流域內(nèi)伏流區(qū)面積占比較大水庫設(shè)計(jì)洪水分析

陳恒吉，黃開文，田 海

(畢節(jié)市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

1 基本情況

龍官橋水庫壩址以上集雨面積31 km2，其中，明流區(qū)集雨面積12.2 km2，伏流區(qū)集雨面積18.8 km2，明流區(qū)主河道長(zhǎng)8.8 km，河道平均坡降23.2‰。設(shè)計(jì)流域?qū)偕絽^(qū)雨源型河流，洪水均由暴雨形成。流域內(nèi)巖溶發(fā)育，分布有巖溶洼地、落水洞、伏流等，由于伏流區(qū)的滯洪作用，導(dǎo)致流域洪峰流量模數(shù)比周邊流域偏小，洪水歷時(shí)比鄰近地區(qū)長(zhǎng)，洪量主要集中在24 h內(nèi)。

水庫壩址下游12.38 km處設(shè)有徐花屯水文站，控制流域面積104.8 km2。其中，流域有兩塊伏流區(qū)，1#伏流區(qū)位于龍官橋水庫壩址上游流域右側(cè)，集雨面積18.8 km2，伏流區(qū)地表水系發(fā)育，河流在白龍地進(jìn)入落水洞后，于后箐的何家院子上游0.8 km處出露，出露點(diǎn)距下游龍官橋水庫壩址2.6 km，距徐花屯水文站10.8 km。伏流暗河長(zhǎng)0.7 km，受伏流暗河滯洪影響，發(fā)生洪水時(shí)落水洞前基本上都會(huì)形成天然海子。2#伏流區(qū)位于流域左側(cè)，于龍官橋水庫壩址和徐花屯水文站之間漁洞塘出露，上距龍官橋水庫壩址1.5 km，下距徐花屯水文站7.3 km，集雨面積52.6 km2。2#伏流區(qū)地表水系不發(fā)育，但是地下暗河發(fā)育。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.1 歷史洪水

(1)水庫壩址河段歷史洪水調(diào)查。1963年4月，畢節(jié)專署水利局(現(xiàn)畢節(jié)市水務(wù)局)對(duì)倒天河的歷史洪水進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查到1876年(清光緒二年)和1954年發(fā)生過的洪水，根據(jù)洪痕推算的洪水流量分別為349 m3/s和248 m3/s，分別相當(dāng)于136年一遇和45年一遇的洪水。將調(diào)查的洪水比擬到徐花屯水文站得到流量分別為278 m3/s和198 m3/s。1963年以后從徐花屯水文站的實(shí)測(cè)洪峰流量看，2006年發(fā)生的洪水最大，實(shí)測(cè)流量為217 m3/s，結(jié)合調(diào)查到的歷史洪水分析，確定其重現(xiàn)期為68年一遇。

對(duì)龍官橋水庫壩址河段進(jìn)行洪水調(diào)查，當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)2006年發(fā)生的洪水記憶較深，這次洪水把小旱莊河道兩邊的耕地全部淹沒，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用裰刚J(rèn)的洪痕，計(jì)算出該次洪峰流量為93.5 m3/s。徐花屯水文站2006年實(shí)測(cè)的洪水重現(xiàn)期為68年，壩址調(diào)查的2006年歷史洪水重現(xiàn)期仍然定為68年。

(2)伏流出口處歷史洪水調(diào)查。經(jīng)調(diào)查，發(fā)生較大洪水的年份有1975年、2006年。根據(jù)調(diào)查到的洪痕，整理出伏流出口處歷史洪水調(diào)查成果見表1。

表1 伏流出口處洪水調(diào)查成果

本次洪水調(diào)查伏流出口未調(diào)查到1975年以前的洪水，確定洪水調(diào)查起始期為1975年，1975年洪水為本次調(diào)查到的最大洪水，從1976—2016年已有40年，因此，1975年的洪水重現(xiàn)期至少為40年，而2006年洪水為次大洪水。根據(jù)調(diào)查分析結(jié)果，確定1975年洪水重現(xiàn)期為40年，2006年洪水重現(xiàn)期為20年。

