山西某電力工程設(shè)計洪水成果合理性分析

摘要：通過對山西某電力工程處河流設(shè)計洪峰流量分析計算，介紹了使用不同計算方法推求設(shè)計洪峰流量，并進行成果合理性分析，確定出符合實際的設(shè)計洪峰流量成果，以保證電力工程的防洪措施安全可靠經(jīng)濟合理。

關(guān)鍵詞：流域面積;設(shè)計洪峰流量;洪峰模系數(shù);合理性分析

引言

工程中通常把各年最大洪峰流量所組成的系列作為樣本，通過頻率分析方法求得某一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P的流量值Qp，稱為設(shè)計洪峰流量。山西某變電站工程位于桃河一支流-桑掌河西岸河漫灘地之內(nèi)，流域內(nèi)地貌以土石山區(qū)、黃土丘陵為主，流域內(nèi)地形條件較為復(fù)雜，因此，如何提高推求出的設(shè)計洪峰流量的精度，使得位于河道內(nèi)的電力工程防洪措施即安全又經(jīng)濟，則顯得尤為重要。

1 工程概況

山西某發(fā)電項目工程，擬選廠址位于山西省陽泉市城區(qū)西南方向約13km的桑掌河西側(cè)二級階地和河漫灘上。廠區(qū)地形呈西南高東北低，自然地面標(biāo)高在930m-975m之間（高程為1985國家高程基準(zhǔn)）。

2流域概況

桑掌河屬于海河流域，子牙河水系，桃河的一級支流，發(fā)源于山西省陽泉市西南部山區(qū)的刁烏愣，由南向北流經(jīng)后峪、西上莊、桑掌等地，最后匯入桃河。廠址以上桑掌河流域面積為18.6km2，河長為6.95km，比降為34.4‰。

3工程處設(shè)計洪峰流量不同推算方法

本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《電力工程水文技術(shù)規(guī)程》之規(guī)定，按照百年一遇洪水設(shè)防。采用《山西省水文計算手冊》中的流域模型法、推理公式和地區(qū)經(jīng)驗公式法三種計算方法推求廠址段百年一遇洪峰流量。

3.1暴雨洪水特性及時空分布

本流域洪水主要系暴雨所致，影響降水的主要天氣系統(tǒng)有副高后部、切變線、低渦、西風(fēng)槽，主要以副高后部為主，尤其是多種天氣系統(tǒng)同時出現(xiàn)時，對本區(qū)影響是極大的。受地形地貌及以上主要天氣系統(tǒng)的共同影響，夏季降雨多以雷陣雨、局地性暴雨形式出現(xiàn)，主要集中在汛期6～9月份，尤以7、8兩月為甚，汛期降水量約占年降水量75%左右。

3.2設(shè)計點、面雨量計算

本次計算的桑掌河按流域位于水文分區(qū)的中區(qū)，按無資料地區(qū)方法計算設(shè)計點暴雨和面暴雨計算是利用間接法進行的。間接法推求設(shè)計暴雨，首先確定“定點”及設(shè)計暴雨歷時，然后分別在相應(yīng)歷時暴雨參數(shù)等值線圖（《山西省水文計算手冊》附圖15～附圖24）查讀出定點的各種歷時暴雨均值、變差系數(shù)CV。用經(jīng)過合理性檢查、調(diào)整后的參數(shù)值，計算出各種不同歷時設(shè)計點暴雨。

間接計算設(shè)計面雨量是采用“定點”設(shè)計雨量配以暴雨“定點～定面”關(guān)系計算設(shè)計面雨量的方法。

3.3流域模型法

3.3.1流域產(chǎn)流計算

流域模型法包括流域產(chǎn)流計算和流域匯流計算兩部分，流域產(chǎn)流計算包括設(shè)計洪水凈雨深和凈雨過程計算兩部分。前者采用雙曲正切模型計算，后者按主雨日、非主雨日分別采用變損失率推理扣損法和定損失率推理扣損法計算。經(jīng)計算，桑掌溝主雨歷時為13h，主雨雨量為156mm，凈雨深取99.8mm。

