考慮天河水庫影響的黑河設(shè)計洪水參數(shù)分析

申妍斌

(山西萬水達工程技術(shù)咨詢有限公司，山西 臨汾 041000)

設(shè)計洪水參數(shù)是影響河道治理工程設(shè)計的重要因素，合理選取設(shè)計洪水參數(shù)，可提高河道治理效果，降低工程建設(shè)投資，具有十分重要的意義。設(shè)計洪水參數(shù)確定是一個復(fù)雜的過程，需要結(jié)合上游既有水利工程的運行調(diào)度進行綜合選取[1-3]。

1 工程概況

黑河曲沃段河道治理工程位于黑河干流上，黑河發(fā)源于絳縣，是澮河的一級支流，流經(jīng)么里、安裕、南樊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至曲沃縣下裴莊匯入澮河，黑河總長65.6km，河道上陡下緩。在黑河口上游500m處，有澮河二級支流天河匯入。黑河總流域面積383.54km2，其中在曲沃縣境內(nèi)全長10.1km，流域面積39.34km2。該河流屬季節(jié)性河流，汛期易爆發(fā)洪水，由于流經(jīng)土石山區(qū)，河床相對穩(wěn)定。流域地處中條山東段中低山區(qū)，河谷發(fā)育，呈“V”字形，汛期大量泥石隨水而下，在山前形成開闊的洪積扇地形，地下水量較為豐富[4-5]。

黑河河道治理范圍為：北董鄉(xiāng)北下郇村至下裴莊天河橋，總長7.103km，中心樁號0+000—7+103。主要工程建設(shè)內(nèi)容為：①河道清理疏浚7.103km；②兩岸堤防修筑14.324km，新建堤防采用重力式漿砌石擋墻結(jié)構(gòu)，其中：左岸7.237km，右岸7.087km；③新建漫水橋3座。

2 天河入黑河口黑河上游斷面設(shè)計洪水

因里冊峪支流上已建有里冊峪水庫，故天河入黑河口黑河上游斷面設(shè)計洪水必須進行洪水地區(qū)組成。因流域范圍內(nèi)沒有水文測站，屬無資料地區(qū)，洪水計算采用《山西省水文計算手冊》(以后簡稱《手冊》)中流域模型法和推理公式法，然后對計算成果進行合理性分析比較。

2.1 流域特征參數(shù)

流域特征參數(shù)見表1。

表1 流域特征參數(shù)

2.2 各流域洪水計算

根據(jù)流域位置、氣候條件、流域地質(zhì)、地貌、植被等條件，查《手冊》相關(guān)內(nèi)容，本流域暴雨分區(qū)為中區(qū)；另根據(jù)晉水辦規(guī)計[2012]37號文，各流域產(chǎn)匯流地類見表2。根據(jù)流域中心位置，查《手冊》附圖，各種歷時暴雨統(tǒng)計特征值見表3。

表2 流域產(chǎn)匯流地類

表3 各種歷時暴雨統(tǒng)計特征值

各流域洪水按照《手冊》中介紹的流域水文模型法和推理公式法，采用水文計算軟件程序進行面暴雨、產(chǎn)流及匯流計算，經(jīng)過比較，最后采用流域水文模型法，結(jié)果見表4。

表4 洪水計算結(jié)果

表5 洪水地區(qū)組成

2.3 洪水地區(qū)組成

根據(jù)洪量按同頻率法進行洪水地區(qū)組成分析，按以下兩種情況進行。

2.3.1第一種情況洪水地區(qū)組成

假定里冊峪水庫流域與天河入黑河口以上黑河流域設(shè)計斷面發(fā)生同頻率(10%)洪水，區(qū)間流域相應(yīng)，則區(qū)間相應(yīng)洪量W區(qū)間流域相應(yīng)=W天河入黑河口以上黑河流域-W里冊峪水庫流域

將區(qū)間10%的洪水過程按W區(qū)間流域相應(yīng)/W區(qū)間流域=543.9/582.6=0.9的倍比進行縮放，即得區(qū)間流域相應(yīng)洪水。將區(qū)間流域相應(yīng)洪水過程與里冊峪水庫調(diào)洪后的下泄洪水過程疊加，即得天河入黑河口黑河上游斷面10%洪水過程線。

里冊峪水庫泄量采用《絳縣里冊峪水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》(2010年11月)的調(diào)洪計算參數(shù)進行調(diào)洪計算，起調(diào)水位753.54m，水位—泄量—庫容曲線關(guān)系如圖1所示。因里冊峪水庫至天河入黑河口之間河道距離約27.3km，洪水傳播速度取4.76m/s，故里冊峪水庫泄水過程滯后1.5h后與區(qū)間流域相應(yīng)洪水過程進行疊加，結(jié)果如圖2所示。

