竇家山綠化基地灌溉泵站改造徑流及洪水設(shè)計(jì)分析

桂敏燕

（甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000）

1 流域概況

甘肅省水利廳竇家山綠化基地灌溉泵站為四級(jí)提灌泵站，最大提水流量為0.196 m3/s，總揚(yáng)程397.6 m。承擔(dān)著周邊3萬(wàn)多居民生活用水及8000多畝耕地和2000畝林地的灌溉任務(wù)［1］。泵站現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)房簡(jiǎn)陋、設(shè)備老化、故障多、維護(hù)費(fèi)用大，高耗低能問(wèn)題十分突出，急需進(jìn)行泵站改造設(shè)計(jì)。本次工程取水?dāng)嗝嫖挥邳S河干流甘肅蘭州段榆中縣西北約30 km的黃河南岸來(lái)紫堡桑園子村，斷面以上流域面積222900 km2，取水?dāng)嗝嫖挥谔m州水文站下游約12 km處，且區(qū)間無(wú)較大支溝匯入，故本次選取蘭州水文站作為工程水文分析計(jì)算的代表站。蘭州水文站位于蘭州市黃河鐵橋下游212 m處，該站建于1934年7月，控制流域面積222551 km2，采用大沽高程，隸屬黃河水利委員會(huì)，自設(shè)站至今觀測(cè)有水位、流量、泥沙和水溫，為國(guó)家基本測(cè)站。測(cè)驗(yàn)河段順直，河床系卵石組成，卵石下為砂巖，水文站測(cè)流斷面上游212 m為中山橋，洪水期受橋墩影響，使流速分布有轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，下游2 km處的雁灘將黃河分為南北兩股，因南股修建了攔河壩，使河道泄洪能力降低。

2 上游水文站及主要水利工程概況

黃河干流甘肅段以上先后設(shè)有黃沿河、吉邁、門堂、瑪曲、軍功、唐乃亥、貴德、循化、小川、上詮、蘭州、烏金峽、安寧渡、下河沿等水文站。上述測(cè)站均為國(guó)家基本測(cè)站，觀測(cè)系列較長(zhǎng)，資料精度較高，資料整編規(guī)范，由黃河水利委員會(huì)整編刊印成《黃河水文年鑒》。黃河干流甘肅段及上游水文測(cè)站基本情況見(jiàn)表1。

表1 黃河甘肅段及上游主要水文測(cè)站一覽表

甘南藏族自治州瑪曲以上基本沒(méi)有灌溉引水，也沒(méi)有其它用水工程，實(shí)測(cè)流量即為天然，而青海河段已建成多年調(diào)節(jié)的龍羊峽水庫(kù)（1986年10月水庫(kù)下閘蓄水），壩址以上控制流域面積131420 km2。臨夏河段已建成年調(diào)節(jié)性能的劉家峽水庫(kù)（1968年10月28日開始蓄水），壩址以上控制流域面積204700 km2。經(jīng)龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)后，使得水庫(kù)以下河段徑流年際、年內(nèi)變化趨于均勻。龍羊峽、劉家峽之間建有李家峽水電站（1996年12月下閘蓄水），為上游已建成梯級(jí)電站條件下截流的典型，壩址以上控制流域面積136747 km2，龍羊峽電站位于其上游108.6 km，非汛期區(qū)間徑流甚少；劉家峽電站位于其下游225.4 km，回水無(wú)影響。

3 設(shè)計(jì)徑流

3.1 流域降雨徑流特性

黃河上游徑流主要為流域降雨形成，以雨水補(bǔ)給為主，融雪補(bǔ)給為輔。由于天然湖泊、沼澤的調(diào)蓄，徑流相對(duì)穩(wěn)定，徑流年內(nèi)變化受環(huán)流形勢(shì)、降水、氣溫和下墊面等因素的影響，汛期6月～9月徑流量約占年總徑流量的60%，年際變化不大。本次工程取水?dāng)嗝纥S河蘭州段徑流，由于上游修建了多級(jí)水庫(kù)電站，改變了河川徑流的天然狀態(tài)，特別是龍羊峽和劉家峽兩座大型水庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)行，使汛期洪峰流量和徑流明顯減小，非汛期徑流增大。由于引水樞紐以上黃河干流徑流受多級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)的影響，改變了原來(lái)天然狀態(tài)，自2000年以來(lái)黃河干流沒(méi)有進(jìn)行新的工作，故本工程設(shè)計(jì)延用西北院2000年已批復(fù)復(fù)核的成果。

3.2 徑流系列的插補(bǔ)延長(zhǎng)

