水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算淺析

李斐波

(貴州三策工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 流域及水庫(kù)概況

六洞河屬長(zhǎng)江流域沅江水系，為清水江的一級(jí)支流，發(fā)源于鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣金堡鄉(xiāng)境內(nèi)，由西北向東南流經(jīng)三穗、劍河、天柱、錦屏等縣，在錦屏縣三江鎮(zhèn)匯入清水江。六洞河全流域面積2070 km2，主河道全長(zhǎng)179 km，多年平均流量42.2 m3/s，天然落差551 m，平均比降2.96‰。

根據(jù)塘沖水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，其壩址以上集水面積185 km2，主河道長(zhǎng)28.1 km，平均比降6.29‰，設(shè)計(jì)總庫(kù)容5225萬(wàn)m3。水庫(kù)正常高水位702.0 m。溢流堰上設(shè)4個(gè)橋墩，橋墩寬2.0 m，溢洪道凈寬35.0 m，流量系數(shù)取0.48。2013年10月，塘沖水庫(kù)工程正式開工；2016年12月，大壩主體工程建設(shè)完工；2018年初，水庫(kù)試蓄水成功；2019年底，水庫(kù)正式完成蓄水。

六洞河流域內(nèi)已建的水利水電工程中，僅塘沖水庫(kù)具有較為明顯的調(diào)蓄削峰作用，其他小水庫(kù)、小山塘控制集雨面積小，且調(diào)蓄作用微弱，本次洪水組合計(jì)算不予考慮其他小工程的削峰影響。結(jié)合三穗縣規(guī)劃新區(qū)防洪體系建設(shè)需要，選取的塘沖水庫(kù)壩址及其下游治理河段各控制斷面的設(shè)計(jì)流域參數(shù)特征見表1[1]。

2 暴雨洪水特性

設(shè)計(jì)流域?yàn)樯絽^(qū)雨源型河流，洪水由暴雨形成，形成暴雨的主要天氣類型是冷鋒低槽和兩高切變類，暴雨特性是量級(jí)大、歷時(shí)短[2]。由于設(shè)計(jì)流域地勢(shì)陡峭，河谷窄狹，坡陡流急，兩岸為懸?guī)r絕壁，故槽蓄作用小而造峰能力大，每遇暴雨，易形成暴漲暴落的洪水，因此，歷時(shí)短、強(qiáng)度大的暴雨較多，易形成暴漲暴落的洪水，洪峰流量大，持續(xù)時(shí)間短，洪水歷時(shí)一般在1～2 d，洪水多發(fā)生在5—7月。根據(jù)三穗氣象站1958—2015年共計(jì)58年實(shí)測(cè)暴雨資料分析，日降水量在100 mm以上的大暴雨僅出現(xiàn)5次；設(shè)計(jì)流域暴雨天氣一般發(fā)生在每年的5—8月，發(fā)生概率79.3%。

3 設(shè)計(jì)洪水

3.1 設(shè)計(jì)暴雨

設(shè)計(jì)流域有三穗氣象站、六洞橋水文站，六洞橋水文站屬六洞河流域水文控制站。

表2 設(shè)計(jì)流域設(shè)計(jì)暴雨成果

3.2 天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

(1)水文比擬法計(jì)算各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)六洞橋水文站(F=788 km2)1965—2015年共51年洪峰流量資料系列，加入1936年(1310 m3/s)，1933年(1020 m3/s)歷史洪水，組成不連序系列，采用統(tǒng)一處理法進(jìn)行頻率分析計(jì)算，得六洞橋水文站Q六洞橋=408 m3/s，Cv=0.56，Cs=4Cv。

由六洞橋水文站洪峰流量通過(guò)面積比法換算到控制斷面，推求控制斷面的洪峰流量, 洪峰面積指數(shù)n取2/3[3]，見式(1)：

Q斷面=Q六洞橋(F斷面/F六洞橋)2/3

(1)

式中：Q斷面為斷面洪峰流量均值，m3/s；Q六洞橋?yàn)榱礃蛩恼竞榉辶髁烤?，m3/s；F斷面為斷面以上控制集雨面積，km2；F六洞橋?yàn)榱礃蛩恼究刂萍昝娣e，km2。