圖1 里冊峪水庫水位—泄量—庫容關(guān)系曲線

圖2 天河入黑河口黑河上游斷面10年一遇洪水過程線

2.3.2第二種情況洪水地區(qū)組成

假定區(qū)間流域與天河入黑河口以上黑河流域設(shè)計斷面發(fā)生同頻率(10%)洪水，里冊峪水庫流域相應(yīng)，則里冊峪水庫相應(yīng)洪量W里冊峪水庫流域相應(yīng)=W天河入黑河口以上黑河流域-W區(qū)間流域。

將里冊峪水庫10%的洪水過程按W里冊峪水庫流域相應(yīng)/W里冊峪水庫洪水的倍比進行縮放，并進行調(diào)洪計算，求得里冊峪水庫相應(yīng)洪水下泄過程線，然后將里冊峪水庫相應(yīng)洪水下泄過程滯后1.5h與區(qū)間洪水過程進行疊加，即得天河入黑河口黑河上游設(shè)計斷面10年一遇洪水過程線。如圖2所示。

比較上述兩種情況的洪水地區(qū)組成，第一種情況洪水地區(qū)組成得天河入黑河口黑河上游斷面10年一遇設(shè)計洪峰流量365.4m3/s，第二種情況洪水地區(qū)組成得設(shè)計斷面洪峰流量359.4m3/s，第一種情況洪水地區(qū)組成計算結(jié)果大于第二種情況洪水地區(qū)組成計算結(jié)果，故天河入黑河口黑河上游斷面10年一遇設(shè)計洪水采用第一種情況洪水地區(qū)組成。即天河入黑河口黑河上游斷面10年一遇設(shè)計洪峰流量采用365.4m3/s。

3 天河入黑河口黑河下游斷面設(shè)計洪水

天河入黑河口黑河下游斷面設(shè)計洪水分兩步驟計算：第一步計算天河水庫泄水過程，因天河上游建有溢溝水庫，須進行洪水地區(qū)組成；第二步將天河水庫泄水與天河入黑河口黑河上游斷面洪水疊加，即為天河入黑河口黑河下游斷面洪水，此處天河支流與天河入黑河口黑河上游洪水亦須要進行洪水地區(qū)組成分析[6-7]。

3.1 天河水庫10年一遇設(shè)計洪水泄水過程

3.1.1天河水庫10年一遇設(shè)計洪水

表6 洪水計算結(jié)果

天河水庫10年一遇設(shè)計洪水采用以下兩種情況進行洪水地區(qū)組成。

(1)第一種情況洪水地區(qū)組成

假定區(qū)間流域與天河水庫設(shè)計斷面發(fā)生同頻率洪水，溢溝水庫流域相應(yīng)，則溢溝水庫流域相應(yīng)洪量為W溢溝水庫流域相應(yīng)=W天河全流域-W區(qū)間流域，見表7。

表7 洪水地區(qū)組成

將溢溝水庫10%的洪水過程按W溢溝水庫相應(yīng)/W溢溝水庫=85/108.8=0.78的倍比進行縮放，得溢溝水庫相應(yīng)洪水過程，然后將溢溝水庫相應(yīng)洪水過程調(diào)洪，得溢溝水庫相應(yīng)洪水下泄過程，將該下泄過程與區(qū)間流域10%洪水過程疊加即得天河水庫10%入庫洪水過程。

溢溝水庫泄水采用原溢溝水庫除險加固設(shè)計中采用方案的調(diào)洪計算參數(shù)進行調(diào)洪計算，起調(diào)水位550.95m，水位—泄量—庫容曲線關(guān)系如圖3所示。因溢溝水庫至天河水庫之間河道距離僅5km，因此，在計算天河水庫10年一遇設(shè)計洪水時，未考慮溢溝水庫下泄洪水至天河水庫之間的洪水傳播時間，溢溝水庫下泄洪水過程直接與區(qū)間洪水過程疊加，即得天河水庫10%入庫洪水過程，結(jié)果如圖4所示。

圖3 溢溝水庫水位—泄量—庫容關(guān)系

(2)第二種情況洪水地區(qū)組成

假定溢溝水庫流域與天河水庫設(shè)計斷面發(fā)生同頻率洪水，區(qū)間流域相應(yīng)，則區(qū)間流域相應(yīng)洪水W區(qū)間流域相應(yīng)=W天河全流域-W溢溝水庫流域，見表7。

