司,河南 南陽 473003)

1 工程概況

虎山水庫位于長江流域唐白河水系三夾河支流丑河上，壩址在河南省唐河縣東南馬振撫鄉(xiāng)小栗園村西的虎山腳下，流域面積199km2，主干流長35.2km，河道平均比降0.003，流域形狀似扇形。水庫上游位于桐柏山北麓淺山丘陵區(qū)，上游湖北省境內(nèi)有烈士陵、刑川兩座中型水庫，總匯流面積40km2，河南省境內(nèi)有5座小型水庫，總匯流面積為14.35km2。上述兩省7座中小型水庫總匯流面積54.35km2，占虎山水庫壩址以上丑河總流域面積的27.3%。

虎山水庫是按大型水庫管理的省重點中型水庫，下游保護(hù)對象十分重要，采用洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核。100年一遇設(shè)計水位141.80m，相應(yīng)庫容7820萬m3；2000年一遇校核水位143.15m，總庫容9616萬m3；興利水位139.50m，相應(yīng)庫容5444萬m3；死水位128.50m，死庫容500萬m3。

2 水文基本資料

虎山水庫于1972年底竣工，水文工作在1973年開始，虎山水文站對該水庫的降雨量、蒸發(fā)量、入庫水量、出庫水量、庫水位、洪水要素等進(jìn)行觀測記錄。并對1973—1988年的水文資料進(jìn)行了整編刊印，1988年至今的資料基本為原始記錄?；⑸剿畮炝饔騼?nèi)分布有郭橋、前莊、張馬店、大張莊等雨量站，受所收集資料情況的限制，不能滿足由實測點雨量推算面雨量的計算要求，只能采用圖集查算設(shè)計面雨量。

平氏水文站位于唐河支流三夾河上，在丑河入三夾河口上游7km處。該水文站控制流域面積748km2，1965年以來有較為完整的流量觀測資料。

3 徑 流

根據(jù)水庫實測入庫徑流資料系列計算，虎山水庫多年平均徑流量為4560萬m3，相應(yīng)徑流深229mm，與圖集查算的徑流深250mm相比偏小，這與近10多年整體來水量偏少有關(guān)。經(jīng)頻率分析，徑流變差系數(shù)Cv=0.60，離差系數(shù)Cs=2Cv，則75%年份徑流量2550萬m3，95%年份徑流量為1160萬m3。

4 設(shè)計洪水計算

4.1 用05圖集推理公式法計算設(shè)計洪水

根據(jù)河南省水利廳關(guān)于試行《河南省暴雨參數(shù)圖集(2005年版)》(豫水辦〔2007〕7號文)的通知，設(shè)計暴雨洪水依據(jù)《河南省暴雨參數(shù)圖集》(以下簡稱05圖集)查算暴雨參數(shù)，沿用與1984年版圖集(以下簡稱84圖集)相配套的洪水查算圖表推求洪水。

4.1.1 設(shè)計暴雨

利用05圖集提供的10min、1h、6h、24h 4種歷時的暴雨參數(shù)，分別計算10min、1h、6h、24h共4種歷時的設(shè)計暴雨，包括設(shè)計時段點雨量、面雨量和暴雨遞減指數(shù)。

a.設(shè)計點雨量，采用下式計算：

(1)

b.設(shè)計面雨量，根據(jù)水庫所在的水文分區(qū)，查短歷時暴雨時面深(t-F-α)關(guān)系圖，求得不同歷時暴雨的點面折減系數(shù)α值，乘以設(shè)計點雨量即得設(shè)計面雨量。

c.設(shè)計暴雨遞減指數(shù)n，按照暴雨歷時關(guān)系，n分為3段：1h以下為n1，1～6h為n2，6～24h為n3，本流域設(shè)計暴雨遞減指數(shù)采用下式計算：

(2)

(3)

(4)

式中：n1P、n2P、n3P分別為3種時段的設(shè)計暴雨遞減指數(shù)；H10＇P、H1P、H6P、H24P分別為同頻率P的年最大10min、1h、6h、24h設(shè)計點雨量。

