淺析倒天河水庫下游河道治理工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

陳天虹

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

1 概 況

倒天河為白甫河上游河段，白甫河為長(zhǎng)江流域?yàn)踅盗鶝_河左岸的一級(jí)支流，白甫河發(fā)源于七星關(guān)區(qū)野角鄉(xiāng)官寨村，河源高程2030.60 m。白甫河流域東與野紀(jì)河流域相鄰，西以烏箐山為界，南接六沖河，北與赤水河流域毗鄰。按河谷地貌及河道特征分為上游、中游、下游三段：河源至畢節(jié)市大新橋辦事處響水灘為上游；響水灘至繼炎橋?yàn)橹杏?；繼炎橋以下為下游。白甫河由西北向東南流經(jīng)七星關(guān)區(qū)何官屯、大新橋、七星關(guān)城區(qū)、鴨池、梨樹及大方縣雙山、高店、小屯、理化等地，在大方縣牛場(chǎng)鄉(xiāng)辣子寨匯入六沖河。白甫河全流域面積2344 km2，主河道總長(zhǎng)116 km。

本次河道治理范圍為畢節(jié)市德溝新城區(qū)倒天河中上游段，自流倉壩起，至肖家院止，原河道全長(zhǎng)3.74 km，整治后長(zhǎng)為3.60 km。設(shè)計(jì)中綜合考慮了畢節(jié)市城市發(fā)展規(guī)劃和河段全面整治的總體要求及相應(yīng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，本治理河段上游倒天河水庫大壩加高擴(kuò)建工程按100 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。倒天河水庫壩址以上集雨面積147.0 km2，占治理河段末端斷面集水面積(197.1 km2)的74.6%。由于倒天河水庫壩址以上集水面積占比大，研究水庫滯洪、調(diào)洪及削峰作用對(duì)下游治理河段設(shè)計(jì)洪水的影響，對(duì)河道治理工程規(guī)模確定和堤防安全具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 參證站選取

設(shè)計(jì)流域內(nèi)有龍漢、白龍地灘和后箐雨量站、畢節(jié)氣象站、徐花屯水文站、響水灘水文站。

通過對(duì)周邊水文測(cè)站的分布情況分析可知，響水灘水文站資料年限太短，且為虧水流域，不宜選作參證站。徐花屯水文站位于流域內(nèi)，下墊面條件、流域閉合情況與設(shè)計(jì)流域相似，且資料序列較長(zhǎng)，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。因此選取徐花屯水文站作為設(shè)計(jì)流域參證站是最為合適的。

畢節(jié)市氣象站距本次治理河段流域中心直線距離為4 km，觀測(cè)方法采用自記與人工結(jié)合，汛期進(jìn)行四段制、八段制觀測(cè)，枯季采用二段制觀測(cè)，降水及蒸發(fā)資料能夠從降水變化趨勢(shì)上反映流域降水特性。該站具有較完整的降水、蒸發(fā)觀測(cè)資料，資料精度高，且毗鄰本次設(shè)計(jì)河段，其所形成的洪水對(duì)控制斷面影響最直接，可作為本次設(shè)計(jì)參證站。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨

本次采用畢節(jié)氣象站作為參證站，將畢節(jié)氣象站1951—2020年共70 a資料統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)學(xué)期望公式Pm=m/(n+1)×100%計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線目估適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，多年平均最大1 d暴雨量為68.4 mm，變差系數(shù)Cv=0.34，Cs=3.5Cv，最大24 h暴雨量與最大日暴雨量的換算系數(shù)為1.12，則畢節(jié)氣象站年最大24 h暴雨量均值為H24 h=76.6 mm。

結(jié)合貴州省水文水資源局分析成果“貴州省年最大24 h暴雨均值等值線圖和貴州省年最大24 h暴雨Cv等值線圖”，設(shè)計(jì)流域年最大24 h暴雨均值在70～80 mm之間，設(shè)計(jì)流域中心內(nèi)插值77 mm，最大24 h暴雨變差系數(shù)Cv在0.40～0.45之間，設(shè)計(jì)流域中心內(nèi)插值0.42。結(jié)合等值線圖和畢節(jié)氣象站統(tǒng)計(jì)資料，本次設(shè)計(jì)成果流域暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用：H24 h=77 mm，Cv=0.42，Cs=3.5Cv。如表1所示。

