無資料地區(qū)設計洪峰流量的推求
——以陂下水庫為例

王光焰 喻佳

1.新疆塔里木河管理局 新疆 庫爾勒 841000

2.西安理工大學教育部西北水資源與環(huán)境生態(tài)重點實驗室 陜西 西安 710048

引言

我國中小型水利工程眾多，且眾多小流域上沒有足夠的水文測站，甚至缺乏暴雨資料，推求小流域的設計洪水具有重要的實際意義和應用價值[1]。山洪災害預防和小流域綜合治理都亟須設計洪水過程[2-4]，設計洪水一般以推求設計洪峰流量為主。國際上由雨量資料推求設計洪水的整體思路為：先推求設計暴雨，再做凈雨分析，最后通過流域匯流得到流量過程線[5]。國內許多學者針對不同頻率設計洪峰流量計算做了大量工作。李偉龍等[6]采用了“壹橋8212計算公式”、地方經(jīng)驗公式及數(shù)理統(tǒng)計法對設計洪峰流量進行計算，并將三種方法計算結果進行對比分析，驗證了不同公式的適用性，研究指出設計洪峰流量是確定鐵路橋涵高程、跨度的重要指標。都興偉等[7]利用圖表法和降雨修正圖表法分別計算洪峰流量，研究表明洪峰流量是確定河道最大行洪能力并進行堤線布置、護岸結構內容設計分析的重要依據(jù)。楊大勇等[8]分析了遼陽縣蘭河（楊房橋—田家堡子段）三條支流的山洪溝10年一遇的設計洪峰流量，研究指出設計洪峰流量是河道整治的科學依據(jù)，是河道在洪水時期安全行洪的有力保障。鑒于此，探索無資料小流域的設計洪水不僅可以為中小型水利水電工程的規(guī)劃設計提供參考，且不同頻率下的洪峰流量可為小流域的防洪規(guī)劃和當?shù)厝嗣袢罕姷姆篮閾岆U提供重要技術依據(jù)。

本文以福建長汀濯田河支流上的陂下水庫為例，壩址所在流域面積很小，屬于小流域，缺乏徑流資料，所以只能通過暴雨資料來推求該流域的設計洪水。且工程規(guī)模較小，對洪水的調節(jié)能力不強，工程規(guī)模主要受洪峰流量控制，因而對設計洪峰流量的要求高于對設計洪水過程的要求。運用推理公式法計算設計洪峰流量，該方法表達形式簡單、相關參數(shù)易于獲取，已在我國小流域設計洪峰計算中得到廣泛應用，因此用于推求陂下水庫的設計洪峰流量。

1 流域概況

陂下水庫位于福建省的長汀縣四都鄉(xiāng)同仁村，與江西省毗鄰，是汀江支流上的一座兼顧防洪、發(fā)電、灌溉，航運等綜合利用任務的中型水庫小型電站。根據(jù)地形、地質條件，總庫容初估約為5000萬～6000萬m3，屬中型水庫，裝機容量5000kW左右，屬小型電站。陂下水庫為一級龍頭水庫，壩址位于汀江支瞭流濯田河的小支流陂下河上，是汀江支流濯田河上的一座兼顧防洪、發(fā)電、灌溉，航運等綜合利用任務的中型水庫小型電站。陂下水庫壩址下游一公里多處的四都雨量站有20年降水資料。由水文圖集上查得壩址以上流域的多年平均年最大24h降水量均值為102mm變差系數(shù)Cv24=0.35（Cs=3.5Cv），流域多年平均年降水量為1600mm，多年平均年徑流深1000mm，多年平均年水面蒸發(fā)量1000mm，流域多年平均年陸地蒸發(fā)量是600mm。流域內植被良好，土壤以紅壤土為主，雨量豐沛，主要集中在4-9月，其中4-6月以鋒面雨為主，7-9月以臺風雨為主。已收集的資料包括陂下水庫的F=166km2，L=30.4km，J=7.82‰，μ=2.0mm/h，m=1.28。四都雨量站具有20年雨量資料，可作為計算暴雨參數(shù)的依據(jù)。但四都站沒有逐時雨量資料，只有日雨量記錄，難以分析參數(shù)n值。推理公式法中的暴雨遞減指數(shù)n的取值隨歷時和頻率變化，同時點、面雨量和雨力的不同也會影響n值，n的取值對設計洪峰的計算結果具有較大影響。長汀站具有38年雨量資料，且有逐時雨量記錄，長汀離陂下水庫的距離只有25km，考慮到n值在地區(qū)上變化不會大，可利用長汀短歷時雨量資料統(tǒng)計分析得出的參數(shù)n值，直接移用到陂下水庫。通過推求無資料地區(qū)的設計洪水過程線可以確定水庫大壩的規(guī)格，進而根據(jù)設計洪水過程線做調洪演算，確定壩頂高程、水庫的防洪庫容等工程設計參數(shù)，對之后的設計施工具有重要的意義。

