某小型水庫工程設計洪水分析計算

羅姍姍，劉慧婷

(中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 水庫概況

水庫位于貴州省黔南州龍里縣城西南部的老榜河上，屬水場鄉(xiāng)高溝村，距龍里縣城約21 km，距貴龍城市經(jīng)濟帶中心15.6 km。水庫壩址建在老榜河上游。

水庫壩址控制集雨面積24.3 km2，多年平均徑流量1 422×104m3，多年平均流量0.45 m3/s。水庫校核洪水位1 184.31 m，總庫容515×104m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(Ⅰ)型工程。水庫正常蓄水位1 181 m，對應庫容428×104m3，興利庫容419.3×104m3，水庫具有多年調(diào)節(jié)性能。

水庫的主要任務是向龍里縣的貴龍城市經(jīng)濟帶、水場工業(yè)園區(qū)供水，同時滿足下游灌溉、人飲。工程建成后將向3個水廠供水：①是輸水到水廠，直接向貴龍城市經(jīng)濟帶供水，P=95%的供水量574×104m3；②是輸水到水場鄉(xiāng)雙龍新區(qū)水廠(規(guī)劃水場工業(yè)園區(qū)水廠)，向水場工業(yè)園區(qū)供水，P=95%的供水量110×104m3；③是輸水到現(xiàn)已建成的水場鄉(xiāng)水廠，供原有用戶人飲用水，P=95%的供水量29×104m3。P=95%年供水量713×104m3，并灌溉50 hm2(全為水田)耕地，P=80%灌溉用水量為40.3×104m3；下放環(huán)境水量142×104m3。

2 設計暴雨及洪水特性

水庫所屬流域位于貴州省黔東南暴雨區(qū)的邊緣帶上，一般5月份進入汛期，10月份結束。年最大一日暴雨主要發(fā)生在5-9月份，占87.3%，形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要是冷峰、低槽和兩高切變。龍里縣氣象站實測最大日暴雨為161.5 mm(2001年6月26日)，多年平均暴雨日數(shù)為2.6天。暴雨歷時一般為1～3天，以1天為多，多集中在12 h內(nèi)。

流域洪水為雨源型洪水，汛期為5-10月份，年最大洪水多發(fā)生在6-7月份。流域內(nèi)巖溶發(fā)育，當洪水發(fā)生時，水流受伏流、漏斗、麻窩等阻水影響，相當一部分水量滲入地下，當洪峰過后，緩緩注入河道。因此，本流域洪水峰型較胖，即峰低量大，洪峰流量模數(shù)較鄰近地區(qū)小。

3 分析方法及暴雨參數(shù)統(tǒng)計分析

3.1 分析方法選擇

由于水庫流域內(nèi)無實測降水、流量資料，本次設計洪水推求將采用暴雨洪水法、水文比擬法和推理公式法進行對比分析計算，綜合比較后取值。

3.1.1 暴雨等產(chǎn)匯流參數(shù)統(tǒng)計分析

3.1.2 水文站統(tǒng)計參數(shù)分析

根據(jù)惠水水文站1930，1954年歷史洪水加上1960-2016年共56的實測洪水系列，并將1999年提出作特大值處理，構成不連序洪水系列，進行頻率計算，采用P—Ⅲ型曲線目估適線法。成果見表1。

表1 惠水水文站設計洪水成果表

3.2 歷史洪水調(diào)查

3.2.1 水文站歷史洪水

根據(jù)貴州省水電廳1983年6月刊布的《貴州省洪水調(diào)查》成果記載，惠水水文站有1930和1954年的調(diào)查歷史洪水資料，其中1930年調(diào)查洪峰流量為1 690 m3/s，1954年調(diào)查洪峰流量為1 100 m3/s。至今考證1930年洪水為調(diào)查的最大洪水，重現(xiàn)期可定為83年。1999年實測洪峰1 160 m3/s，提出為特大洪水，1930年以來的第二大洪水，重現(xiàn)期為42年。1954年洪水為1930年以來的第三大洪水，重現(xiàn)期為28年。

3.2.2 壩址歷史洪水

根據(jù)對高溝河流域洪水進行的前后兩次調(diào)查， 2012年5月，據(jù)當?shù)?0多歲的老人劉志軍反映，高溝河流域洪水不大，記憶中最大的是1975年，當時下壩址下游處水深約2.5 m左右，平時洪水水深1.2 m左右,其它年份可能也出現(xiàn)過大洪水，但未在河邊留意。

為進一步復核壩址處設計洪水，2013年6月再次至高溝河流域?qū)?012年歷史洪水調(diào)查成果進行復核調(diào)查。據(jù)幾位老人描述，在1963、1996兩年也發(fā)生過大洪水，略大于1975年洪水，但洪痕均難以確切描述清楚位置，唯有劉志軍老人記得1975年洪痕。

