安徽省明湖設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法探究

朱世城

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

1 工程概況

安徽省滁州市長(zhǎng)江流域二級(jí)支流為清流河，勝天河是清流河右岸的主要支流，流域面積85.5 km2，明湖以上流域面積77.5 km2。勝天河上游建有陳官塘、侯家壩、鰲魚塘、中心水庫(kù)等小型水庫(kù)工程，水庫(kù)泄洪對(duì)河道洪水影響較大。

勝天河防洪能力低，按照現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足20年一遇提高為近期50年一遇、遠(yuǎn)期100年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合治理。治理工程包括勝天河上游干、支流河道整治、堤防加固，中游低洼河谷地帶建設(shè)明湖工程；勝天河下游干支流河道整治、堤防加固等。明湖工程是勝天河綜合治理工程的重要組成部分，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)300年一遇。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

勝天河流域無實(shí)測(cè)徑流資料，設(shè)計(jì)洪水采用設(shè)計(jì)暴雨間接推求。為保證計(jì)算成果的合理性，設(shè)計(jì)入湖洪水計(jì)算方法采用《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》（以下簡(jiǎn)稱“84辦法”）和瞬時(shí)單位線綜合法（以下簡(jiǎn)稱“單位線法”）兩種方法分別進(jìn)行計(jì)算[1]，以臨近流域小沙河胡莊（三）站實(shí)測(cè)流量資料系列計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核，以保證計(jì)算成果的合理性。

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

（1）暴雨特性

建設(shè)工程位于江淮之間丘陵地帶，為北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，6月份進(jìn)入梅雨季節(jié)，雨量集中，7月中旬進(jìn)入盛夏，受臺(tái)風(fēng)影響，易形成大暴雨。暴雨歷時(shí)一般為1 d～2 d，最長(zhǎng)3 d～7 d，最短僅幾小時(shí)。

（2）設(shè)計(jì)暴雨

設(shè)計(jì)暴雨采用實(shí)測(cè)面雨量資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算。根據(jù)老嘉山、自來橋、獨(dú)山、董家洼、燕子灣、赤湖、烏衣及滁州等8站1958 年～2017 年實(shí)測(cè)最大 1 h、24 h、1 d、3 d、7 d 時(shí)段暴雨量資料，采用P-Ⅲ型頻率曲線適線，計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)暴雨量（表1）。

表1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表 單位：mm

2.2 設(shè)計(jì)洪水

（1）“84 辦法”計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

擬建明湖洪水位受洪峰流量及洪水總量的影響。根據(jù)“84辦法”，當(dāng)河流有明顯分支時(shí)，應(yīng)分塊分別計(jì)算洪水過程[2]。勝天河流域?qū)俳辞鹆陞^(qū)，江淮地區(qū)丘陵地形降雨損失量及地下水量扣除辦法，重現(xiàn)期≥50年一遇時(shí)為60 mm，重現(xiàn)期≤20年一遇時(shí)為80 mm。根據(jù)明湖以上流域特征參數(shù)，分勝天河主干及右支分別進(jìn)行洪水計(jì)算，并根據(jù)流域形狀系數(shù)（表2）對(duì)洪峰及過程線進(jìn)行修正，將各分塊洪水進(jìn)行時(shí)段疊加得明湖設(shè)計(jì)洪水過程線（圖 1、圖 2）。

表2 擬建明湖以上流域特征參數(shù)表

圖1“84辦法”設(shè)計(jì)洪水過程（24h，20年，50年一遇）

圖2“84辦法”設(shè)計(jì)洪水過程（24h，100年，300年一遇）

（2）“單位線法”計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)“單位線法”，降雨損失量根據(jù)《各天降雨損失量表》查算，潛流比根據(jù)《山丘區(qū)不同面積的潛流比（R/R%）》查算[3]；流域位于江淮之間，24 h、3 d設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配分別按照《最大24 h暴雨時(shí)程分配分區(qū)綜合成果表》《最大3 d暴雨日程分配分區(qū)綜合成果表》的規(guī)定進(jìn)行,匯流計(jì)算采用納希單位線法。設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配見表3～表4,設(shè)計(jì)入湖洪水過程線見圖3～圖6。

表3 最大24小時(shí)暴雨時(shí)程分配表

表4 最大3d暴雨時(shí)程分配表

圖3“單位線法”設(shè)計(jì)洪水過程（24h暴雨，20年，50年一遇）

圖4“單位線法”設(shè)計(jì)洪水過程（24h暴雨，100年，300年一遇）

圖5“單位線法”設(shè)計(jì)洪水過程（最大3d,20年，50年一遇）

圖6“單位線法”設(shè)計(jì)洪水過程（最大3d,100年，300年一遇）

2.3 設(shè)計(jì)成果合理性分析

不同方法計(jì)算明湖設(shè)計(jì)洪水成果比較見表5、表6。從設(shè)計(jì)洪水洪峰流量看，24 h設(shè)計(jì)暴雨除20年一遇外，“84辦法”與“單位線法”計(jì)算結(jié)果相差不大（在4.2%以內(nèi)），20年一遇“84辦法”計(jì)算結(jié)果比“單位線法”計(jì)算結(jié)果偏小17.8%，主要因?yàn)閮煞N計(jì)算方法在扣除降雨損失及地下水所采用的概化方法不同[4]?！?4辦法”在扣除降雨損失及地下水考慮了重現(xiàn)期的因素，江淮丘陵地區(qū)重現(xiàn)期≥50年一遇時(shí)降雨損失及地下水扣除60 mm（降雨損失30 mm，地下水30 mm），重現(xiàn)期≤20年一遇時(shí)降雨損失及地下水扣除80 mm（降雨損失50 mm，地下水30 mm）；“單位線法”降雨損失不考慮重現(xiàn)期采用固定值，丘陵區(qū)降雨損失為30 mm，地下水則概化為凈雨固定倍比值（潛流比）。

