貴州山區(qū)小流域引洪工程水文分析計算方法研究

龍章發(fā)，謝加球，羅姍姍

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081；2.貴州新中水工程有限公司，貴陽 550081）

1 工程基本情況

梅花山旅游景區(qū)位于六盤水市市中心區(qū)西面的梅花山，距離市中心區(qū)5 km，梅花山方圓約40 km2，海拔最高處2800 m，平均海拔2300 m，景區(qū)總體定位為“國際山地生態(tài)休閑度假旅游區(qū)”。梅花山景區(qū)地處云貴高原東部（貴州西部）的高原夷平面～滇東高原向黔西山原過渡的斜坡地帶，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖與碎屑巖相間分布，碳酸鹽巖出露區(qū)巖溶發(fā)育強烈。

經(jīng)分析預測，梅花山景區(qū)遠期（2030年）需水量242.9 萬m3，扣除現(xiàn)狀水源供水量，再生水利用量，仍缺水101.6 萬m3。由于景區(qū)海拔較高，周邊地質及水資源條件較差，經(jīng)現(xiàn)場踏勘調查，可在景區(qū)西南面梁家溝上新建梁家溝水庫向景區(qū)供水，擬定梁家溝水庫壩址以上流域集水面積1.84 km2，多年平均徑流量118 萬m3，多年平均可供水量71.0 萬m3。梁家溝水庫本流域來水量不能完全解決梅花山景區(qū)用水矛盾，仍缺水30.6 萬m3。因此，考慮從梁家溝水庫西北面余家寨小河向梁家溝水庫引水方案，引水方案示意圖見圖1。

圖1 梁家溝水庫引水方案示意圖

流域內(nèi)無水文、氣象觀測站點，鄰近流域設有向陽水文站、陽長水文站、濫壩雨量站、比德雨量站、水城氣象站。向陽水文站控制流域面積855 km2，與設計流域面積差異較大，不宜作為參證站。陽長水文站控制流域面積2696 km2，與設計流域面積差異較大，也不宜作為參證站。濫壩雨量站、比德雨量站距水城梁家溝水庫工程相對較遠，水城氣象站距水城梁家溝水庫工程壩址相對較近，且資料系列年限較長，資料可靠性較高。因此，選擇水城氣象站作為水文分析參證站。

2 余家寨小河攔水壩引水量計算

本次設計余家寨小河引水斷面以上控制流域面積較小，引水方式采用無壓隧洞引水，引水隧洞根據(jù)施工最小斷面要求布置。本次引水量分析計算主要步驟為：

（1）根據(jù)引水斷面布置，分析計算該引水斷面的最大過流能力。

（2）根據(jù)設計暴雨推求引水斷面不同頻率的設計洪水。

（3）對比分析引水斷面的最大過流能力與引水斷面的不同頻率設計洪水，得出該引水斷面最大過流能力對應的設計洪水頻率，并根據(jù)設計頻率分析得出相應的設計暴雨。

（4）以此設計暴雨為基礎，按10 mm 降水量考慮遞增，分別計算各暴雨量級下的設計洪水及洪水過程線。

（5）根據(jù)各暴雨量級下的洪水過程，以最大過流能力為控制，分析計算得出相應的棄洪量，并建立暴雨量級與棄洪量的關系曲線。

（6）根據(jù)參證站逐日降水資料以及計算得出的暴雨量級～棄洪量關系曲線分析計算引水斷面歷年逐月的棄洪量。

（7）按照水量平衡原理[1]，根據(jù)引水斷面天然來水扣除生態(tài)環(huán)境水、逐月棄洪量以及下游農(nóng)村生活生產(chǎn)用水后得出逐月引水量。

3 余家寨小河攔水壩引水量分析計算

3.1 引水方案布置及最大引水能力

余家寨小河攔水壩以上控制流域面積0.99 km2，多年平均年徑流量54.5 萬m3。根據(jù)引水隧洞布置，隧洞長1.00 km，隧洞凈寬1.8 m，高2.5 m。隧洞為無壓隧洞，過流水深2.0 m，糙率0.025，設計坡降0.0 075，根據(jù)曼寧公式[2]分析計算引水隧洞最大過流能力，其表達式為：

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率；A為斷面面積，m2；R為水力半徑，m；i為水力坡降。

經(jīng)復核，引水隧洞最大過流能力為9.1 m3/s。

3.2 攔水壩上游天然徑流量

余家寨小河流域內(nèi)無水文測站，屬于無資料地區(qū)，年徑流計算根據(jù)水城氣象站1959-2015 年逐月降水資料結合“貴州省1956-2000 年徑流系數(shù)均值等值線圖”，采用“降雨徑流頻率相應法[3]”計算，該流域多年平均徑流系數(shù)為0.50，設計流域多年平均徑流深550 mm。攔水壩控制集水面積0.99 km2，壩址以上多年平均徑流量為54.5萬m3。