3.3.2流域匯流計算—綜合瞬時單位線

流域降水所產(chǎn)生的凈雨在重力與地表阻力綜合作用下沿坡面及河網(wǎng)向流域出口斷面匯集的過程稱為流域匯流，流域匯流計算是根據(jù)設(shè)計暴雨計算出的凈雨過程，用某種演算方法或模型，將其轉(zhuǎn)換成流域出口斷面的設(shè)計洪水過程線。

經(jīng)現(xiàn)場實地踏勘，確定流域的植被和河道情況，匯流地類按灌叢山地考慮，根據(jù)產(chǎn)流計算成果，最后，推求出百年一遇洪峰流量為Q1%=363m3/s。

3.4推理公式法

推理公式法由設(shè)計暴雨、推理產(chǎn)流、推理匯流三個子系統(tǒng)構(gòu)成。推理匯流計算包括求解洪峰流量Qm、流域匯流時間τ及推理洪水過程線。經(jīng)現(xiàn)場實地踏勘，確定流域的植被和河道情況，匯流地類按灌叢山地考慮，則m取0.15，計算時段為30分鐘，匯流時間為0.9小時，通過推理公式計算，最后，推求出百年一遇洪峰流量為Q1%=401m3/s。

3.5地區(qū)經(jīng)驗公式法

由設(shè)計暴雨推求相應(yīng)頻率設(shè)計洪峰流量的地區(qū)經(jīng)驗公式法，是一種集產(chǎn)流與匯流于一體的洪峰流量計算方法。經(jīng)驗公式形式：，式中：Qp為頻率為p的設(shè)計洪峰流量（m3/s）;其中A為涉水工程控制的流域面積（km2）;Cp為與頻率p和地類有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù);N1、β為經(jīng)驗參數(shù)（N1取0.92，β取0.050）;為涉水工程控制流域內(nèi)定點概率雨力的面平均值，即設(shè)計定點雨力（mm/h）。由以上公式推求出工程處設(shè)計洪峰流量為 Q1%=325m3/s。

3.6各計算方法設(shè)計洪峰流量成果

本次采用流域模型法、推理公式法、經(jīng)驗公式法三種方法洪水計算成果，最后推得：1）流域模型法百年一遇洪峰流量Q1%=363m3/s;2）推理公式法百年一遇洪峰流量Q1%=401m3/s;3）經(jīng)驗公式法百年一遇洪峰流量Q1%=325m3/s。

由以上計算結(jié)果可以看出，流域模型法和經(jīng)驗公式方法推求的設(shè)計洪峰流量計算成果比較接近，因推理公式受河道縱坡變化影響較大，計算成果相對偏大。考慮到經(jīng)驗公式為估算公式準(zhǔn)確度稍差，故，本次選擇流域模型法計算成果作為設(shè)計洪水成果。

4設(shè)計洪峰流量成果合理性分析

4.1采用洪峰模系數(shù)進行合理性分析

由于暴雨在地區(qū)上有一定的分布規(guī)律，水文墊面在地區(qū)上也有自身的分布特點，因此為反映洪峰流量的分布規(guī)律，引入了某一頻率洪峰模系數(shù)的概念：

公式為Cp=Qp/AN 。式中：Cp為某一頻率的洪峰模系數(shù)，m3/（s?km2）;Qp為某一頻率為p的設(shè)計洪峰流量（m3/s）;A為涉水工程控制的流域面積（km2）;N1、β為經(jīng)驗參數(shù)（N1取0.92，β取0.05）。

其中某一頻率的洪峰模系數(shù)Cp的大小反映形成洪峰流量雨量級的大小、流域產(chǎn)流和匯流條件，包括流域地質(zhì)、地貌、植被以及流域的形狀、水系發(fā)育程度等幾何特征。其地區(qū)分布可反映洪峰流量形成的條件及地區(qū)分布規(guī)律。山西省共選用了75個水文站的頻率分析計算成果，計算了各站的不同頻率洪峰模系數(shù)Cp值成果，同時，繪制出了不同頻率洪峰模系數(shù)分布圖以及各水文站不同頻率洪峰模系數(shù)成果。