從設(shè)計(jì)洪水洪量看，最大24 h洪量計(jì)算結(jié)果較為接近，“84辦法”計(jì)算洪量大（20年一遇除外），24 h暴雨時(shí)段設(shè)計(jì)洪量較3 d暴雨時(shí)段洪量大，說明來水量主要由24 h暴雨形成。明湖工程按照50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、300年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核，從安全角度考慮，設(shè)計(jì)入湖洪水采用24 h時(shí)段暴雨“84辦法”計(jì)算成果（圖1～圖2）。

表5 明湖設(shè)計(jì)入湖洪水洪峰流量計(jì)算成果比較表單位：m3/s

表6 明湖設(shè)計(jì)洪水最大24小時(shí)洪量計(jì)算成果比較表單位：萬m3

3 設(shè)計(jì)洪水成果復(fù)核

臨近流域設(shè)有水文監(jiān)測(cè)站胡莊（三）站，具有1980以來近40年的實(shí)測(cè)徑流資料系列。經(jīng)分析，資料合理、可靠，可用于設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》（SL278-2002），當(dāng)工程處與設(shè)計(jì)依據(jù)站的集水面積相差不超過15%，且下墊面條件相似時(shí)，可按面積比推算工程設(shè)計(jì)徑流量[4]。胡莊（三）站以上流域面積82.1 km2，明湖以上流域面積77.5 km2，差5.6%，位置臨近，面積相差較小，地形、地貌相似，下墊面情況也相近，可根據(jù)胡莊（三）站實(shí)測(cè)洪水資料按面積比推算明湖設(shè)計(jì)洪水。

以胡莊（三）站1980年以來實(shí)測(cè)年最大流量系列進(jìn)行頻率計(jì)算,得到不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(表7),按水文比擬法計(jì)算明湖工程不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(表8)。

表7 胡莊(三)站不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量成果表單位：m3/s

表8 不同計(jì)算方法設(shè)計(jì)洪水洪峰流量成果表單位：m3/s

與“84辦法”計(jì)算結(jié)果相比，水文比擬法計(jì)算結(jié)果稍大（2.7%～11.7%），主要為胡莊（三）站位于小沙河上游段，匯流速度較大，而明湖調(diào)蓄區(qū)壩址處洪水受下游清流河回水頂托影響較小。因此，設(shè)計(jì)洪水采用“84辦法”計(jì)算成果基本合理。

4 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

明湖設(shè)計(jì)洪水位由設(shè)計(jì)入湖洪水、水位庫(kù)容曲線、設(shè)計(jì)泄流曲線及水量平衡方程，采用洪水靜庫(kù)容法進(jìn)行調(diào)洪演算推求。

調(diào)洪演算公式如下：

式中：Δt為t1～t2時(shí)間間隔；S1為t1時(shí)刻的庫(kù)容,m3;q1為出庫(kù)流量，m3/s；Q1為入庫(kù)流量，m3/s；S2為 t2時(shí)刻的庫(kù)容，m3、q2為出庫(kù)流量，m3/s；Q2為入庫(kù)流量，m3/s。

泄洪閘泄流能力采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；B為堰頂凈寬，m；H0為堰上總水頭，m。

明湖設(shè)計(jì)正常蓄水位14.00 m，勝天河主干和右支兩座泄洪閘設(shè)計(jì)寬度分別為24 m、16 m，閘底高程10.0 m。起調(diào)水位采用正常蓄水位。計(jì)算明湖20年、50年、100年、300年一遇設(shè)計(jì)洪水位分別為14.20 m、14.60 m、15.21 m和15.48 m。調(diào)洪演算計(jì)算過程見表9，調(diào)洪演算成果見表10（50年一遇、300年一遇）。

表9 明湖設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算計(jì)算表（50年、300年一遇）

表10 明湖設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算成果表

5 結(jié)語

（1）明湖工程是勝天河綜合治理工程的重要組成部分，為防洪安全需進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。文章采用“84辦法”及“單位線法”兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)入湖洪水，并對(duì)成果合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以胡莊（三）站實(shí)測(cè)流量資料系列計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核，保證計(jì)算成果的可靠性；根據(jù)設(shè)計(jì)入湖洪水調(diào)洪演算推求設(shè)計(jì)洪水位，為明湖工程方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）從設(shè)計(jì)洪水洪峰流量看，24 h設(shè)計(jì)暴雨除20年一遇外，“84辦法”與“單位線法”計(jì)算結(jié)果相差不大，20年一遇“84辦法”計(jì)算結(jié)果比“單位線法”計(jì)算結(jié)果偏小17.8%，主要因?yàn)閮煞N計(jì)算方法在扣除降雨損失及地下水所采用的概化方法不同。

從設(shè)計(jì)洪水洪量看，最大24 h洪量計(jì)算結(jié)果較為接近，除20年一遇外，“84辦法”計(jì)算洪量大，24 h暴雨時(shí)段設(shè)計(jì)洪量較3 d暴雨時(shí)段洪量大，說明來水量主要由24 h暴雨形成。

明湖工程按照50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、300年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核，防洪標(biāo)準(zhǔn)高于20年一遇，從安全角度考慮，建議設(shè)計(jì)入湖洪水采用24 h時(shí)段暴雨“84辦法”計(jì)算成果。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算工程50年一遇設(shè)計(jì)洪水位14.60 m，300年一遇校核洪水位為15.48 m。