王家咀水庫(kù)設(shè)計(jì)徑流分析

呂 莎

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

年徑流的大小取決于年降水量和年蒸發(fā)量，以及流域蓄水變化量。前兩項(xiàng)屬于流域氣候因素，后一項(xiàng)主要取決于流域下墊面因素及人類(lèi)活動(dòng)情況?，F(xiàn)行的水文頻率計(jì)算要求水文事件發(fā)生值必須在同一條件下獲得。水文站實(shí)測(cè)流量系列隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這種非一致性使傳統(tǒng)水文統(tǒng)計(jì)方法的適用性受到了挑戰(zhàn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的影響日益顯著。

流域?qū)崪y(cè)徑流水文序列的一致性是建立在氣候條件和下墊面條件相似的基礎(chǔ)上。一般認(rèn)為，區(qū)域氣候條件變化緩慢，可近似看做是穩(wěn)定不變的，但區(qū)域下墊面條件因人類(lèi)活動(dòng)加劇產(chǎn)生變化，影響水文年徑流時(shí)間序列的一致性。近三十年來(lái)，這種影響日漸顯著，大量水利工程的修建，植樹(shù)造林，水土保持工作等的實(shí)施，使原有的下墊面發(fā)生了極大的改變，許多水文站的實(shí)測(cè)流量資料與天然實(shí)際情況之間差別很大。因此，在利用這些水文觀測(cè)站的長(zhǎng)系列徑流資料作水文計(jì)算之前，必須對(duì)徑流資料進(jìn)行修正，還原到天然實(shí)際徑流狀況，即進(jìn)行徑流還原計(jì)算。本文結(jié)合王家咀水庫(kù)現(xiàn)有資料，對(duì)設(shè)計(jì)徑流進(jìn)行分析計(jì)算。

1 概況

王家咀水庫(kù)壩址位于旬邑縣城西北部的百子溝，水庫(kù)壩址區(qū)距離旬邑縣城30 km，百子溝位于旬邑縣西部，屬?zèng)芎右患?jí)支流。該工程以灌溉為主，由水庫(kù)工程和灌區(qū)工程兩大部分組成。在滿(mǎn)足工程斷面下游河道生態(tài)基流用水的前提下，充分利用水資源，優(yōu)先滿(mǎn)足3500 畝煙草灌溉用水，再根據(jù)水資源條件及建庫(kù)條件“以供定需”滿(mǎn)足小麥、玉米及蘋(píng)果的灌溉用水，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。樞紐主要建筑物由均質(zhì)土壩、開(kāi)敞式溢洪道及導(dǎo)流泄洪洞組成，大壩、溢洪道及泄洪洞為4 級(jí)建筑物，其它次要建筑物為5 級(jí)。

百子溝位于旬邑縣西部，屬?zèng)芎右患?jí)支流，發(fā)源于旬邑縣職田鎮(zhèn)，主溝道從東北流向西南，流域面積236.6 km2，河長(zhǎng)40.2 km，河道平均比降10.7‰。該流域?qū)冱S土臺(tái)塬區(qū)，黃土層深厚，土質(zhì)疏松，地形破碎，溝壑縱橫，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，遇到暴雨時(shí)，很容易形成高含沙水流，嚴(yán)重影響區(qū)域的地質(zhì)和水文環(huán)境，進(jìn)而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。為改變這種現(xiàn)象，2010 年前后該溝道已建成骨干壩11 座，中型淤地壩14 座，小型淤地壩20 座，工程合計(jì)庫(kù)容1425.96 萬(wàn)m3，攔泥庫(kù)容646.86 萬(wàn)m3，滯洪庫(kù)容779.1 萬(wàn)m3，新增壩地114.41 hm2。百子溝流域王家咀水庫(kù)及其上游骨干壩分布見(jiàn)圖1。

圖1 王家咀水庫(kù)及其上游骨干壩分布示意圖

2 徑流還原法計(jì)算參證站設(shè)計(jì)徑流

2.1 徑流還原法

人類(lèi)活動(dòng)的加劇，使流域原有的下墊面條件發(fā)生劇烈變化，大部分水文觀測(cè)斷面的實(shí)測(cè)年徑流序列與天然情況有很大差異。年徑流還原法以水量平衡為基本原理，利用現(xiàn)有的調(diào)查資料，將改變水量逐項(xiàng)還原到天然狀況。徑流還原計(jì)算過(guò)程中，要將全部影響因素進(jìn)行還原，將大大提高調(diào)查成本，還可能存在部分影響因素的調(diào)查難度大或調(diào)查不到的情況。因此，在具體操作時(shí)，需結(jié)合實(shí)際情況，去除那些對(duì)徑流形成影響不大的因素。徑流還原法的計(jì)算公式是：

式中：W天然為還原后的天然徑流量；W實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)的徑流量；W還原為還原的總水量；W灌為農(nóng)業(yè)灌溉耗水量；W工為工業(yè)用水量；W蓄為水庫(kù)蓄水變化量；W損為水庫(kù)損失水量；W引為其他流域引水量。

2.2 淳化水文站年徑流還原

淳化水文站年徑流系列的還原是在調(diào)查得到流域上游水庫(kù)取用水等資料的前提下，將淳化水文站逐日徑流資料修正到原有的天然狀態(tài)下?？紤]到近30 年冶峪河流域下墊面變化情況，對(duì)淳化水文站徑流系列進(jìn)行一致性修正，提出淳化水文站天然流域狀態(tài)下逐日年平均徑流量，以及天然流域狀態(tài)下滿(mǎn)足不同保證率的設(shè)計(jì)年徑流。

