太平水庫工程暴雨洪水特性及設(shè)計洪水計算分析

譚緒豐，白 斌

（1. 遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，貴州 遵義563002；2. 四川大學水電學院，四川 成都610207）

1 概 述

太平水庫位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘鎮(zhèn)境內(nèi)，地理位置為東經(jīng)107°33′13″、北緯27°18′37″，壩址距構(gòu)皮灘集鎮(zhèn)6.0 km，距遵義市中心城區(qū)165 km。工程任務(wù)為村鎮(zhèn)供水和農(nóng)田灌溉，設(shè)計供水量473 萬m3。水庫壩址以上流域面積20.7 km2，多年平均徑流量768 萬m3，水庫正常蓄水位843.00 m，相應(yīng)庫容379 萬m3；死水位822.00 m，死庫容42.0 萬m3；總庫容478 萬m3，興利庫容337 萬m3，庫容系數(shù)43.8%，屬年調(diào)節(jié)水庫。為了向防洪、水資源利用、規(guī)劃設(shè)計和運行調(diào)度提供詳實的水文數(shù)據(jù)［1-2］，采用余慶氣象站暴雨資料對永興河流域進行水文分析計算，獲得更加符合流域洪水特性的洪水分析成果，確保太平水庫工程具有較好的建設(shè)規(guī)模、防洪規(guī)劃和投資效益。

太平水庫地處烏江支流水車河左岸一級支流永興河下游大灣河段，永興河發(fā)源于余慶縣構(gòu)皮灘鎮(zhèn)齊坡村的水田茶，河源山頂高程1 321 m。河流自西南向東北流經(jīng)野貓溝、高寨水庫、白水坡、永興村、大灣等地，至楠木灣處進入進水溶洞K3（進口高程760 m）成為伏流，于溶洞進口以下約0.8 km處的出水溶洞K4（出口高程700 mm）處出露于地表水并折往東流，至下寨匯入水車河，匯口處高程606 m。永興河全流域面積31.0 km2，河長15.9 km，河道平均比降23.3‰，流域形狀系數(shù)0.123，呈樹枝狀。太平水庫壩址以上流域面積20.7 km2，主河道長10.1 km，主河道加權(quán)平均坡降29.2‰，流域形狀系數(shù)0.203，多年平均徑流量768 萬m3。

2 暴雨洪水特性

2.1 暴雨特性

太平水庫壩址以上流域?qū)儆谝话惚┯陞^(qū)，一般5 月份入汛，10 月結(jié)束，大暴雨集中在5 ～8 月，歷時1 d左右。根據(jù)余慶氣象站1951—2016 年共66 a資料統(tǒng)計，實測最大日暴雨量174.9 mm（1963年7 月10 日），年最大日暴雨多出現(xiàn)在5 ～8 月，占81.8%，其中6 月份為最頻繁，占24.2%。流域暴雨的主要天氣系統(tǒng)是冷鋒低槽和兩高切變，其次是長江橫切變。余慶氣象站1951—2016 年暴雨日發(fā)生機率統(tǒng)計如下所示（見表1）。

表1余慶氣象站年最大日暴雨發(fā)生機率

2.2 設(shè)計暴雨

余慶氣象站有1951—2016 年共66 a 實測年最大一日暴雨量資料，對其進行頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線進行適線。余慶氣象站最大一日暴雨頻率分析成果如下所示（見表2）。

表2余慶氣象站最大一日暴雨頻率分析成果

余慶氣象站1951—2016 年最大一日暴雨系列值適線后得H日=87.7 mm（H24=98.2 mm），Cv=0.36。根據(jù)《貴州省短歷時暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖集》（以下簡稱《數(shù)等值線圖集》）之“年最大24小時點雨量均值等值線圖”和“年最大24 小時點雨量Cv值等值線圖”［3］，太平水庫流域的查值成果為H24=80.0 mm，Cv=0.45。最大1 h 暴雨根據(jù)《數(shù)等值線圖集》查算為S = 40.0 mm，Cv=0.40，Cs=3.5 Cv。

流域設(shè)計暴雨成果如下所示（見表3）。

表3太平水庫流域設(shè)計暴雨分析成果

從表3 可知，為了水庫防洪度汛安全，設(shè)計流域洪水計算暴雨成果采用值H24=98.2 mm，Cv=0.45，Cs=3.5 Cv。

3 設(shè)計洪水計算

3.1 各斷面洪水

太平水庫壩址以上流域地理參數(shù)根據(jù)最新1∶10 000地形圖量算，太平水庫流域主要區(qū)間的地理參數(shù)成果如下所示（見表4）。

表4太平水庫流域地理參數(shù)成果

根據(jù)表1 流域地理特征參數(shù)成果，洪峰流量采用《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》（以下簡稱《實用手冊》）指導公式進行計算［4-5］。