根據(jù)《貴州省河流枯水調查與統(tǒng)計分析》成果，并結合現(xiàn)場實地調查，偏安全考慮，余家寨小河攔水壩以上流域P=95% 最小月枯水模數(shù)以1.96 L/（s·km2）控制。按降雨年內(nèi)分配把年徑流分配到各月，從而得到余家寨攔水壩歷年逐月徑流過程（見表1）。

表1 余家寨攔水壩天然來水量 萬m3

3.3 攔水壩引水量分析計算

3.3.1 攔水壩控制流域不同頻率設計暴雨及設計洪水成果

根據(jù)水城氣象站暴雨資料結合貴州省暴雨等值線圖成果[4]，推求各頻率設計暴雨。根據(jù)設計暴雨以及攔水壩控制流域特征參數(shù)采用“雨洪法”推求各頻率設計洪水成果。

余家寨攔水壩控制流域面積小于10 km2，θ值均小于30，根據(jù)《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》規(guī)定，洪水計算采用修訂（3）式，表達形式如下：

式中：Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數(shù)（設計流域屬高山間山丘，少量巖溶，植被較差，因此本次計算匯流系數(shù)?、?區(qū)，r1=0.43）；f為流域形狀系數(shù)；J為主河道坡降；F為流域集水面積，m2；C1為 洪 峰 徑 流 系 數(shù)（0.875～0.799，P=0.33%～50%）；SP為設計頻率為P的最大1 h降雨量，mm。

洪水總量按下列公式計算：

式中：W總為次洪水總量，萬m3；F為流域集水面積，km2；H24P為設計頻率下的最大24 h 暴雨，mm；△HS為穩(wěn)定雨損，mm；HS為附加雨損，mm。

經(jīng)計算，余家寨攔水壩控制流域設計暴雨及洪水成果見表2。

表2 攔水壩控制流域設計暴雨及洪水成果表

3.3.2 引水隧洞最大過流能力及對應設計暴雨

結合表2 分析得出，引水隧洞最大過流能力相當于P=50%的設計洪水（重現(xiàn)期為兩年一遇），對應的設計暴雨為80.9 mm。

3.3.3 不同量級暴雨下的設計洪水及洪水過程線

根據(jù)前述分析得出，引水隧洞最大過流能力對應的設計暴雨為80.9 mm，本次以10 mm為梯級，根據(jù)上述雨洪法計算公式，分別分析計算90～180 mm不同設計暴雨量級下設計洪水及洪水過程線[5]，成果見表3。

表3 不同量級暴雨設計洪水過程線

3.3.4 不同量級暴雨對應的棄洪量

本次引水隧洞最大過流能力為9.1 m3/s，以此為基礎，根據(jù)各不同量級暴雨下的洪水過程分析得出，各不同量級暴雨下的棄洪量，成果見表4和圖2。

圖2 不同量級暴雨、棄洪量關系曲線圖

表4 不同量級暴雨、棄洪量關系成果表

3.3.5 余家寨小河攔水壩引水量

根據(jù)水城氣象站逐日降水資料，以及計算得出的表4中暴雨量級—棄洪量關系曲線統(tǒng)計分析計算引水斷面逐月的棄洪量。然后根據(jù)天然來水量，扣除生態(tài)水量、棄洪量，以及下游農(nóng)村生活生產(chǎn)用水后得到本次余家寨小河引水量成果。經(jīng)計算，余家寨小河多年平均引水量為40.6萬m3（見表5）。

表5 余家寨小河攔水壩引水量 萬m3

4 成果合理性分析

引水量計算過程考慮了攔水壩下游的生態(tài)水量以及農(nóng)村生產(chǎn)生活用水需求，并根據(jù)攔水壩以及引水隧洞的最大過流能力，以及不同等級暴雨洪水過程線推算相應的棄洪量，基本符合水量平衡原理計算的相關原則。根據(jù)計算成果，余家寨小河攔水壩多年平均引水量為40.6萬m3，約占攔水壩以上控制流域多年平均徑流量的74.5%，計算成果基本合理。

5 結語

本文就貴州山區(qū)實測水文資料小流域引水工程引水量分析計算進行了研究，根據(jù)流域周邊氣象站實測逐日降水量以及引水流域徑流及洪水過程并結合引水工程布置推求分析引水工程年引水量。

由于引水流域資料缺乏，根據(jù)降水、暴雨推求的引水流域理論逐月徑流量、洪水過程與流域實際情況存在一定偏差，也使得該方法計算所得的引水量計算成果與實際運行可能存在一定的誤差。