黃河流域建站最早的陜縣水文站設(shè)立于1919年4月，黃河上游以蘭州站觀測(cè)年限最長(zhǎng)，始于1934年7月。1961年黃委會(huì)、北京院、西北院三單位在鄭州協(xié)調(diào)確定了陜縣～蘭州站各月平均流量相關(guān)線，由陜縣水文站實(shí)測(cè)月平均流量插補(bǔ)出了蘭州水文站1919年5月～1934年7月各月平均流量，并于1962年由黃委會(huì)刊印在《黃河干支流主要斷面1919年～1960年水量、沙量計(jì)算成果表》中。

黃河上游各站設(shè)計(jì)年徑流采用陜縣～蘭州站的月平均流量相關(guān)，由陜縣插補(bǔ)延長(zhǎng)蘭州站的實(shí)測(cè)流量資料，再依次插補(bǔ)延長(zhǎng)蘭州站至上游唐乃亥站之間各代表站流量資料，經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)后蘭州站至上游唐乃亥站之間各代表站的資料系列為1919年～2000年共81年。

3.3 徑流還原分析

（1）水庫(kù)調(diào)蓄還原

黃河上游已建的、具有年調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)為劉家峽和龍羊峽水庫(kù)，其中劉家峽水庫(kù)于1968年10月28日開始蓄水，龍羊峽水庫(kù)于1986年10月水庫(kù)下閘蓄水，使水庫(kù)下游相應(yīng)各水文站實(shí)測(cè)資料不再是天然徑流。本次設(shè)計(jì)根據(jù)黃河上游各水文站水庫(kù)還原計(jì)算方法，從唐乃亥水文站開始逐級(jí)還原貴德、循化、上詮、蘭州水文站。具體方法如下：

1）受劉家峽水庫(kù)影響（1968年以后）的資料還原

上詮站天然流量為循化站、紅旗站（洮河）和馮家臺(tái)站（大夏河）三站天然流量之和。蘭州站天然流量為上詮站天然流量加上上詮～蘭州區(qū)間流量，上詮～蘭州區(qū)間流量為上詮站與蘭州站同一天流量之差。安寧渡站天然流量為上詮站天然流量加上上詮～安寧渡區(qū)間流量，其中上詮～安寧渡區(qū)間流量為安寧渡站與上詮站實(shí)測(cè)流量錯(cuò)一天之差。

2）受龍羊峽水庫(kù)影響（1980年以后）的資料還原

對(duì)1980年以后龍羊峽水庫(kù)影響的資料還原用馬斯京根法將唐乃亥逐日流量過(guò)程演算至貴德，得到貴德站逐日流量過(guò)程線，由于沒(méi)有考慮唐乃亥～貴德區(qū)間入流的影響，略為偏小。其修正方法是通過(guò)建立唐乃亥與貴德兩站最大15天、45天洪量（W15、W45）相關(guān)關(guān)系，推求出貴德站W(wǎng)15、W45，以此量為準(zhǔn)對(duì)演算的貴德站逐日流量過(guò)程中的W15演、W45演予以修正。還原結(jié)果經(jīng)合理性檢查和上下游平衡，精度較高。

循化站天然流量為貴德站天然流量加循化～貴德區(qū)間流量，循化～貴德區(qū)間流量為貴德站與循化站實(shí)測(cè)流量錯(cuò)一天之差。由于1996年12月26日李家峽水庫(kù)下閘蓄水，故其后的循化站天然流量的資料還原計(jì)算考慮了李家峽水庫(kù)的蓄水影響。

（2）水庫(kù)調(diào)蓄還原

各水文站斷面以上歷年逐月灌溉用水量統(tǒng)一采用黃委會(huì)整編的資料，各水文站經(jīng)水庫(kù)還原的逐月、逐年天然徑流量加上對(duì)應(yīng)年、月灌溉水系列即還原為天然流量。以上各站水量還原的計(jì)算方法及成果在“西北院”進(jìn)行積石峽、柴家峽、黑山峽等水電站設(shè)計(jì)時(shí)均經(jīng)過(guò)審查，本次直接采用其還原成果。

3.4 設(shè)計(jì)徑流

根據(jù)以上各水文站還原后的天然徑流系列進(jìn)行頻率分析計(jì)算，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，經(jīng)上下游參數(shù)平衡，得本次依據(jù)的蘭州水文站設(shè)計(jì)年徑流成果見(jiàn)表2。取水?dāng)嗝婢嗵m州水文站較近且由于黃河徑流還原較為復(fù)雜，根據(jù)規(guī)劃本次取水?dāng)嗝鎻搅髦苯硬捎命S河蘭州水文站計(jì)算結(jié)果。