各種頻率的設(shè)計點雨量、面雨量及暴雨遞減指數(shù)見表1。

表1 水庫設(shè)計暴雨成果

續(xù)表

4.1.2 產(chǎn)流計算

根據(jù)24h降雨量查該流域所在分區(qū)的次降雨徑流關(guān)系P+Pa-R曲線得24h凈雨量。P為24h設(shè)計面雨量，Pa為設(shè)計前期影響雨量，50年一遇以上的稀遇頻率Pa=Imax，10～20年一遇Pa=2/3Imax。水庫流域?qū)俸幽鲜〉牡冖蛩姆謪^(qū)，Imax=45mm，30年一遇Pa取35mm，50年一遇以上頻率Pa=45mm。24h設(shè)計凈雨量見表2。

表2 水庫設(shè)計凈雨量計算結(jié)果

4.1.3 匯流計算

a.洪峰流量計算，根據(jù)《河南省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》規(guī)定，流域面積小于200km2時，應(yīng)用推理公式法計算洪峰流量，基本公式為

(5)

(6)

(7)

式中：Qm為設(shè)計頻率洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；τ為洪峰匯流時間，h；F為流域面積，km2；L為設(shè)計斷面至主河溝分水嶺的河長，km；J為河道平均坡降；S為設(shè)計頻率最大1h降雨量，mm/h；n為設(shè)計頻率的暴雨遞減指數(shù)，按照相應(yīng)的匯流歷時取值：當(dāng)τ<1h代入n1；τ=1～6h代入n2；τ=6～24h代入n3；μ為平均入滲率，依照計算流域所在的水文分區(qū)及下墊面特點根據(jù)圖集選定，mm/h；m為匯流參數(shù)，據(jù)計算流域所在的水文分區(qū)由84圖集(θ-m相關(guān)線)查定，其中：

θ=L/(F1/4J1/3)

(8)

b. 24h洪量計算，計算公式如下：

W24=1000RF

(9)

式中：W24為24h洪量，m3；R為24h凈雨深，mm；F為流域面積，km2。

水庫設(shè)計洪峰、洪量成果見表3。

表3 設(shè)計洪峰洪量計算成果(05圖集復(fù)核)

經(jīng)采用05圖集和推理公式計算，100年一遇洪水洪峰流量為2366m3/s，24h洪量為5646萬m3；2000年一遇設(shè)計洪水洪峰流量為4095m3/s，24h洪量為9149萬m3。

c.設(shè)計洪水過程線，采用概化過程線疊加的方法計算，逐時段凈雨過程按24h凈雨概化時程分配表分配。

計算時將設(shè)計洪峰Qm和τ對應(yīng)τ時段的最大平均凈雨強度，按等腰三角形概化，其頂高為Qm，底寬為2τ，Qm對應(yīng)于τ時段末位置。其他主峰前后各個τ時段的凈雨量Rτ，當(dāng)τ不夠整時段時，可按小時平均分配取值。以各個τ時段凈雨平均強度計算各次峰的洪峰流量，按等腰三角形概化的各τ時段的Qi，分別與自身τ時段末的位置相對應(yīng)，即可得到24h洪水過程線。

4.2 用淮上法計算設(shè)計洪水

根據(jù)84圖集規(guī)定，對流域面積大于200km2的采用淮上法計算設(shè)計洪水，虎山水庫流域面積為199km2，較為接近，用淮上法計算設(shè)計洪水，暴雨參數(shù)仍采用05圖集。

4.2.1 單位過程線

虎山水庫流域特征值為：流域面積F=199km2，主河流長L=35.2km，河道平均比降J=0.003；有效洪峰帶面積AV=73.5km2，有效洪峰帶寬度BAV=9.8km，有效洪峰帶中心至大壩距離Lx=15km，有效洪峰帶中心至大壩坡度SLX=0.0017；有效洪峰帶坡度SAV=0.0023。單位線要素見表4，由此計算雨強單位線。

表4 單位線要素成果

4.2.2 設(shè)計洪水過程線

根據(jù)不同頻率24h凈雨過程及時段單位過程線，計算不同頻率設(shè)計洪水過程線，見表5。由此計算虎山水庫設(shè)計洪水成果：QP=0.05%=4734m3/s，QP=1%=2991m3/s。

表5 淮上法設(shè)計洪水過程線

4.3 用水文比擬法計算設(shè)計洪水

虎山水庫位于丑河上，距丑河入三夾河口4km。平氏水文站距虎山水庫壩址較近，同在三夾河流域，降雨及下墊面條件類似，考慮采用水文比擬法由平氏水文站實測洪水推求設(shè)計洪水。

