小澗河水庫設(shè)計(jì)年徑流量分析及評(píng)價(jià)

趙 儉

（運(yùn)城市水文水資源勘測站，山西 運(yùn)城 044000）

小澗河水庫位于中條山東部地區(qū)，是運(yùn)城市降水量較多的區(qū)域。流域河川徑流主要由降水形成，徑流量隨降水量的增減而增減。降水量年內(nèi)分配不均勻，年際變化較大，河川徑流的季節(jié)分配也不均勻，豐枯變化懸殊，對(duì)水庫建設(shè)及運(yùn)行具有重要影響。本文以“多種方法，綜合分析，合理選定”為原則[1]，對(duì)流域年徑流量進(jìn)行分析計(jì)算。

1 流域概況

小澗河位于聞喜縣河底鎮(zhèn)后元頭村以南三岔口處，是涑水河流域沙渠河一級(jí)支流，水庫壩址以上控制流域面積24 km2，流域總長6.5 km，平均寬度3.7 km，平均比降30‰。水庫設(shè)計(jì)總庫容171.8萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.5萬畝，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。

根據(jù)《運(yùn)城地區(qū)水文計(jì)算手冊(cè)》小澗河水庫流域?qū)僦袟l山東部地區(qū)（I區(qū)）:

（1）流域上游8.6 km2位于深山區(qū)（I-1區(qū)），該區(qū)地貌以森林、石山為主，中條山林區(qū)主要分布在此區(qū)。受太平洋暖濕氣流控制和中條山地形的抬升作用，區(qū)內(nèi)降水充沛，降水量居于運(yùn)城市首位，多年平均降水量在700 mm～750 mm之間。該區(qū)下墊面覆蓋較好，泥沙不大，但徑流較大。

（2）流域中下游15.4 km2位于淺山區(qū)背風(fēng)面（I-3區(qū)），地貌以土石山為主。本區(qū)處于中條山背風(fēng)面，降水、徑流比迎風(fēng)面小。多年平均降水量在650 mm左右。

本流域內(nèi)無雨量站和水文測站，為無資料地區(qū)。流域所屬水文地理分區(qū)附近有北白石、石門、馬家廟、柴家坪4個(gè)雨量站及大廟水文站。

2 設(shè)計(jì)年徑流量

2.1 流域徑流分析計(jì)算

本次小澗河水庫河川徑流分析計(jì)算，根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)、資料情況，選用水文計(jì)算手冊(cè)模型法、水文比擬法2種方法進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1.1 水文計(jì)算手冊(cè)模型法

小澗河水庫流域?yàn)闊o資料地區(qū)，可根據(jù)《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡稱《手冊(cè)》）中的年徑流均值、變差系數(shù)及偏態(tài)系數(shù)相關(guān)模型、經(jīng)驗(yàn)公式和分區(qū)參數(shù)進(jìn)行流域年徑流計(jì)算。

（1）基本資料

流域水文分區(qū)屬于中區(qū)，控制流域面積24 km2。量算水文下墊面產(chǎn)流地類圖冊(cè)求得，變質(zhì)巖灌叢山地13.1 km2，變質(zhì)巖森林山地2.0 km2，黃土丘陵階地8.9 km2。由《手冊(cè)》中年降水量（1956年～2008年）均值等值線圖查得流域多年平均年降水量633.8 mm。

（2）流域年徑流均值計(jì)算

年徑流均值計(jì)算包括地表年徑流均值計(jì)算和基流計(jì)算兩部分。地表年徑流均值計(jì)算采用雙曲正切模型法，基流計(jì)算采用基流數(shù)學(xué)模型法[2]。

①地表年徑流均值計(jì)算

地表年徑流均值按式（1）進(jìn)行計(jì)算:

式中:為設(shè)計(jì)流域產(chǎn)流地類多年平均地表年徑流深，mm；為設(shè)計(jì)流域多年平均年降水量，mm；th為雙曲正切函數(shù)符號(hào)；Ai為某產(chǎn)流地類所對(duì)應(yīng)的集水面積，km2；Zmi為某產(chǎn)流地類參數(shù)，mm。

查得，變質(zhì)巖灌叢山地Zm為810 mm（一般值）、變質(zhì)巖森林山地為1095 mm（一般值），黃土丘陵階地為2400 mm（一般值）。

②基流均值計(jì)算

基流包括河道清水流量和泉水流量，按式（2）計(jì)算基流均值:

式中:為設(shè)計(jì)流域多年平均基流量，mm；為流域多年平均相對(duì)降水，即流域平均年降水均值與全省多年平均年降水均值（507.6 mm） 的比值；Ai為單地類所對(duì)應(yīng)的集水面積，km2；ci為單地類參數(shù)，mm；K0i為單地類無效相對(duì)降水量。

根據(jù)流域所在水文分區(qū)，確定各產(chǎn)流地類相應(yīng)的參數(shù)。查得變質(zhì)巖灌叢山地c和K0一般值分別為50.0 mm和0.88，變質(zhì)巖森林山地c和K0一般值分別為75.0 mm和0.90，黃土丘陵階地和一般值分別為75.0mm和0.90。

③年徑流均值計(jì)算

年徑流均值由地表年徑流均值和基流均值相加求得，即:

（3）流域年徑流變差系數(shù)CVR及偏態(tài)系數(shù)CSR計(jì)算

查得流域年降水變差系數(shù)CV=0.24。根據(jù)上述求得的年徑流均值，可求得年徑流系數(shù)水文中區(qū)參數(shù)k=2.956，m=0.232，n=0.216。

將各已知變量和參數(shù)代入公式，求得流域年徑流量變差系數(shù)為:

