地區(qū)組成法在水庫設(shè)計洪水計算中的應(yīng)用研究

焦?fàn)I營

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州450003）

1 研究背景

在江河流域治理開發(fā)中， 設(shè)計斷面上游有調(diào)蓄作用較大的水庫或分洪、蓄洪等工程，對洪水具有調(diào)節(jié)作用，改變了天然洪水的狀況，直接影響下游設(shè)計斷面的設(shè)計洪水[1]。SL 144—2006《 水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》規(guī)定：“ 當(dāng)設(shè)計斷面上游有調(diào)蓄作用較大的水庫或水庫對下游有防洪任務(wù)時， 應(yīng)對大洪水的地區(qū)組成進行分析， 并擬定設(shè)計斷面以上或防洪控制斷面以上設(shè)計洪水的地區(qū)組成”。

推求設(shè)計斷面受上游水庫調(diào)蓄影響的設(shè)計洪水計算方法主要有地區(qū)組成法、頻率組合法和隨機模擬法[2]。 地區(qū)組成法研究當(dāng)設(shè)計斷面發(fā)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的天然洪水時，上游水庫及區(qū)間洪水地區(qū)組成情況。 頻率組合法頻率曲線為基礎(chǔ)，計算各種組合下水庫的調(diào)洪對設(shè)計斷面洪水的影響。 隨機模擬法通過建立設(shè)計斷面及各分區(qū)洪水過程線的模擬模型， 利用隨機生成任意長洪水資料系列進行調(diào)洪計算， 得出設(shè)計斷面洪水的頻率曲線及設(shè)計值。 地區(qū)組成法是推求設(shè)計斷面受上游水庫或其他工程調(diào)節(jié)影響后的設(shè)計洪水的一種常用的簡便方法。本文基于同頻率地區(qū)組成法， 以甘肅省崇信縣廟臺水庫為研究對象，推求受上游水庫調(diào)節(jié)后的設(shè)計洪水，為工程設(shè)計提供依據(jù)。

2 研究方法

地區(qū)組成法包括典型年法和同頻率地區(qū)組成法[3]。 典型年法是從實測資料中選取有代表性、 對防洪不利的大洪水作為典型，以設(shè)計斷面的設(shè)計洪量為控制，按典型年各區(qū)洪量占設(shè)計斷面設(shè)計洪量的比例，計算各區(qū)相應(yīng)的洪量，實際計算中選擇恰當(dāng)?shù)牡湫湍晔顷P(guān)鍵。 同頻率地區(qū)組成法是根據(jù)防洪要求，選定某一分區(qū)出現(xiàn)與下游設(shè)計斷面同頻率的洪量， 其余分區(qū)相應(yīng)洪量按水量平衡原則推求。

A 為上游水庫，C 為設(shè)計斷面，A 和C 之間為無控制的區(qū)間B。研究以C 斷面為設(shè)計斷面，上游A 斷面與區(qū)間B 2 部分洪水的地區(qū)組成。 研究以下2 種同頻率地區(qū)組成：（ 1）當(dāng)下游設(shè)計斷面發(fā)生設(shè)計頻率P的洪水量WC，P時，上游水庫也發(fā)生頻率P的洪水量WA，P，區(qū)間B發(fā)生相應(yīng)的洪水量WB，即WB=WC，P-WA，P。（ 2）當(dāng)下游設(shè)計斷面發(fā)生設(shè)計頻率P的洪水量WC，P時，區(qū)間B 也發(fā)生頻率P的洪水量WB，P，上游水庫發(fā)生相應(yīng)洪水量WA，即WA=WC，P-WB，P。

3 實例應(yīng)用

3.1 工程概況

汭河是涇河上中游右岸的一級支流，發(fā)源于六盤山、隴山分水嶺的東麓，流經(jīng)華亭、崇信，于涇川縣城西側(cè)匯入涇河，干流全長117km，縱坡0.527%，流域面積1 645km2。 汭河中游建有銅城水庫， 壩址以上控制流域面積1 146km2， 主河道長度59.9km，河床比降12.5‰。 廟臺水庫位于汭河干流上，距崇信縣城約16.5km，壩址以上控制流域面積1 152.7km2。

3.2 水文基本資料

汭河干流自上而下設(shè)有安口、袁家庵水文站，上游南北汭河交匯口設(shè)有華亭水文站。 廟臺水庫距上游安口水文站約7.6km，距下游袁家庵水文站約51.1km。其中，安口水文站建于1975 年1 月，控制流域面積1 129km2，具有1975 年至今的資料。 廟臺水庫距安口水文站較近，二者在植被、地質(zhì)、氣象、水文等特征具有較好的相似性，采用安口水文站為參證站。