2.2 徐花屯水站設(shè)計(jì)洪水

徐花屯水文站有32年實(shí)測(cè)最大洪峰流量和兩年歷史洪水調(diào)查值(1876年、1954年)，實(shí)測(cè)系列中2006年洪峰作為特大值處理，以P-Ⅲ線型理論曲線適線，求得水文站的設(shè)計(jì)洪峰統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪峰成果。根據(jù)實(shí)測(cè)的洪峰和最大一日洪量建立相關(guān)關(guān)系：相關(guān)關(guān)系為y=13.104x0.738，相關(guān)系數(shù)R2=0.8473，相關(guān)圖見圖1，這樣就可以插補(bǔ)1867年、1954年的最大一日洪水總量分別為834萬m3、649萬m3，再進(jìn)行頻率適線，得到最大一日洪水總量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)頻率下的最大一日洪水總量(其中1876年、1954年、2006年洪量作特大值處理)，洪水計(jì)算見表2。

圖1 徐花屯水文站洪峰洪量相關(guān)

表2 徐花屯水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

2.3 伏流區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

徐花屯水文站以上有兩塊伏流區(qū)，走訪當(dāng)?shù)鼐用瘢私獾?#伏流區(qū)出露點(diǎn)流量基本穩(wěn)定，暴雨過后出水仍較小，隨著流域內(nèi)暴雨強(qiáng)度的不同，穩(wěn)定出流歷時(shí)一般在5～30 h。當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)2006年6月29日和2007年7月28日發(fā)生的洪水記憶較深，出水洞過水?dāng)嗝嫘。?006年6月29日這次洪水在落水洞處形成天然海子，歷時(shí)5 d消退完，2007年7月28日發(fā)生的洪水歷時(shí)3 d消退，根據(jù)白龍地雨量站實(shí)測(cè)資料，6月29日暴雨量達(dá)到220.8 mm，7月28日暴雨量達(dá)到125.5 mm。2#伏流區(qū)受流域內(nèi)地形地貌的影響，2006年6月29日這次洪水歷時(shí)超過兩周，根據(jù)徐花屯水文站實(shí)測(cè)洪水過程，總歷時(shí)為14 d，本次計(jì)算按14 d，2007年7月28日這次洪水歷時(shí)10 d。

采用伏流區(qū)洪峰流量計(jì)算公式計(jì)算，如式(1)[1]：

Qp=0.0231×(CΦ×H24p×A閉)/T

(1)

式中：Qp為地下洪水洪峰流量，m3/s；CΦ為洪峰徑流系數(shù)，根據(jù)暴雨洪水手冊(cè)相關(guān)值確定；H24p為設(shè)計(jì)最大24 h降雨量，mm；A閉為伏流區(qū)集雨面積，km2；T為一次洪水歷時(shí)，d。

計(jì)算出1#伏流區(qū)兩次洪峰流量分別為12 m3/s和11.8 m3/s，兩次計(jì)算的洪峰流量相差較小，出流能力較為穩(wěn)定；2#伏流區(qū)兩次洪峰流量分別為19.2 m3/s和15.2 m3/s，兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，出流能力變化較大。一般情況伏流區(qū)出流小頻率洪水時(shí)的洪峰流量比大頻率洪水略大，基于此原則擬定不同頻率的洪峰流量，成果見表3。

表3 伏流區(qū)洪峰流量成果表 m3·s-1

2.4 水庫壩址洪水計(jì)算

(1)雨洪法計(jì)算壩址明流區(qū)設(shè)計(jì)洪水。水庫壩址以上集雨面積31.0 km2，其中：明流區(qū)集雨面積12.2 km2，1#伏流區(qū)18.8 km2(2#伏流區(qū)不在壩址以上的集雨面積內(nèi))。由于伏流區(qū)有明顯的阻洪作用，采用雨洪法計(jì)算壩址明流區(qū)洪峰流量，再與伏流區(qū)洪峰疊加，即得到全流域設(shè)計(jì)洪水。

明流區(qū)集雨面積12.2 km2，流域幾何特征值為16.5，依據(jù)《貴州暴雨洪水計(jì)算綜述》相關(guān)公式計(jì)算，如式(2)[2]：

(2)

式中：Qp為洪峰流量，m3/s；γ1為匯流系數(shù)，取0.35；f為流域形狀系數(shù)；J為坡降；F為設(shè)計(jì)流域匯水面積，10 km2

洪水計(jì)算中產(chǎn)匯流參數(shù)在《貴州暴雨洪水計(jì)算綜述》中查得。

明流區(qū)洪水總量計(jì)算，如式(3)[2]：

W總=0.1×F×(H24p-Hs-ΔHs)

(3)

式中：W總為明流區(qū)洪水總量，萬m3；F為水庫壩址以上流域面積，km2；Hs為穩(wěn)定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。

