烏蘇市小型水庫(kù)工程設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

靳 磊

（新疆維吾爾自治區(qū)塔城水文勘測(cè)局，新疆 塔城 834700）

1 引言

中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)工程水文的分析計(jì)算[1]。大部分規(guī)劃設(shè)計(jì)的中小型水庫(kù)位于無(wú)資料地區(qū)，其工程水文設(shè)計(jì)較為困難。近些年來(lái)，有不少學(xué)者針對(duì)中小型水庫(kù)的洪水設(shè)計(jì)展開相關(guān)研究，并取得一定的研究成果[2～8]。其中主要可以歸納為兩種方法:第一種方法為水文比擬法[9]，按照流域特性相似的原則，將有資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水成果按照同倍比的方法進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)洪水成果；第二種為采用推理公式方法[10]，結(jié)合設(shè)計(jì)暴雨成果來(lái)推算區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水。本文同時(shí)探討以上兩種方法在新疆中型水庫(kù)工程水文計(jì)算中的應(yīng)用性。

2 中型水庫(kù)工程水文計(jì)算方法

2.1 水文比擬法

水文比擬法是按照流域特性相似的原則，將有資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪峰流量按照同倍比的方法進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)區(qū)域洪峰流量。

2.1.1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法：

該方法用洪水調(diào)查法推求小流域設(shè)計(jì)洪水，為無(wú)資料地區(qū)洪水計(jì)算的常用方法之一。該方法首先要求出一條洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線，即將水文分區(qū)內(nèi)（常以頻率曲線的接近程度來(lái)分區(qū)）各水文站各種頻率的流量換算為模比系數(shù)并點(diǎn)繪在同一張概率格紙上，合理選配P-Ⅲ型頻率曲線，繪出一條綜合的頻率曲線，這條頻率曲線就是地區(qū)的綜合頻率曲線。并根據(jù)各河溝計(jì)算斷面相關(guān)的歷史洪水調(diào)查成果，計(jì)算其設(shè)計(jì)洪峰流量。

設(shè)歷史洪峰流量為Q1，其發(fā)生的頻率為PD；設(shè)計(jì)頻率為P，設(shè)計(jì)洪峰流量為QP。由PD及P在綜合頻率曲線上查出相應(yīng)的模比系數(shù)為KD及KP，則設(shè)計(jì)洪峰流量可按下式計(jì)算:

式中:QP為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；KP為設(shè)計(jì)洪峰流量模比系數(shù)；KD為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)；QD為調(diào)查洪水洪峰流量，m3/s。

2.1.2 參證站面積比擬法

選用區(qū)域內(nèi)水文站為參證站，移用其設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算水庫(kù)壩址各種頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算公式如下:

式中:QP設(shè)、QP參為水庫(kù)壩址及參證水文站的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；F設(shè)、F參為水庫(kù)壩址及參證水文站所控制的流域面積，km2；n為洪峰流量指數(shù)，在新疆地區(qū)該值為1。

2.2 推理公式法

推理公式法是根據(jù)暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）中推薦的推理公式分析計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，基本公式如下:

式中:Qm為洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計(jì)頻率的雨力，mm/h；τ為匯流時(shí)間，h；m為匯流參數(shù)；l為沿主河出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；J為沿流程l的平均比降；F為流域面積，km2；n為暴雨衰減指數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 水庫(kù)概況

研究水庫(kù)為山區(qū)攔河水庫(kù)，該工程是以灌溉、供水為主，兼顧防洪等綜合利用功能。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞組成。水庫(kù)總庫(kù)容990萬(wàn)m3，正常蓄水位1039 m，壩高75 m，壩長(zhǎng)254 m。水庫(kù)建成后可改善灌溉面積數(shù)萬(wàn)畝，削減河流洪峰流量、提高下游防洪能力。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000），該水庫(kù)屬小型工程，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。水庫(kù)工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇。

3.2 參證站面積比擬法

選擇四棵樹河吉勒德水文站為參證站，該站為國(guó)家基本水文站，二類精度站。該站位于烏蘇市西大溝鎮(zhèn)紅山村，吉勒德水文站以上集水面積921 km2，河長(zhǎng)63 km，多年平均年徑流量3.058×108m3。吉勒德水文站有1954年～2015年共62年的實(shí)測(cè)洪水系列資料，實(shí)測(cè)資料經(jīng)過審查、考證、刊印，具有較好的連續(xù)性、一致性及代表性，可用作為頻率計(jì)算。

對(duì)參證站進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，曲線采用P-Ⅲ型。洪峰流量計(jì)算成果見表1。結(jié)合參證站面積比擬法對(duì)水庫(kù)各種頻率洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表1 參證水文站各種頻率洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