計(jì)算流域年徑流量偏態(tài)系數(shù):

（4）流域年徑流計(jì)算

流域年徑流深均值=96.2 mm，年徑流量均值=231萬m3，CVR=0.75,CSR=1.92，查皮爾遜-Ⅲ型曲線離均系數(shù)值ΦP表，計(jì)算設(shè)計(jì)頻率的年徑流，成果見表1。

表1 年徑流量計(jì)算成果表（水文手冊(cè)模型法）

2.1.2 水文比擬法

水文比擬法是以流域間的相似性為基礎(chǔ)，將相似流域的水文資料移用至設(shè)計(jì)流域的一種方法。計(jì)算小澗河水庫流域地表徑流時(shí)，選用同屬中條山東部地區(qū)背風(fēng)面土石山區(qū)的大廟水文站作為參證站。

（1）資料確定

大廟水文站位于夏縣瑤峰鎮(zhèn)大廟村，為姚暹渠支流白沙河流域小河站，屬中條山背風(fēng)面土石山區(qū)小流域代表站?？刂屏饔蚣娣e55.9 km2，干流長度12.7 km，斷面形狀為U型，流域平均寬度4.4 km，干流平均比降38.1‰。

大廟水文站1970年～2017年流域多年平均年降水量為650.0 mm，與小澗河水庫流域同期多年平均年降水量647.4 mm相比，相差2.6 mm，說明兩流域影響降水量的因素具有相似性。

大廟水文站1956年～2017年實(shí)測地表徑流多年均值為564萬m3。對(duì)徑流系列資料進(jìn)行頻率分析，用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線[3]，優(yōu)化后確定變差系數(shù)CV=0.75，倍比CS/CV=2，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大廟水文站流域年徑流頻率分析成果表

兩流域下墊面產(chǎn)流地類類似，影響降雨的因素也相似，具備相似流域水文比擬條件，大廟水文站可作為參證站計(jì)算小澗河水庫流域徑流。

（2）徑流計(jì)算

兩流域下墊面產(chǎn)流地類類似，影響降雨的因素也相似，利用大廟水文站控制流域1956年～2017年62年年降水量及年徑流量資料，考慮降水量與流域面積因素，加權(quán)計(jì)算小澗河水庫流域的系列，即:

式中:Wb為小澗河水庫流域多年平均徑流量，萬m3；Wa為大廟站多年平均地表徑流量，萬m3；Fa、Fb為大廟、小澗河流域面積，為大廟、小澗河流域面平均降水量，mm。

利用式（3）求得流域多年平均徑流量:

設(shè)計(jì)頻率參數(shù)變差系數(shù)CV和倍比CS/CV同大廟水文站，計(jì)算設(shè)計(jì)頻率的年徑流，成果見表3。

表3 小澗河水庫流域年徑流計(jì)算成果表（水文比擬法）

2.2 年徑流計(jì)算成果合理性分析

采用水文計(jì)算手冊(cè)模型法、相似流域水文比擬法2種方法進(jìn)行分析計(jì)算，小澗河水庫設(shè)計(jì)年徑流成果對(duì)比見表4。

表4 小澗河水庫設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算成果對(duì)比表

從成果對(duì)比表得出，采用水文比擬法計(jì)算的年徑流深最大為100.4 mm，水文計(jì)算手冊(cè)模型法計(jì)算結(jié)果次之為96.2 mm。經(jīng)綜合分析，選用水文比擬法計(jì)算成果為推薦成果。

3 水庫設(shè)計(jì)徑流量

小澗河水庫流域不同保證率年徑流確定以后，還需要進(jìn)行年徑流年內(nèi)分配計(jì)算，以便用于水庫興利調(diào)節(jié)計(jì)算。

小澗河水庫年內(nèi)月分配，以大廟水文站作為參證站。比較大廟水文站歷年徑流過程，以水文站實(shí)測年徑流深與設(shè)計(jì)徑流深相近為控制，并考慮年內(nèi)分配不利原則選取典型年，選取不同頻率來水的典型年。按典型年逐月徑流量比例進(jìn)行分配，得小澗河水庫不同頻率的設(shè)計(jì)年徑流量年內(nèi)月分配見表5。

表5 小澗河水庫設(shè)計(jì)徑流量年內(nèi)月分配表 單位：萬m3

4 結(jié)論

通過水文計(jì)算手冊(cè)模型法、水文比擬法2種方法對(duì)小澗河水庫河川徑流量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)不同方法計(jì)算成果對(duì)比分析，得出主要結(jié)論:

（1）小澗河水庫所在流域?yàn)闊o資料地區(qū)，選用白沙河大廟水文站流域推求設(shè)計(jì)年徑流方法符合規(guī)范要求，成果合理可靠，故推薦該成果。

（2）采用上述推薦成果，小澗河水庫多年平均入庫徑流量241萬m3，50%年份入庫徑流量198萬m3，75%年份入庫徑流量108萬m3，90%年份入庫徑流量57萬m3，95%年份入庫徑流量37萬m3。

（4）白沙河大廟水文站流域和小澗河流域在地理位置、氣候條件以及流域下墊面條件等方面相似，屬同一水文地理分區(qū)，河川徑流量主要由降水形成，以大廟水文站實(shí)測年徑流量年內(nèi)分配百分?jǐn)?shù)，按典型年同倍比放大法推求小澗河水庫設(shè)計(jì)徑流量年內(nèi)分配是合理的。

（5）分析評(píng)價(jià)成果可為運(yùn)城市小流域無水文資料地區(qū)降水量、徑流量計(jì)算提供計(jì)算方法和參考依據(jù)。