考慮到六洞橋水文站與控制斷面的流域面積有所差異，設(shè)計(jì)流域洪峰Cv應(yīng)比六洞橋水文站洪峰Cv略大，Cv修正值ΔCv采用公式計(jì)算，見式(2)[4]：

ΔCv=-0.15[lg(F斷面)-lg(F六洞橋)]

(2)

經(jīng)計(jì)算，采用水文比擬法計(jì)算各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果見表3。

表3 采用水文比擬法計(jì)算各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果

(2)雨洪法計(jì)算各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水。因本流域?qū)贌o(wú)資料地區(qū)，設(shè)計(jì)流域各控制斷面的設(shè)計(jì)洪水采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)(修訂本)》上的雨洪法[5]進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

當(dāng)25 km2

QP=

(3)

當(dāng)25 km2≤F<300 km2，且θ>30，QP見式(4)：

QP=

(4)

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率P的洪峰流量，m3/s；KP為設(shè)計(jì)頻率P的P-Ⅲ型曲線的模比系數(shù)；γ1為匯流系數(shù)，設(shè)計(jì)流域以山區(qū)間山丘為主，少量巖溶，植被一般，θ<30時(shí)，取0.38,θ>30時(shí)，取0.064；θ為流域的幾何特征值，θ=L/(J1/3F1/4)；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2；J為分水嶺至出口斷面的主河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2；C為洪峰徑流系數(shù)，取0.618～0.824；H24為年最大24 h點(diǎn)雨量均值，mm；暴雨衰減指數(shù)n2=0.80，產(chǎn)匯流分區(qū)Δn2為Ⅱ區(qū)。

據(jù)此，雨洪法計(jì)算得到各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果如表4。

表4 雨洪法計(jì)算得到各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果

(3)天然設(shè)計(jì)洪水比選及合理性分析。從“水文比擬法”及“雨洪法”成果來(lái)看(表5)，兩種方法計(jì)算的洪水成果基本接近，以下德明斷面為例，P=2%～20%頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量相差僅2.19%～4.90%，其中P=20%設(shè)計(jì)洪峰流量相差4.90%最大。結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，塘沖水庫(kù)、下德明斷面重現(xiàn)期為30 a的2004·7洪峰流量分別為404 m3/s、453 m3/s，與雨洪法成果P=3.33%

表5 水文比擬法、雨洪法設(shè)計(jì)洪水對(duì)比成果

設(shè)計(jì)洪水成果相差僅3.71%、2.65%?？梢姡瑥牡貐^(qū)洪水規(guī)律、歷史洪水調(diào)查成果相符性分析，本次采用兩種方法計(jì)算得到的各控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

塘沖水庫(kù)基于設(shè)計(jì)洪水偏大偏安全角度考慮，選擇雨洪法計(jì)算成果作為塘沖水庫(kù)壩址斷面的天然設(shè)計(jì)洪水成果。此外，從防洪工程設(shè)計(jì)洪水偏大偏安全、設(shè)計(jì)成果一致性方面綜合考慮，本次計(jì)算塘沖水庫(kù)下游受水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響河段的各控制斷面的天然設(shè)計(jì)洪水成果均采用雨洪法成果進(jìn)行分析計(jì)算。

3.3 設(shè)計(jì)洪水組合計(jì)算

3.3.1 區(qū)間洪水同頻+塘沖水庫(kù)相應(yīng)下泄流量

(1)塘沖水庫(kù)相應(yīng)下泄流量計(jì)算。為明確塘沖水庫(kù)的相應(yīng)削峰作用，需計(jì)算其相應(yīng)洪水調(diào)節(jié)成果。塘沖水庫(kù)的相應(yīng)洪水過(guò)程線為各控制斷面的同頻洪水過(guò)程線減去各控制斷面區(qū)間的同頻洪水過(guò)程線，再將得到的塘沖水庫(kù)相應(yīng)洪水過(guò)程線進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，經(jīng)水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)后的各控制斷面相應(yīng)下泄洪水過(guò)程成果見表6。