表2 參證站面積比擬方法下水庫(kù)壩址各種頻率洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

3.3 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

根據(jù)各河溝計(jì)算斷面相關(guān)的歷史洪水調(diào)查成果，調(diào)查洪水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過審查、考證、刊印，具有較好的連續(xù)性、一致性及代表性，可用作為計(jì)算依據(jù)。采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜和頻率曲線法設(shè)計(jì)洪峰流量，水庫(kù)壩址調(diào)查歷史洪水洪峰流量259 m3/s，洪水重現(xiàn)期為63年。利用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量。

其中綜合曲線首先要求出一條洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線。即將水文分區(qū)內(nèi)（常以頻率曲線的接近程度來(lái)分區(qū)）各水文站（本文選取四棵樹河吉勒德水文站、奎屯河將軍廟水文站、八音溝河喇嘛廟水文站為參證站）各種頻率的流量換算為模比系數(shù)并點(diǎn)繪在同一張概率格紙上，合理選配P-Ⅲ型頻率曲線，繪出一條綜合的頻率曲線，這條頻率曲線就是地區(qū)的綜合頻率曲線，見圖1。設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果見表3和表4。

表3 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合KP值表

表4 水庫(kù)壩址各種頻率洪峰流量計(jì)算表

圖1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

3.4 推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

點(diǎn)繪參證水文站最大一日降水量經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)，P-Ⅲ線型矩法目估適線，計(jì)算出不同頻率最大一日降水量Hp，見表5。根據(jù)前面敘述的計(jì)算方法，年最大日雨量需換算成年最大24小時(shí)雨量，換算辦法是將日雨量乘以系數(shù)1.13，系數(shù)值來(lái)源于新疆《中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》，即:

在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算中，設(shè)計(jì)頻率的雨力Sp通常采用同頻率的年最大24小時(shí)降水量H24計(jì)算，公式為:

經(jīng)量算查表，研究水庫(kù)壩址以上流域面積994.4 km2，河長(zhǎng)32 km，主河道平均縱比降0.0625。根據(jù)《新疆可能最大暴雨圖集》，結(jié)合各河溝流域?qū)嶋H情況，暴雨衰減指數(shù)n1取0.56，n2取0.72，暴雨點(diǎn)、面折減系數(shù)取1.509，計(jì)算時(shí)段為24 h，設(shè)計(jì)點(diǎn)和面暴雨成果見表5。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 144-2006），結(jié)合本流域水文特征及下墊面條件，查小流域下墊面條件分類表，m值取0.60。根據(jù)《工程水文及水利計(jì)算》及新疆《中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》研究成果，暴雨洪峰徑流系數(shù)在0.24～0.5之間，確定該區(qū)域洪峰徑流系數(shù)為0.25，結(jié)合設(shè)計(jì)面暴雨成果及前面所述的方程（3）和（4），對(duì)推理公式方法下的設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

表5 參證水文站最大一日降水量頻率計(jì)算成果表

表6 水庫(kù)壩址各種頻率洪峰流量計(jì)算表

4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

三種方法中，參證站面積比擬法設(shè)計(jì)洪水成果合理性最高，也是方案審查后建議采用的批復(fù)成果，此方法選用的參證站實(shí)測(cè)資料經(jīng)過審查、考證、刊印，具有較好的連續(xù)性、一致性及代表性，參證站設(shè)計(jì)洪水成果已通過區(qū)域水文設(shè)計(jì)審查；而地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法，主要采用洪水調(diào)查法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量的推算，洪水調(diào)查數(shù)據(jù)很難接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且該方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量偏小，從水庫(kù)安全角度考慮，其不適用于該水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰的推求；第三種方法為采用推理公式進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量推求的方法，該方法一般用于無(wú)資料小流域，且附近無(wú)參考站數(shù)據(jù)，該方法一般適用于新疆地區(qū)流域集水面積在300 km2以下的無(wú)資料小流域。

5 結(jié)論與建議

（1）若設(shè)計(jì)的小型水庫(kù)集水區(qū)域內(nèi)或附近區(qū)域有資料相對(duì)較長(zhǎng)的參考站，資料符合比擬條件，建議首選參證站參考證比擬法計(jì)算，從而提高小型水庫(kù)設(shè)計(jì)的合理性。

（2）在采用洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算時(shí)，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)洪水資料的實(shí)測(cè)和調(diào)查，應(yīng)復(fù)核歷史洪水調(diào)查的可信度。

（3）采用推理公式進(jìn)行無(wú)資料小流域設(shè)計(jì)洪水推求時(shí)，應(yīng)結(jié)合新疆《中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》及設(shè)計(jì)區(qū)域下墊面條件綜合確定其計(jì)算參數(shù)。