收集淳化站1961 年～2015 年55 年實(shí)測(cè)流量資料。淳化水文站基本斷面以上有城前頭、武家山、后溝、子房溝、辛店、五合、營(yíng)盤(pán)等7 座小（二）型水庫(kù)，其任務(wù)主要以防洪、灌溉、養(yǎng)殖為主。五合水庫(kù)建成于1960 年，其余七座水庫(kù)均建成于20 世紀(jì)70 年代，總庫(kù)容為372.3 萬(wàn)m3。

該方法的使用步驟：①按照淳化水文站雨量站分布情況采用站點(diǎn)平均雨量計(jì)算法；②根據(jù)建設(shè)水利工程運(yùn)行情況、各個(gè)水利工程實(shí)際控制流域面積及水庫(kù)有效利用庫(kù)容等，確定還原系數(shù)。水庫(kù)基本情況見(jiàn)表1。

表1 冶峪河淳化站基本斷面以上水庫(kù)基本情況統(tǒng)計(jì)表

據(jù)調(diào)查，七座水庫(kù)建成以后，在幾十年運(yùn)行過(guò)程中，溢洪道均未發(fā)生溢流現(xiàn)象，汛期、非汛期的徑流均全攔全蓄、全部利用。鑒于此，采用集水面積扣除法進(jìn)行徑流還原計(jì)算。具體如下：淳化站基本斷面以上集水面積為282 km2，扣除當(dāng)年正常運(yùn)行的小水庫(kù)集水面積后，計(jì)算出相應(yīng)的徑流模數(shù)；以此徑流模數(shù)乘以小水庫(kù)的集水面積，即為當(dāng)年的攔蓄水量，將其作為本年還原的徑流量部分；還原徑流量與同期實(shí)測(cè)淳化水文站年徑流量之和，即為本年的淳化水文站以上流域的天然徑流量。以此類(lèi)推，即可得到還原后的天然徑流系列。

還原計(jì)算結(jié)果表明，淳化站基本斷面上游的七座小水庫(kù)多年平均攔蓄水量127 萬(wàn)m3；淳化站1961 年～2015 年多年平均徑流量1184 萬(wàn)m3，計(jì)入小水庫(kù)的攔蓄量后，天然徑流量為1311 萬(wàn)m3，集水面積282 km2，平均徑流模數(shù)為4.65 萬(wàn)m3/（km2·年），多年平均徑流深46.5 mm。

2.3 參證站設(shè)計(jì)年徑流量

采用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，P-Ⅲ型曲線適線，對(duì)淳化站1961 年～2015 年55 年天然徑流系列進(jìn)行頻率分析。在計(jì)算水文樣本頻率時(shí)，通常由已知的CV估算CS，通過(guò)附表查出與各設(shè)計(jì)頻率P 所對(duì)應(yīng)的KP，繪制出P-Ⅲ頻率曲線。通過(guò)目估適線觀察，調(diào)整不同倍比CS，繪制出最終的年徑流頻率曲線，在該曲線上查出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)保準(zhǔn)率頻率P的設(shè)計(jì)值X p。適線參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 淳化站不同頻率徑流量表 單位：萬(wàn)m3

3 王家咀水庫(kù)設(shè)計(jì)徑流

以淳化站為參證站，使用水文面積比擬法，并采用面降雨進(jìn)行修正，計(jì)算得到王家咀水庫(kù)壩址斷面多年平均天然徑流量：

式中：W設(shè)、W參分別為設(shè)計(jì)斷面和參證站徑流量；F設(shè)、F參分別為設(shè)計(jì)斷面和參證站集水面積；P設(shè)、P參分別為設(shè)計(jì)斷面和參證站多年平均面雨量。

面雨量rM的基本公式是對(duì)各點(diǎn)實(shí)測(cè)雨量ri以與該點(diǎn)所代表的面積Ai作為權(quán)重，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)平均值計(jì)算：

以不同的方法決定Ai，得到不同的面平均雨量計(jì)算方法。

冶峪河淳化站以上采用安子哇、卜家村、秦河、淳化4 個(gè)雨量站的雨量資料進(jìn)行計(jì)算，百子溝面雨量采用新民、職田、湫坡雨量站。推求出王家咀水庫(kù)壩址上游流域多年平均面雨量為599.3 mm，冶峪河流域多年平均面雨量為589 mm。各設(shè)計(jì)斷面年徑流量計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 王家咀水庫(kù)各設(shè)計(jì)斷面年徑流量計(jì)算成果表

4 結(jié)論

1）王家咀水庫(kù)推薦壩址設(shè)計(jì)年徑流為241.9 萬(wàn)m3。

2）徑流還原法針對(duì)庫(kù)壩等工程建設(shè)及流域下墊面產(chǎn)生改變，以此對(duì)徑流產(chǎn)生影響，這種方法對(duì)徑流進(jìn)行水量還原修正，計(jì)算過(guò)程歸因明確，且具有很強(qiáng)的可操作性。

3）徑流還原法對(duì)水文站點(diǎn)及資料的完整度需求很高，需要按照不同年份的取用水資料，依照不同區(qū)域，分別進(jìn)行還原計(jì)算。例如：它要求選取雨量站合理分布、流域內(nèi)雨量資料充足、掌握流域內(nèi)各淤地壩逐年淤積情況，上游取用水情況。