通過橫斷面實測，調(diào)查到1975年洪痕高程為1 126 m，實測分析該河段洪水比降為9.06‰,因河底主要為礫石、卵石，兩岸為灌木和荒草，糙率n取為0.05，推算其洪峰流量為128 m3/s。結合周邊氣象站、雨量站最大一日暴雨資料及調(diào)查考證期等綜合分析，認為1975年歷史洪水重現(xiàn)期定為20年一遇較為合理。

3.3 設計洪水推求

3.3.1 暴雨洪水法

按《貴州省特小流域暴雨洪水計算手冊》(修訂本)規(guī)定，水庫流域面積當10≤F<25 km2，其計算公式如下：

(1)

式中:Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數(shù)，r1=0.335；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2，L為主河道河長；J為分水嶺至出口斷面的河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2；C為洪峰徑流系數(shù)(0.52～0.799)；SP為設計雨力，mm。

洪水總量采用扣損法計算：

W總=0.1·F·(H24p-Hs-ΔHs)

(2)

式中：F為水庫壩址以上流域面積，km2；H24p為設計頻率最大24 h面雨量暴雨；Hs為穩(wěn)定雨損；ΔHs為附加雨損。

將水庫壩址參數(shù)代入以上計算公式，成果見表2。

表2 壩址設計洪水成果表

3.3.2 水文比擬法

根據(jù)惠水水文站洪峰流量均值，采用水文比擬法計算到水庫壩址處，計算公式為：

(3)

3.3.3 推理公式法

推理公式法是推求小流域設計洪水常用方法之一，計算公式為：

(4)

(5)

m=γ1θ0.22

(6)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；ht為t時段的單一洪峰凈雨深，mm；t為流域匯流時間，h；m為匯流參數(shù)；θ為流域的幾何特征值；L為主河道河長；J為分水嶺至出口斷面的河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2。

根據(jù)貴州省暴雨多年等值線圖查得不同歷時的點暴雨量,乘以不同保證率點面折減系數(shù)計算得出面暴雨量。再根據(jù)分區(qū)降水徑流關系表查得不同徑流深ht。將不同歷時t計算的徑流深代入式(4)計算Q,將確定的各參數(shù)值帶入公式可求得壩址處設計洪水。成果見表2。

通過對以上成果比較分析，洪峰流量相差在25%以內(nèi)，以雨洪法成果偏大。綜合分析認為，設計流域集雨面積較小，貴州省雨洪公式綜合考慮了流域形狀、坡降、巖溶、植被、地形等的影響，在省內(nèi)其他工程廣泛應用并得到驗證，具有較好的代表性。偏安全計，本次設計采用雨洪法成果作為水庫壩址設計洪水成果。

3.4 設計洪水合理性

從表1可以看出，惠水水文站設計洪水頻率計算成果是符合隨重現(xiàn)期增長而增大這一規(guī)律的。洪峰流量和洪水洪量的統(tǒng)計參數(shù)均為Cv=0.53，洪峰流量和最大一日洪量的Cs/Cv分別為4和3.5，Cv，Cs參數(shù)比較穩(wěn)定。從頻率曲線上看，點據(jù)分布均勻合理，洪峰流量和洪水總量頻率曲線上下兩端保持較合理的差數(shù)，經(jīng)驗點據(jù)與“理論”線配合較好。同時，參照黔南州水利水電勘測設計研究院2006年所作的《羅甸縣石門坎水電站初步設計說明書》，其洪峰流量均值為549 m3/s，Cv=0.52，Cs=4Cv，成果較為接近。說明本次惠水水文站洪水分析成果基本合理，可作為推求壩址洪水的依據(jù)。水庫壩址以上流域巖溶較發(fā)育，伏流較多，用雨洪法計算時充分考慮流域巖溶的削峰作用，采用較小洪水徑流系數(shù)，設計洪水采用雨洪法和水文比擬法推求，兩種方法成果相互驗證，成果相差在25%以內(nèi)。本次調(diào)查1975年洪水洪峰流量約為128 m3/s，重現(xiàn)期20年一遇，與雨洪法推求成果基本接近。因此，本次采用的雨洪法成果作為壩址設計洪水成果基本合理可靠。

4 結 語

本文以實際工程設計中無資料地區(qū)小水庫洪水計算為例，采用暴雨洪水法、水文比擬法、推理公式法推求水庫壩址設計洪水，并結合貴州省地區(qū)等值線圖和歷史洪水調(diào)查成果綜合分析取值，驗證設計洪水成果合理性，為水庫的建設以及后期的運行管理提供可靠的依據(jù)，可供貴州省無實測資料地區(qū)的小型水庫設計洪水計算借鑒。