表1 工程河段設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)計(jì)算成果

2.3 設(shè)計(jì)洪水

本次河道治理采用水文比擬法、雨洪法、地區(qū)綜合法計(jì)算法計(jì)算治理河道斷面的洪水，并以歷史洪水驗(yàn)證其合理性。

2.3.1 水文比擬法計(jì)算洪水

本次根據(jù)徐花屯水文站1975—2006年實(shí)測(cè)洪峰流量系列，結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，對(duì)徐花屯水文站的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核。利用徐花屯水文站1975—2006年實(shí)測(cè)洪峰流量系列，2006年實(shí)測(cè)洪峰作為特大值處理，并結(jié)合徐花屯水文站的歷史洪峰調(diào)查(調(diào)查到1876年及1955年歷史洪峰)，進(jìn)行 P-Ⅲ型曲線適線計(jì)算，得到徐花屯水文站洪峰流量均值為48.9 m3/s，變差系數(shù)Cv=1.13，Cs=4.0Cv。如表2所示。

表2 徐花屯水文站設(shè)計(jì)洪水成果

按下列水文比擬法算式分別求得防洪各斷面洪峰流量，如式(1)，成果見表3。

(1)

表3 防洪斷面洪水成果(水文比擬法) m3·s-1

式中：QP設(shè)、QP徐分別為設(shè)計(jì)斷面及徐花屯水文站規(guī)定頻率P的洪峰流量，m3/s；F徐為徐花屯水文站的集水面積，取104.8 km2；F設(shè)為設(shè)計(jì)流域面積，km2；n為面積影響指數(shù)，取0.75。

2.3.2 雨洪法計(jì)算洪水

結(jié)合流域?qū)嶋H情況及參證站選取情況，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用“雨洪法”計(jì)算，按照《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》[1]的相關(guān)應(yīng)用公式有所不同，如式(2)、式(3)：

當(dāng)25 km2≤F<300 km2，且θ>30，

QP=0.357γ0.922·f0.125·J0.082·

(2)

當(dāng)25 km2≤F<300 km2，且θ≤30，

QP=0.357γ0.922·f0.360·J0.240·

(3)

將相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算公式，求得各河段洪峰流量，成果見表4。

表4 防洪斷面洪水成果 (雨洪法) m3·s-1

2.3.2 地區(qū)綜合法計(jì)算洪水

地區(qū)綜合法即采用倒天河水庫下泄洪水與區(qū)間洪水組合法，根據(jù)《畢節(jié)市倒天河水庫工程閘門結(jié)構(gòu)復(fù)核及運(yùn)行調(diào)度方案報(bào)告》(2011年)，倒天河水庫為壩頂溢流，堰頂高程1553.30 m，布置3孔4 m×6 m(h×b)弧形鋼閘門。倒天河水庫起調(diào)水位為正常蓄水位(1557.30 m)，當(dāng)5 a一遇洪水時(shí)，為了保證下游河道安全，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，此時(shí)最大下泄流量為116 m3/s，相應(yīng)水位為1557.41 m，當(dāng)20 a一遇洪水時(shí)，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，倒天河水庫的安全泄量為131 m3/s，相應(yīng)水位為1558.19 m。當(dāng)50 a一遇洪水時(shí)，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度，此時(shí)最大下泄流量為148 m3/s，相應(yīng)水位為1559.47 m。當(dāng)500 a一遇洪水時(shí)，3扇閘門按漲率逐孔開啟至1.2 m開度進(jìn)行限泄，但是當(dāng)水位高于1559.47 m時(shí)，為確保大壩安全，不再限制下游流量，閘門正常全部開啟，校核洪水位為1559.74 m。調(diào)洪成果見表5及圖3、圖4。

圖3 倒天河水庫(P=1%)調(diào)洪演算

圖4 倒天河水庫(P=2%)調(diào)洪演算

表5 倒天河水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

區(qū)間(肖家院斷面)主河道長(zhǎng)13.3 km，區(qū)間集雨面積49.7 km2，坡降5.57‰，幾何特征值θ=28.3，洪水采用前述雨洪法計(jì)算洪水的公式。則計(jì)算可得到區(qū)間各斷面洪水洪峰流量，成果見表6。