經(jīng)計(jì)算，水庫壩址洪峰流量成果見表4。

表4 水庫壩址設(shè)計(jì)洪峰流量成果(雨洪法)

(2)水文比擬法計(jì)算壩址設(shè)計(jì)洪水。龍官橋水庫壩址以上集雨面積31.0 km2，其中伏流區(qū)集雨面積18.8 km2，占?jí)沃芬陨霞昝娣e的60.6%；徐花屯水文站控制流域集雨面積104.8 km2，其中伏流區(qū)集雨面積71.4 km2，占水文站集雨面積的68.1%。采用集雨面積比擬，洪峰流量、一日洪量面積影響指數(shù)取0.8、0.9，由于伏流區(qū)所占的比重較大，并且各斷面伏流區(qū)所占的比重不同。壩址伏流區(qū)所占全流域比重小于徐花屯水文站，計(jì)算得到的結(jié)果偏小，需要根據(jù)伏流區(qū)面積影響進(jìn)行修正。

洪峰流量修正系數(shù)計(jì)算，如式(4)

k峰=((1-k壩伏)/(1-k水伏))0.8

(4)

洪水總量修正系數(shù)計(jì)算，如式(5)：

k量=((1-k壩伏)/(1-k水伏))0.9

(5)

式中：k峰為洪峰流量修正系數(shù)；k壩伏為壩址伏流區(qū)占?jí)沃芳昝娣e的比重；k水伏為水文站伏流區(qū)占水文站控制集雨面積的比重。

指數(shù)是依據(jù)水文比擬法的指數(shù)來確定，徐花屯水文站實(shí)測(cè)洪峰系列統(tǒng)計(jì)得到的均值42.1 m3/s，Cv值為1.08，一日洪量均值206萬m3，Cv值為0.66。

考慮到壩址集雨面積小于徐花屯水文站集雨面積，壩址洪峰、洪量的變差系數(shù)Cv應(yīng)比徐花屯水文站的洪峰、洪量Cv偏大，經(jīng)綜合取值，壩址洪峰、洪量變差系數(shù)Cv分別為1.09、0.67。壩址不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表5。

表5 壩址洪峰流量成果表(水文比擬法)

(3)水庫壩址洪水成果分析。 壩址設(shè)計(jì)洪水分別采用雨洪法和水文比擬法計(jì)算，見表6。在校核洪峰流量P=0.1%情況下，水文比擬法成果比雨洪法成果大22.6%；在設(shè)計(jì)洪峰流量P=0.2%情況下水文比擬法成果比雨洪法成果大18.8%；在P=1%情況下兩種計(jì)算成果基本一致。雨洪法成果為自成系統(tǒng)，水文比擬法采用了伏流區(qū)修正，兩種計(jì)算方法是可行的，成果是合理的。調(diào)查到的水庫壩址2006年洪峰流量為93.5 m3/s，重現(xiàn)期為68年，與雨洪法計(jì)算成果68年一遇洪水93.3 m3/s基本一致，與水文比擬法成果67年一遇洪水93.4 m3/s也基本一致。結(jié)合調(diào)查的歷史洪水，設(shè)計(jì)洪峰采用兩種計(jì)算成果的平均值。同樣洪水總量也采用兩種計(jì)算成果的平均值[3]。

表6 壩址洪峰流量洪水總量成果

3 洪水成果合理性分析

以徐花屯水文站作為參證站計(jì)算得到的洪水成果，較鄰近流域其他工程稍小一些。設(shè)計(jì)流域巖溶發(fā)育，所以洪峰模數(shù)較小，設(shè)計(jì)洪水考慮了流內(nèi)伏流區(qū)的影響，成果符合流域特性，洪水成果基本合理。水庫壩址采用水文比擬法和雨洪法兩種方法計(jì)算，結(jié)合調(diào)查的歷史洪水，設(shè)計(jì)洪水采用兩種計(jì)算成果的均值可靠。

4 結(jié) 論

在巖溶發(fā)育地區(qū)，以水文比擬法和雨洪法對(duì)流域內(nèi)設(shè)計(jì)水庫進(jìn)行洪水計(jì)算，水文比擬法考慮伏流區(qū)修正，雨洪法結(jié)合流域內(nèi)伏流區(qū)歷史洪水調(diào)查成果，經(jīng)分析對(duì)比，兩種計(jì)算成果基本一致，精度較好，也符合地區(qū)洪水的地區(qū)分布規(guī)律，為巖溶發(fā)育地區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算提供參考。