表6 各控制斷面塘沖水庫(kù)相應(yīng)下泄流量成果

(2)洪水組合。塘沖水庫(kù)壩址距離下德明斷面8.2 km，距離高寨斷面15 km，距離三穗大橋斷面16.5 km，根據(jù)貴州省山區(qū)河流洪水傳播計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，塘沖水庫(kù)壩址相應(yīng)洪水經(jīng)調(diào)洪下泄后傳播到各控制斷面與各控制斷面相應(yīng)的區(qū)間設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行錯(cuò)峰疊加，由此得到各斷面設(shè)計(jì)洪水成果，見表7。

表7 方法一組合洪水設(shè)計(jì)洪峰流量成果

3.3.2 塘沖水庫(kù)同頻下泄流量+區(qū)間洪水相應(yīng)

(1)塘沖水庫(kù)同頻下泄流量。根據(jù)塘沖水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，并經(jīng)本文調(diào)洪復(fù)核，塘沖水庫(kù)壩址同頻洪水經(jīng)調(diào)洪后的各頻率下泄流量成果見表8。

(2)區(qū)間洪水組合。各控制斷面區(qū)間相應(yīng)洪水過(guò)程線為各斷面的同頻洪水過(guò)程線減去塘沖水庫(kù)的同頻洪水過(guò)程線，再與塘沖水庫(kù)同頻洪水調(diào)洪后的下泄洪水過(guò)程線進(jìn)行錯(cuò)峰疊加，由此得出各斷面設(shè)計(jì)洪水成果，見表9。

表8 塘沖水庫(kù)壩址同頻洪水調(diào)洪后下泄流量成果

表9 方法二組合洪水設(shè)計(jì)洪峰流量成果

3.3.3 組合洪水選用及合理性分析

通過(guò)對(duì)洪水組合分析，方法一計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果比方法二計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果要稍小，從河道治理工程設(shè)計(jì)洪水偏大偏安全角度考慮，采用方法二的計(jì)算成果。

從暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)看，以三穗氣象站為主要參證站，暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)與《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》中相關(guān)暴雨等值線圖是吻合的；從區(qū)域綜合分析看，下德明控制斷面天然設(shè)計(jì)洪水P=5%～20%洪峰模數(shù)[6]為11.10～6.63 m3/(s·km2)(洪峰面積影響指數(shù)n=0.67)，考慮水庫(kù)調(diào)蓄削峰后的P=5%～20%設(shè)計(jì)洪水削峰率為12.2%～13.9%，相應(yīng)洪峰模數(shù)為9.77～5.71 m3/(s·km2)，削峰組合后的設(shè)計(jì)洪水洪峰模數(shù)小于天然洪水洪峰模數(shù)，亦符合洪水匯流規(guī)律；同時(shí)，各控制斷面天然洪峰模數(shù)符合貴州省特小流域洪峰流量模數(shù)分布規(guī)律，故洪水成果是合理的。

4 結(jié) 論

(1)從工程的安全角度考慮，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果要安全可靠，且符合設(shè)計(jì)流域的洪水特性。工程設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算應(yīng)采用水文比擬法、雨洪法(或其他方法)等多種方法進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果復(fù)核其設(shè)計(jì)洪水成果的合理性。

(2)采用水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)，因水文參證站控制流域面積與控制斷面控制的流域面積存在集水面積上的差異，因此，應(yīng)結(jié)合控制斷面的歷史洪水調(diào)查成果及雨洪法計(jì)算成果，適當(dāng)考慮集雨面積以對(duì)Cv值進(jìn)行分級(jí)修正。

(3)與天然情況相比，考慮塘沖水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響的不同頻率下各控制斷面設(shè)計(jì)洪水均減小，且隨著區(qū)間流域面積的增加，水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響呈逐漸減弱趨勢(shì)——下德明P=5.00%削峰率為12.20%，至三穗大橋P=5.00%削峰率為8.55%。從水庫(kù)下游河段防洪安全、工程經(jīng)濟(jì)角度等綜合考慮，通常情況下應(yīng)考慮采用受水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響的洪水組合方案中偏安全的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果方案。

本文簡(jiǎn)述的方法對(duì)貴州省其他受水庫(kù)調(diào)蓄削峰影響的流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算有一定的參考意義。