經(jīng)龍羊峽、劉家峽聯(lián)合調(diào)蓄的年徑流與天然情況不同，年徑流的年內(nèi)分配趨于均勻。黃河干流徑流調(diào)節(jié)由西北院所設(shè)計(jì)，自2000年以來(lái)黃河干流沒(méi)有進(jìn)行新的工作，故本工程此次延用2000年已批復(fù)復(fù)核的成果［2］，成果見(jiàn)表2。

表2 蘭州站設(shè)計(jì)年徑流成果表

3.5 徑流年內(nèi)分配

本次徑流年內(nèi)分配采用蘭州站1980年以后的徑流資料，以典型年的年徑流量接近設(shè)計(jì)頻率的徑流量為原則，選取蘭州站1990年為P=50%代表年的典型年、1999年為P=75%代表年的典型年、1998年為P=95%和P=97%代表年的典型年，以設(shè)計(jì)頻率的年平均流量與典型年年平均流量之比修正典型年的月平均流量得到各代表年徑流的年內(nèi)分配，其年內(nèi)分配成果見(jiàn)表3和表4。

表3 黃河蘭州水文站及工程斷面（天然）不同頻率徑流年內(nèi)分配表 單位：億m3

表4 黃河蘭州水文站及工程斷面（調(diào)蓄后）不同頻率徑流年內(nèi)分配表 單位：億m3

4 洪水分析

4.1 歷史調(diào)查洪水和特大洪水

原北京院、西北院曾在黃河上游調(diào)查考證到的最大洪水為1904年7月洪水，在龍羊峽、李家峽、公伯峽、劉家峽及黑山峽等工程設(shè)計(jì)都做過(guò)大量的分析論證工作。根據(jù)1811年以來(lái)青銅峽硤口志樁水位記錄，經(jīng)分析考證認(rèn)為1904年為黃河上游1811年或1850年以來(lái)的最大洪水。1981年9月黃河上游發(fā)生了有實(shí)測(cè)資料以來(lái)最大且僅次于1904年洪水的大洪水，這場(chǎng)洪水兩頭緩漲緩落，中間暴漲暴落，洪量比較集中，形成這次洪水的降雨主要集中在龍羊峽以上。因此，循化以上各站1981年洪水按特大值處理，上詮及以下各站不做特大值處理，各站歷史調(diào)查洪水成果見(jiàn)表5。

表5 黃河干流各站歷史洪水調(diào)查成果表

4.2 劉家峽、龍羊峽水庫(kù)防洪運(yùn)行方式

黃河上游已建或在建有多級(jí)水電站如龍羊峽、拉西瓦、李家峽、劉家峽、河口、柴家峽、小峽、大峽、烏金峽等，其中具有年調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)有劉家峽水庫(kù)和龍羊峽水庫(kù)，劉家峽水庫(kù)總庫(kù)容57億m3，于1968年10月28日開始蓄水；龍羊峽水庫(kù)總庫(kù)容247億m3，1986年10月水庫(kù)下閘蓄水。這兩座大型水庫(kù)的建成，使河川徑流發(fā)生了很大變化，改變了河川徑流的天然狀態(tài)，特別是龍羊峽和劉家峽兩座大型水庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)行，使劉家峽下游汛期洪峰流量和徑流明顯減小，非汛期徑流增大。

龍羊峽和劉家峽兩水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度的總原則是：不考慮洪水預(yù)報(bào)，即不考慮水庫(kù)預(yù)泄；不人為造洪，即水庫(kù)下泄量在蓄水段不超過(guò)天然日平均入庫(kù)流量（為瞬時(shí)洪峰流量的0.95倍），以便為水庫(kù)管理運(yùn)用留有余地。

在龍羊峽和劉家峽兩水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度中，劉家峽水庫(kù)的下泄量應(yīng)按照劉家峽下游防洪對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格控制，而龍羊峽的下泄量可以比較靈活的掌握，只要使調(diào)洪計(jì)算中劉家峽水庫(kù)不同頻率洪水時(shí)的最高庫(kù)水位不超過(guò)設(shè)計(jì)水位。