本工程所在河道-桑掌河，該河屬子牙河水系桃河的一級支流，對照桑掌河所在水文分區(qū)，可知，其位于水文分區(qū)的第Ⅱ區(qū)（子牙河水系），其不同頻率洪峰模系數(shù)成果見下表1，該區(qū)共有14個水文站參與分析計算，該區(qū)洪峰模系數(shù)C1%值在9.9—40.7 m3/（s?km2）之間，第Ⅱ區(qū)洪峰模系數(shù)C1%均值為21.4m3/（s?km2）。

通過以上洪峰模系數(shù)Cp公式計算，推得本工程桑掌河洪峰模系數(shù)為24.7m3/（s?km2），與第Ⅱ區(qū)均值21.4m3/（s?km2）較為接近，處在其合理范圍值之內(nèi)，故，認為，本次桑掌河設(shè)計洪峰流量計算成果基本合理。

4.2利用洪峰流量與流域面積關(guān)系圖進行對比分析

通過對山西洪水發(fā)生的時空分布規(guī)律的研究，結(jié)合洪水地域性特點，將山西河流按水系分為了六個區(qū)，并以山西境內(nèi)各水文站頻率分析成果為基礎(chǔ)，按全省流域及六個分區(qū)，在雙對數(shù)格紙上點繪處出各調(diào)查河段（水文站）不同頻率設(shè)計洪峰流量與集水面積相關(guān)圖，并確定散布點據(jù)的上包線、平均線和下包線，曲線公式：采用Qmax=CAαAβ，其中Qmax為洪峰流量;A為流域面積;C為反映匯流綜合水平的經(jīng)驗參數(shù)，與流域水文下墊面條件和暴雨特性有關(guān);α和β為lgQmax與lgA反映非線性關(guān)系的經(jīng)驗參數(shù)。

由繪制的不同頻率洪峰流量與流域面積相關(guān)曲線圖可以看出，各曲線隨著面積的增大而呈上升趨勢，但坡度漸緩。其中上包線反映了各級面積產(chǎn)匯流條件和設(shè)計暴雨最佳組合相關(guān)曲線，平均線反映了水文下墊面條件和相應(yīng)設(shè)計暴雨平均情況下的相關(guān)曲線，下包線則為最不利組合下的相關(guān)曲線。

因桑掌河屬海河流域、子牙河水系，位于第Ⅱ區(qū)（子牙河分區(qū)），故參照其洪峰流量與集水面積關(guān)系曲線（見下圖1）。按照第Ⅱ區(qū)（子牙河分區(qū)）洪峰流量與集水面積關(guān)系曲線，從圖中內(nèi)插出桑掌河設(shè)計洪峰流量在350左右（上包線與平均線的中間位置）。根據(jù)以上情況分析，最后，認為，本工程處設(shè)計洪峰流量采用Q1%=363m3/s計算成果應(yīng)在合理范圍之內(nèi)。

5結(jié)語

1）采用設(shè)計暴雨計算設(shè)計洪水的這三種計算方法，常受到多種因素和環(huán)節(jié)的影響，建議，計算出的設(shè)計洪水應(yīng)通過綜合分析合理選用，不宜盲目去平均值。

2）在設(shè)計洪峰流量計算過程中，正確劃分地類是決定參數(shù)及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。劃分地類應(yīng)采取實地查勘與查圖相結(jié)合、以查勘為主的原則。

3）采用洪峰模系數(shù)方法、以及洪峰流量與流域面積關(guān)系曲線對設(shè)計洪峰流量成果進行合理性分析時，還應(yīng)通過與本流域及鄰近的歷史調(diào)查洪水成果進行比較分析，以驗證計算成果合理性。

4）綜合以上分析，認為，在確定設(shè)計洪峰流量時，首先，應(yīng)通過詳細分析已有水利工程的水文資料，同時，結(jié)合歷史洪水調(diào)查，采用多種方法分析比較驗證計算結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，不斷提高設(shè)計洪峰流量計算成果的精度，最終使得電力工程防洪措施，既經(jīng)濟合理又運行安全。

參考文獻：

[1]山西省水利廳.山西省水文計算手冊，鄭州;黃河水利出版社，2011.3。

[2]山西省水利廳.山西洪水研究，鄭州;黃河水利出版社，2014.2。

[3]國家能源局.電力工程水文技術(shù)規(guī)程：DL/T5084-2012.北京：中國計劃出版社，2012。

作者簡介：閻同喜（1965-），山西太原人，高級工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測工作。