2 暴雨參數(shù)計算

小流域設計洪水計算中，由于流域面積小，所以可以不考慮降水的空間分布情況，只需要求出點雨量，由點雨量代表面雨量，且小流域匯流歷時短，不考慮降水在時間分布上的分配情況，只考慮雨量的大小[9]。按照?。▍^(qū)、市）水文手冊及《暴雨徑流查算圖表》上得到不同時段、不同頻率暴雨變差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值（），并查找相關圖集獲得有關參數(shù)，將特定歷時的設計雨量通過暴雨公式轉化為任一歷時的設計雨量。對設計雨量結果取雙對數(shù)，并在雙對數(shù)紙上點繪各種頻率P的，其斜率即為1-n，最終率定n為0.7。根據(jù)公式（2）可求出，暴雨公式見下式，計算結果見表1、表2。

表1 長汀站各種頻率各種歷時設計雨量成果表

表2 各種頻率Sp成果表

3 設計洪峰流量的計算

水科院推理公式屬于半推理、半經(jīng)驗的集總型概念性模型[10]，從推理公式本身的成因、概化條件以及經(jīng)驗性參數(shù)部分出發(fā)，必須同時注意洪水成因規(guī)律分析和與地區(qū)實測暴雨洪水資料的經(jīng)驗兩方面，這也正是概念性模型的發(fā)展方向[11]。推理公式中：流域特征參數(shù)F、L、J為基本參數(shù)，需根據(jù)流域地形圖進行量算；暴雨參數(shù)Sp與n由公式（1）和（2）計算得出、產(chǎn)流參數(shù)(即損失參數(shù))μ和匯流參數(shù)m均為重要參數(shù)，采用式（3）進行迭代試算確定設計洪峰流量，確定各參數(shù)：

（1）已知陂下水庫的F=166km2，L=30.4km，J=7.82‰；

（3）由龍巖地區(qū)分析結果得知：=3.0mm/h；

由式（3）可知，若已知方程組中F、L、J、等7個參數(shù)，取作為初始迭代值聯(lián)立求解方程組迭代即可求出和兩參數(shù)。

式中：m－匯流參數(shù)；－損失強度，mm/h；－設計洪峰流量，m3/s；－流域匯流歷時，h；F－流域面積，km2。

表3 設計洪峰流量成果表

4 結束語

本文以福建長汀濯田河支流上的陂下水庫為例，在缺乏實測徑流資料的情況下，推求得陂下水庫p=0.01%時設計洪峰流量為3004.68m3/s，p=0.2%時設計洪峰流量為1913.95m3/s，p=0.5%時設計洪峰流量為1597.50m3/s，p=2%時設計洪峰流量為1137.27m3/s，p=5%時設計洪峰流量為847.18m3/s，p=20%時設計洪峰流量為434.24m3/s。設計洪峰流量的確定為缺乏資料地區(qū)的水利工程設計施工提供了重要參考。