表6 防洪斷面區(qū)間洪水成果 m3·s-1

將區(qū)間各斷面的洪水過程線與倒天河水庫的下泄洪水過程線疊加可得治理斷面的設(shè)計(jì)洪水，成果見表7。

表7 防洪斷面洪水成果(地區(qū)綜合法) m3·s-1

2.4 洪水成果選取

根據(jù)表3、表4及表7，對(duì)比水文比擬法、雨洪法及地區(qū)綜合法計(jì)算的洪水成果，雨洪法和水文比擬法的洪水成果比地區(qū)綜合法偏大，這兩種方法均沒有考慮上游倒天河水庫的滯洪、調(diào)洪及削峰作用，其計(jì)算結(jié)果僅作為比較分析。結(jié)合工程安全性及流域?qū)嶋H情況，治理河段距離倒天河水庫較近，倒天河水庫集水面積占末端斷面以上集水面積的74.6%，根據(jù)倒天河水庫調(diào)洪成果表，其建成后對(duì)20 a一遇以上洪水削峰作用明顯，建庫后20 a一遇洪峰流量削減了42%，對(duì)本河段的削峰作用明顯，故需要考慮倒天河水庫削峰作用。因此，選取成果較小的洪水成果(地區(qū)綜合法)作為設(shè)計(jì)洪水，這是合理的，也是安全的[2-3]。

2.5 洪水合理性分析

(1)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以畢節(jié)氣象站主要參證站，采用的最大24 h暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)與《貴州省短歷時(shí)暴雨圖集》中相關(guān)等值線圖基本一致，設(shè)計(jì)暴雨成果較為合理。

(2)地區(qū)綜合法選用了畢節(jié)市氣象站最大24 h暴雨參數(shù)，并結(jié)合貴州省短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖，從偏于工程安全角度考慮，綜合取值確定了設(shè)計(jì)流域各短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算方法、參數(shù)選擇合理，考慮上游倒天河水庫調(diào)洪作用，計(jì)算成果符合流域?qū)嶋H情況。

(3)調(diào)查成果，2006年6月28日倒天河流域發(fā)生了一次歷史性的實(shí)測(cè)最大洪水，倒天河水庫區(qū)徐花屯水文站實(shí)測(cè)洪峰流量217.0 m3/s，壩址相應(yīng)達(dá)295.1 m3/s。據(jù)畢節(jié)市水文水資源局在城區(qū)實(shí)測(cè)和調(diào)研分析，該次流域性大水經(jīng)倒天河水庫滯洪削峰后最大下泄163.0 m3/s，“城區(qū)五龍橋斷面(控制流域面積F=146.3 km2)的實(shí)測(cè)洪峰流量為203.0 m3/s，僅相當(dāng)于該河段的20 a一遇洪水”(摘自畢節(jié)市水文水資源局2007年編《畢節(jié)市倒天河流域2006.6.28暴雨洪水分析》專題報(bào)告)。據(jù)此，按水文比擬法(該面積指數(shù)由貴州省水利水電設(shè)計(jì)院在倒天河水庫加高擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)等文件中分析確定n=0.75)推算至本設(shè)計(jì)河段各控制斷面的設(shè)計(jì)流量分別對(duì)比列于表8。

表8 P=5%下倒天河城區(qū)河段設(shè)計(jì)洪峰與2006年歷史洪水對(duì)比

可見表8所列設(shè)計(jì)河段各控制斷面20 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量與2006年20 a一遇洪水相比，僅少0.5%～4.0%，表明地區(qū)綜合法計(jì)算的河段設(shè)計(jì)洪水成果是基本合理的，可以作為設(shè)計(jì)河段設(shè)計(jì)水面線推算的具體依據(jù)。

3 結(jié) 論

本文以貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)倒天河河道治理工程為例，治理河段上游有倒天河水庫，水庫壩址以上集水面積占河道治理末端以上集水面積比例為74.6%，占比較大，設(shè)計(jì)洪水考慮上游水庫的削峰影響，以水文比擬法、雨洪法和地區(qū)綜合法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，結(jié)合流域內(nèi)歷史洪水調(diào)查進(jìn)行綜合分析，推薦采用地區(qū)綜合法計(jì)算成果，設(shè)計(jì)斷面洪水=水庫同頻率下泄+水庫與設(shè)計(jì)斷面區(qū)間同頻洪水，經(jīng)洪水合理性分析，成果安全合理，可為其他山區(qū)河道治理工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供借鑒。