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將區(qū)間流域10%的洪水按W區(qū)間流域相應(yīng)/W區(qū)間洪水=156.7/180.5=0.87的倍比進行縮放，得區(qū)間流域相應(yīng)洪水過程線，洪峰流量為215.6m3/s。溢溝水庫10年一遇設(shè)計洪水采用原調(diào)洪參數(shù)進行調(diào)洪計算，得溢溝水庫泄水過程線，溢溝水庫泄水峰值為77.8m3/s，然后將溢溝水庫泄水過程不考慮洪水傳播時間與區(qū)間相應(yīng)洪水過程進行疊加，得天河水庫10%入庫洪水過程，其洪峰流量為293.4m3/s。

分析上述兩種情況洪水地區(qū)組成，第一種情況洪水地區(qū)組成得天河水庫設(shè)計斷面10%洪峰流量307.89m3/s，第二種情況洪水地區(qū)組成得天河水庫設(shè)計斷面10%洪峰流量293.4m3/s，第一種情況洪水地區(qū)組成計算結(jié)果大于第二種情況洪水地區(qū)組成計算結(jié)果，故天河水庫設(shè)計斷面10年一遇設(shè)計洪水采用第一種情況洪水地區(qū)組成。

3.1.2天河水庫10年一遇設(shè)計洪水泄水過程

天河水庫庫容曲線及泄量曲線采用天河水庫除險加固技施報告中的調(diào)洪計算參數(shù)進行調(diào)洪計算，起調(diào)水位465.5m，水位—泄量—庫容曲線關(guān)系如圖5所示。

圖5 天河水庫水位—泄量—庫容曲線關(guān)系

3.2 天河入黑河口下游斷面以上全流域洪水

3.2.1第一種情況洪水地區(qū)組成

假定天河入黑河口黑河上游流域與設(shè)計斷面發(fā)生同頻率洪水，天河支流相應(yīng)。則天河支流相應(yīng)洪量為：W天河支流相應(yīng)=W全流域-W天河入黑河口黑河上游流域，見表8。

表8 洪水地區(qū)組成

將天河水庫10%設(shè)計洪水泄水過程按W天河支流相應(yīng)/W天河支流=114.4/265.5=0.431的倍比進行縮放，得天河支流相應(yīng)洪水過程，然后將天河支流相應(yīng)洪水過程與天河入黑河口黑河上游斷面控制流域洪水過程疊加，即得天河入黑河口黑河下游斷面10%洪水過程。

3.2.2第二種情況洪水地區(qū)組成

假定天河支流與設(shè)計斷面發(fā)生同頻率洪水，天河入黑河口黑河上游流域相應(yīng)，則天河入黑河口黑河上游斷面控制流域相應(yīng)洪量為：則W天河入黑河口黑河上游斷面控制流域相應(yīng)=W天河入黑河口下游斷面以上全流域-W天河支流流域，見表8。

將天河入黑河口黑河上游流域10%洪水過程按W天河入黑河口黑河上游斷面控制流域相應(yīng)/W天河入黑河口黑河上游斷面控制流域=619.1/770.2=0.804的倍比縮放，得天河入黑河口黑河上游流域相應(yīng)洪水過程，然后將該相應(yīng)洪水過程與天河水庫泄水(10%)過程疊加，即得天河入黑河口黑河下游斷面10%洪水過程。

因天河水庫至天河入黑河口約0.5km，故天河水庫泄水與天河入黑河口黑河上游洪水疊加未計洪水傳播時間，直接疊加，取其洪峰流量大的作為本次設(shè)計成果。比較以上兩種情況洪水地區(qū)組成，第二種情況洪水地區(qū)組成結(jié)果較大，故取用第二種情況洪水地區(qū)組成結(jié)果計算的天河入黑河口黑河下游斷面10%洪水過程，結(jié)果如圖6所示。

圖6 天河入黑河口黑河下游斷面設(shè)計洪水過程線

由圖6可知，天河入黑河口黑河下游斷面設(shè)計洪峰流量為534.2m3/s。

4 結(jié)語

為了選取合適的設(shè)計洪水參數(shù)，為黑河治理工程設(shè)計提供參考。通過調(diào)查、收集資料，黑河治理段主要受里冊峪水庫、天河水庫等已建設(shè)水利工程影響，在設(shè)計洪水參數(shù)確定時，需要充分考慮水庫運行調(diào)度的影響，經(jīng)分析，天河入黑河口黑河上游斷面10年一遇設(shè)計洪峰流量采用365.4m3/s，天河入黑河口黑河下游斷面設(shè)計洪峰流量為534.2m3/s。

河道治理的水文確定對河道治理具有重要意義，由于流域范圍內(nèi)沒有水文測站，屬無資料地區(qū)，洪水計算采用《山西省水文計算手冊》中流域模型法和推理公式法，因此在實施河道治理過程中應(yīng)再次進行復(fù)合，保障河道治理水文參數(shù)的合理性。