享堂水文站洪峰流量還原計算分析

蔣雪琴，胡進寶

（中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司,陜西 西安 710075）

1 概述

人類活動迅速而劇烈地改變著自然界,如植樹造林、堤防工程、水電站、水庫泄放水等,進而改變了原有的下墊面情勢和水流形態(tài),導(dǎo)致流域產(chǎn)匯流特性與原始自然地形地貌具有很大的不同。關(guān)于這方面的研究成果較多,如關(guān)于人類活動對流域徑流的影響[1-4]、水泥條件改變[5-6]、河槽演變沖淤變化[7-8]等,上述活動有些有利于工程安全,如穩(wěn)定了河槽,岸線不易變遷,使位于灘地的工程更加安全；但是多數(shù)情形下則可能使原先安全的工程重新處于不安全狀態(tài)[9-11]。這些人類活動,如果在設(shè)計期間具有預(yù)判,采取了相應(yīng)措施,則可以避免后續(xù)的改變；反之如不加以考慮,輕則可能使工程返工,重則發(fā)生安全、質(zhì)量事故。本文以享堂水文站為例,分析人類活動對洪峰流量所產(chǎn)生的影響,并通過分析與上游水文站洪峰流量資料之間的關(guān)系,對享堂水文站洪峰流量進行還原,以還原到受水電站影響前的洪峰流量,從而為如何有效解決該類問題提供有益參考。

2 基本概況

享堂水文站是流域機構(gòu)設(shè)立在大通河的唯一一個國家基本水文站,始建于1939 年,其主要任務(wù)是掌握大通河流域水沙變化規(guī)律,為工農(nóng)業(yè)建設(shè)積累水文資料,同時為國家防總及黃河防總及時提供水文情報。享堂水文站位于甘肅省民和縣川口鎮(zhèn)享堂村,控制流域面積15130 km2,至河口距離1.9 km。

3 水文資料系列

享堂水文站建站較早,本次共收集了該站1952 年~2019 年連續(xù)的洪峰流量資料系列,同時,調(diào)查得到該站1898 年洪峰流量資料,為1730 m3/s,上述資料序列滿足計算分析要求,作為分析計算依據(jù)。

2005 年以后享堂水文站洪峰流量較上游連城水文站有所減小,分析認為享堂峽水電站相對徑流式發(fā)電站來說較大,但無調(diào)蓄能力。如果蓄水達到設(shè)計高度時,若需排空,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,則只要幾分鐘就排出。地處其大壩下游不足400 m處享堂水文站測流斷面,根本無法布置測次控制洪峰過程[12-13]。

4 洪峰流量還原計算

4.1 洪水資料“三性”分析

1）可靠性分析

連城、享堂水文站建站時間較早,測驗河段順直,斷面基本穩(wěn)定,測驗條件相對較好,測驗精度較好。測驗成果逐年進行在站整編、會審等工作程序,整編成果正式刊印成冊,資料可靠。

2）一致性分析

大通河流域多年來沒有修建較大的水利工程,近年來流域水土保持工作對產(chǎn)流條件有一定改變,但對河道流量沒有實質(zhì)性改變,且主要是對中小洪水的影響,對大洪水的洪峰流量影響不大,可以認為歷年流量資料具有一致性。

享堂水文站上距享堂峽水電站約250 m~300 m,距攔水壩及泄洪閘約300 m~400 m,該水電站的建成改變了享堂水文站的水文測驗特性。連城水文站、享堂水文站洪峰流量隨時間變化規(guī)律見圖1。

圖1 連城水文站、享堂水文站洪峰流量隨時間變化規(guī)律

從圖1可以明顯看出,2005 年以后,享堂水文站洪峰流量較連城水文站偏小,分析原因主要是由于享堂水文站水文測驗受上游水電站泄水影響所致。

3）代表性

（1）系列豐、枯變化規(guī)律分析

繪制連城水文站年最大洪峰流量與歷時關(guān)系圖,見圖2。

圖2 連城水文站歷年最大洪峰流量過程線圖

在 57 年洪水系列中,連城水文站大洪水年有1974 年、1989 年、2006年、2013年等,一般洪水年有1970年、1990年、2002年、2008年、2009年、2011年、2012年、2014年,枯水年有1973年、1979年、1985年、2004 年等。 繪制享堂水文站年最大洪峰流量與歷時關(guān)系圖,見圖3。

圖3 享堂水文站歷年最大洪峰流量過程線圖

在68 年洪水系列中,享堂水文站大洪水年有1974年、1989 年等,對比圖1,2005 年以后洪峰流量享堂水文站較連城水文站均有所減小。黃委會上游水文水資源局陳建宏等人分析享堂峽水電站無調(diào)蓄能力。如果蓄水達到設(shè)計高度時,若需排清,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,則只要幾分鐘就排出。地處其大壩下游不足400 m處享堂水文站測流斷面,根本無法布置測次控制洪峰過程。

（2）均值、Cv值與歷時關(guān)系分析

計算連城水文站正時序累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點繪與歷時關(guān)系圖,見圖4和圖5。從圖上可以看出,系列越短,變幅越大,隨系列增長,均值的變幅越來越小,最后趨于穩(wěn)定；同樣對于變差系數(shù),年份系列越短時,變幅越大,隨著年份的逐漸增加,Cv值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 連城水文站洪峰流量均值與歷時關(guān)系

圖5 連城水文站Cv與歷時關(guān)系

計算享堂水文站正時序累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點繪與歷時關(guān)系圖,見圖6 和圖7。從圖上可以看出,系列越短,變幅越大,隨系列增長,均值的變幅越來越小,最后趨于穩(wěn)定；同樣對于變差系數(shù),年份系列越短時,變幅越大,隨著年份的逐漸增加,Cv值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 享堂水文站洪峰流量均值與歷時關(guān)系

圖7 享堂水文站Cv與歷時關(guān)系

4.2 洪峰流量計算

收集了連城水文站1953年~1957年、1968年~2019年兩個系列的洪峰流量資料,合并使用。收集了享堂水文站1952年~2019年連續(xù)的洪峰流量資料系列,同時,調(diào)查得到該站1898年洪峰流量資料,為1730 m3/s。

根據(jù)前述分析,享堂水文站受上游水電站運行影響,導(dǎo)致洪峰流量明顯偏小,點繪連城水文站和享堂水文站1968年~2005 年洪峰流量資料,見圖8,從圖中可以看出,兩水文站洪峰流量存在明顯的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)相關(guān)成果,對享堂水文站2005 年以后洪峰流量進行還原,以還原到受水電站影響前的洪峰流量。

圖8 連城、享堂水文站1968年～2005年洪峰流量相關(guān)關(guān)系

根據(jù)上述資料，采用P-Ⅲ型頻率曲線適線，結(jié)果見表1。

表1 參證站設(shè)計洪水計算結(jié)果 單位：m3/s

5 成果合理性分析

享堂水文站由于受水電站運行影響,導(dǎo)致實測洪峰流量偏小,采用還原后享堂水文站頻率適線成果。

與《湟水流域綜合規(guī)劃》中大通河干流連城、享堂水文站100年一遇洪水流量計算成果對比,本次適線成果與該規(guī)劃基本一致。

從連城水文站、享堂水文站適線成果及上下游關(guān)系看,洪峰流量、洪量的平均值及同頻率設(shè)計值從上游向下游遞增,但上下游相差不大,符合大通河流域的洪水特性。

因此,還原后的洪水計算成果是合理的。