龍羊峽水庫(kù)運(yùn)用原則：①龍劉兩庫(kù)按一定的庫(kù)容比同時(shí)蓄水（汛限水位以上）；②下泄量不得大于各相應(yīng)頻率洪水的控泄量和不人為造峰；③逐日下泄流量變幅不至太大，一般控制在±1000 m3/s以內(nèi)；④正常運(yùn)用期龍羊峽最小下泄流量為1500 m3/s（其它的時(shí)間應(yīng)不低于發(fā)電流量1240 m3/s）；⑤龍羊峽水庫(kù)以入庫(kù)流量判別洪水的量級(jí)，當(dāng)入庫(kù)洪水小于等于1000年一遇時(shí)，控制出庫(kù)流量不大于4000 m3/s，當(dāng)入庫(kù)洪水大于1000年一遇時(shí)，控制出庫(kù)流量不大于6000 m3/s。

龍羊峽和劉家峽兩水庫(kù)共同擔(dān)負(fù)劉庫(kù)下游蘭州（防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇）、八盤峽水電站（防洪標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇）、鹽鍋峽水電站（防洪標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇）的防洪安全。不同標(biāo)準(zhǔn)的防洪任務(wù)，是通過(guò)劉家峽水庫(kù)控泄相應(yīng)的安全泄量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。劉家峽水庫(kù)運(yùn)用原則：①當(dāng)劉庫(kù)出現(xiàn)天然入庫(kù)洪水（龍羊峽水庫(kù)入庫(kù)流量加上龍劉區(qū)間匯入量）重現(xiàn)期小于或等于100年一遇時(shí)，劉家峽控制出庫(kù)流量不大于4290 m3/s；②當(dāng)入庫(kù)洪水大于100年一遇小于1000年一遇時(shí)，控制出庫(kù)流量不大于4510 m3/s；③當(dāng)入庫(kù)洪水大于1000年一遇小于2000年一遇時(shí)，控制出庫(kù)流量不大于7260 m3/s；④當(dāng)入庫(kù)洪水大于2000年一遇時(shí)，水庫(kù)按敞泄運(yùn)用。

烏蘭碼頭黃河斷面受上游龍羊峽和劉家峽兩水庫(kù)的調(diào)節(jié)影響，洪水已非天然，設(shè)計(jì)洪水取決于上游水庫(kù)的聯(lián)合防洪調(diào)度方式和洪水的地區(qū)組成。

4.3 設(shè)計(jì)洪水分析

工程斷面位于蘭州站下游約30 km，但流域面積相差僅0.1%，因此設(shè)計(jì)洪水可直接采用蘭州站洪水計(jì)算成果。

（1）蘭州站天然設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)蘭州站1934年～2000年67年洪峰流量系列，不考慮水庫(kù)調(diào)洪，加入1904年歷史洪水成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ曲線適線［3］，得蘭州站設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表6。

表6 蘭州水文站天然設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

（2）上～蘭區(qū)間洪水

上詮水文站至蘭州水文站區(qū)間面積39730 km2，有湟水河、莊浪河匯入，根據(jù)《黃河柴家峽水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，上詮～蘭州站區(qū)間洪水設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表7。

表7 上～蘭區(qū)間設(shè)計(jì)洪水成果表

（3）根據(jù)上述劉家峽水庫(kù)防洪運(yùn)行各頻率最大下泄流量與上～蘭區(qū)間相應(yīng)洪峰疊加，得到蘭州站～祖厲河匯入口以上及工程斷面各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，其中P=10%及以下頻率劉家峽水庫(kù)不削峰，采用蘭州站調(diào)蓄后設(shè)計(jì)成果，成果見(jiàn)表8。

表8 蘭州水文站及工程斷面調(diào)蓄后設(shè)計(jì)洪水成果表

蘭州站至工程斷面流域面積相差較小，蘭州站洪水分析及成果完整可靠，并通過(guò)審查，計(jì)算結(jié)果與已審批報(bào)告一致，且與國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的第二版《蘭州市總體規(guī)劃》規(guī)定蘭州河段100年一遇設(shè)防流量為6500 m3/s一致，可作為本次工程使用。

則本次一、二級(jí)泵站按20年一遇設(shè)計(jì)洪水流量為6050 m3/s，50年一遇校核洪水流量為6310 m3/s。

5 結(jié)論

結(jié)合黃河流域內(nèi)蘭州水文參證站相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)設(shè)計(jì)年徑流年內(nèi)分配進(jìn)行計(jì)算和洪水成果計(jì)算分析，整體體現(xiàn)出非常高的可信度，滿足流域內(nèi)洪水要求，保障了流域內(nèi)一級(jí)、二級(jí)泵站的防洪安全和沿河人民生命財(cái)產(chǎn)安全，可為本次泵站改造洪水設(shè)計(jì)分析提供參考依據(jù)。