根據(jù)平氏水文站1965—2014年共50年實測年最大洪峰流量資料系列，以平氏站為參證站，虎山水庫壩址處為設(shè)計站，按面積比的0.5次方換算為虎山水庫壩址處的洪峰流量系列，然后再對換算后的洪水系列進(jìn)行頻率計算。由此計算虎山水庫設(shè)計洪水成果為：QP=0.05%=3467m3/s，QP=1%=1965m3/s。

與推理公式法和淮上法相比，水文比擬法計算成果偏小，這與虎山水庫流域內(nèi)多為淺山丘陵區(qū)而平氏站流域地勢相對平坦有關(guān)。

4.4 2002年除險加固設(shè)計洪水成果

南陽市水利建筑勘測設(shè)計院于2002年1月編制《河南省唐河縣虎山水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》，經(jīng)河南省水利廳和長江水利委員會審查通過予以批復(fù)。

設(shè)計洪水：采用平氏水文站水文比擬法、84圖集推理公式法和淮上法分別進(jìn)行了計算，經(jīng)分析采用84圖集推理公式法計算成果：100年一遇設(shè)計洪水為2599m3/s，24h洪量為5101萬m3；2000年一遇設(shè)計洪水為4531m3/s，24h洪量為8006萬m3。

4.5 設(shè)計洪水成果選用

本次采用推理公式法、淮上法及水文比擬法計算的虎山水庫設(shè)計洪水與2002年除險加固設(shè)計的設(shè)計洪水比較見表6。

表6 虎山水庫設(shè)計洪水成果比較

從表6可以看出，洪峰流量用淮上法計算成果最大，比推理公式法偏大10%以上，洪量與本次計算基本一致；洪峰流量用水文比擬法計算成果最小，比推理公式法偏小15%左右。3種方法中水文比擬法計算成果最小，不利于工程安全且與實際情況不符，不宜采用。

淮上法與推理公式法均為經(jīng)驗公式計算法，采用的《河南省暴雨參數(shù)圖集》是經(jīng)過批準(zhǔn)認(rèn)可并與鄰省圖集在周邊處協(xié)調(diào)對接過的，可以用于跨省流域的暴雨洪水計算；另外，流域區(qū)內(nèi)的上游湖北省兩座中型水庫、河南省5座小型水庫也有一定的削減洪峰調(diào)節(jié)洪水作用。因此，淮上法與推理公式法兩種計算成果中宜采用較小的推理公式法成果。

出于安全考慮，仍采用2002年除險加固設(shè)計洪水成果，即虎山水庫100年一遇設(shè)計洪水洪峰流量為2599m3/s，24h洪量為5101萬m3；2000年一遇校核洪水洪峰流量為4531m3/s，24h洪量為8006萬m3。

5 設(shè)計洪水的合理性分析

虎山水庫設(shè)計洪水與同為唐河水系的石步河水庫、宋家場水庫以及虎山水庫上游邢川水庫的洪峰模數(shù)比較結(jié)果見表7。

表7 虎山水庫與周邊水庫洪水比較

可以看出，虎山水庫的洪峰模數(shù)在合理范圍內(nèi)，并且與同在三夾河支流上的石步河水庫的洪水成果較為接近。綜上分析，本次設(shè)計洪水計算成果選取是合理的。

6 結(jié) 語

虎山水庫設(shè)計洪水采用圖集推理公式法、淮上法和利用鄰近水文站實測洪水流量資料的水文比擬法計算，對設(shè)計洪水計算過程所依據(jù)的基本資料、計算方法及其主要環(huán)節(jié)、采用的各種參數(shù)和計算成果進(jìn)行多方面分析，選定合理計算成果。

綜上所述，設(shè)計洪水計算方法很多，有實測流量資料，采用頻率分析法計算設(shè)計洪水；有實測暴雨資料，采用頻率分析法計算設(shè)計暴雨，并由設(shè)計暴雨計算設(shè)計洪水；有鄰近地區(qū)實測洪水或暴雨資料，進(jìn)行地區(qū)綜合分析計算設(shè)計洪水；在沒有實測資料時，對于流域面積小于200km2的采用推理公式法，大于200km2的采用淮上法。設(shè)計洪水的計算應(yīng)根據(jù)不同工程情況、不同流域面積、不同邊界條件采用不同的計算方法，或者采用兩種以上方法計算；資料短缺地區(qū)的設(shè)計洪水計算和可能最大洪水計算，應(yīng)采用多種方法，并論證成果的合理性，經(jīng)過綜合分析后科學(xué)合理地選取計算成果。?