3.3 設(shè)計洪水

汭河干流大洪水均由大面積暴雨形成， 汛期一般集中在6～10 月，主汛期7～9 月，一次洪水過程平均約為3d，峰型以單峰為多，洪水具有峰高量大的特點。

3.3.1 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)《 甘肅省洪水調(diào)查資料》， 安口水文站附近共有1921 年、1940 年、1938 年、1954 年、1955 年、1966 年6 次 大洪水，成果都較為可靠。 其中，1921 年所發(fā)生的洪水為最大，調(diào)查歷史洪水流量為1 220m3/s，重現(xiàn)期按照1921 年以來最大取100 年。1940 年洪水也作為特大洪水，其余洪水與實測最大洪水相比量級不大，按照實測考慮。 實測洪水過程歷時一般約3d，統(tǒng)計1d、3d 洪量，獨立選樣挑選年最大值，建立1d 洪量與洪峰關(guān)系，插補特大洪水洪量，重現(xiàn)期與洪峰相同。 3d 洪量按實測系列計算。

3.3.2 參證站設(shè)計洪水

安口水文站流域內(nèi)有石堡子水庫和王峽口水庫， 汛期低水位運行， 泄洪設(shè)施全開泄洪。 石堡子水庫位于策底河上，2010 年5 月建成， 調(diào)洪計算后削峰相對于安口水文站流量所占比例較小。王峽口水庫位于北汭河上，1977 年12 月建成，壩址以上控制流域面積117km2，僅占安口水文站的10.3%。 考慮區(qū)間來水較大，因此，認為兩水庫對水文站的實測洪水影響不大。 根據(jù)安口水文站1975—2017 年實測加歷史洪水資料，選取年最大洪峰流量、最大1d 洪量、最大3d 洪量，采用P-Ⅲ曲線適線，計算安口水文站的設(shè)計洪水成果。

銅城水庫初設(shè)采用1975—1999 年實測年最大洪峰資料，加入1921 年、1940 年、1938 年、1954 年歷史洪水進行頻率計算，考慮了幾場歷史調(diào)查洪水，且偏于安全，成果可靠合理。 本次延長系列至2017 年， 設(shè)計洪水成果比銅城初設(shè)階段的?。?20%設(shè)計值除外），設(shè)計洪峰流量偏小5%以內(nèi)，最大1d 洪量偏小3%～22%， 最大3d 洪量偏小10%以內(nèi)。 銅城初設(shè)階段1921 年特大洪水重現(xiàn)期為80 年， 延長系列后2000 年以來洪水量級不大，1921 年洪水重現(xiàn)期變?yōu)?00 年，頻率曲線上特大洪水點據(jù)左移，（ 變差系數(shù)）Cv（ 表示系列的離散程度，Cv=標(biāo)準(zhǔn)差σ/平均值x）減小，設(shè)計值相應(yīng)減小。 本次設(shè)計也考慮了歷史洪水，從工程設(shè)計偏安全角度考慮，安口水文站設(shè)計洪水仍采用銅城水庫初設(shè)階段的成果。

3.3.3 考慮銅城水庫影響的設(shè)計洪水

廟臺水庫上游約1.6km 有已建成的銅城水庫，設(shè)計洪水受上游銅城水庫影響。洪水地區(qū)組成有2 種：（ 1）廟臺水庫與銅城水庫同頻率設(shè)計，廟臺—銅城區(qū)間為相應(yīng)洪水；（ 2）廟臺水庫與廟臺—銅城區(qū)間同頻率設(shè)計，上游為相應(yīng)洪水。 因區(qū)間面積較小，洪水不起主要作用，因此，第（ 1）種洪水組成對水庫不利。 廟臺水庫與銅城水庫同頻率設(shè)計，區(qū)間相應(yīng)組合計算各分區(qū)設(shè)計洪水成果，區(qū)間相應(yīng)洪量為廟臺水庫天然洪量減去銅城水庫天然洪量。選擇安口水文站峰高量大的1981年8 月21 日實測過程線為銅城水庫典型， 設(shè)計洪水過程線放大時采用峰量同頻率放大法，放大后適當(dāng)修正，使得放大后的洪量和不同頻率的設(shè)計洪量相等。 銅城水庫運用方式為蓄清排渾，6 月中旬～10 月中旬空庫敞泄泄洪排沙。 按照水庫洪水調(diào)度原則進行調(diào)洪計算， 銅城水庫調(diào)洪后的下泄流量過程加上廟臺—銅城區(qū)間相應(yīng)洪水即為廟臺水庫受上游水庫調(diào)蓄后的設(shè)計洪水，廟臺水庫設(shè)計洪水成果如表1 所示。

表1 1 廟臺水庫設(shè)計洪水成果表

4 結(jié)論

本文采用同頻率地區(qū)組成法，選用最不利組合“ 設(shè)計斷面與上游水庫同頻，區(qū)間相應(yīng)”，計算受銅城水庫調(diào)蓄后的廟臺水庫設(shè)計洪水。 分析了銅城水庫對廟臺水庫洪水的削減作用，結(jié)果表明：500 年一遇洪水削峰率為29%，50 年一遇洪水削峰率為16%，20 年一遇以下洪水基本無削峰作用。 計算成果可為工程設(shè)計提供依據(jù)。