3.1.1 高寨水庫壩址以上洪水

高寨水庫壩址以上流域面積為6.80 km2，小于10 km2，洪峰流量計算式為：

式中，Qmp為設(shè)計頻率洪峰流量（m3/s）；Wmp為設(shè)計頻率洪水總量（萬m3）；t1為匯流系數(shù)，取0.36；f 為流域形狀系數(shù)，取0.497；J 為主河道加權(quán)平均坡降，48.0‰；F 為流域面積，6.80 km2；C1為洪峰徑流系數(shù)，取0.67 ～0.87；Sp為設(shè)計頻率最大1 h 暴雨量；h1p為設(shè)計頻率洪量徑流深。

3.1.2 太平水庫與高寨水庫區(qū)間洪水

太平水庫與高寨水庫區(qū)間流域面積為13.90 km2，小于25 km2，洪峰流量計算式為［6］：

Qmp= 0.234t0.8481· f0.331· J0.221· F0.834·［C3H24p］1.212（10≤F ＜25 km2、θ≤30） （2）

Wmp=0.1F·h24p

式中：C3為洪峰徑流系數(shù)，取0.67 ～0.87；H24p為設(shè)計頻率下最大24 h 暴雨量；h24p為設(shè)計頻率洪量徑流深。其余參數(shù)含義同式（1），相應(yīng)系數(shù)取值為：t1= 0.36；f = 0.29；J = 30.3‰；F =13.9 km2。

3.1.3 太平水庫壩址以上洪水

太平水庫壩址以上流域面積為20.7 km2，小于25 km2，洪峰流量公式同區(qū)間洪水計算式（2），相應(yīng)系數(shù)取值為：t1=0.36；f =0.203；J =29.2‰；

F=20.7 km2。

根據(jù)式（1）、（2）計算得太平水庫壩址處相關(guān)流域洪水成果如下所示（見表5）。

表5太平水庫壩址處相關(guān)流域洪水成果

3.2 組合洪水

太平水庫設(shè)計洪水組合采用以下兩種方案計算并與太平水庫天然洪水進行分析比較后偏安全取值。組合1：高寨水庫與太平水庫洪水同頻率、區(qū)間流域相應(yīng)；組合2：區(qū)間流域與太平水庫洪水同頻率、上游高寨水庫相應(yīng)。不考慮上游高寨水庫影響的太平水庫壩址處天然洪水和考慮上游高寨水庫影響后的兩種組合洪水，共3 種不同計算工況下的洪水計算成果進行比較如下所示（見表6）。

表6太平水庫壩址處三種工況下洪水成果對比

由表6 可知，因上游高寨水庫流域面積較小，削峰調(diào)洪作用不明顯，就P = 0.5%的洪水來說，太平水庫上壩址處兩種組合方式計算的洪水較天然洪水分別小8.5%和7.7%；從偏安全考慮，采用太平水庫壩址處天然洪水成果，即：200 a 一遇洪峰流量為246 m3/s，洪量為452 萬m3；30 a 一遇洪峰流量為158 m3/s，洪量為303 萬m3。

根據(jù)《實用手冊》中的概化過程線推求得太平水庫設(shè)計洪水過程線（見圖1）。

3.3 設(shè)計洪水成果合理性分析

（1）方法。設(shè)計流域?qū)偕絽^(qū)小流域，流域面積20.7 km2，水庫周邊無面積相近的小流域水文站實測資料。設(shè)計采用《實用手冊》中的“雨洪法”計算各斷面洪水并進行了“組合洪水”計算?！秾嵱檬謨浴分械挠嬎愎接嘘P(guān)參數(shù)是根據(jù)貴州省具有代表性的若干中小流域水文站實測資料擬定的，且經(jīng)過大量的實際工程驗證，公式選用與工程實際匹配，計算成果合理可行。

（2）成果采用。就P = 0.33%的洪水來說，太平水庫上壩址處兩種組合方式計算的洪水較壩址天然洪水分別小8.5%和7.7%，即壩址上游高寨水庫的削峰能力不大。因此，采用太平水庫壩址處天然洪水成果是合理且偏安全的。

（3）與歷史洪水比較。調(diào)查得1963 年洪水洪峰流量約192 m3/s、1998 年洪水洪峰流量158 m3/s，1963 年洪水重現(xiàn)期確定為65 a 一遇，1998 年洪水重現(xiàn)期確定為30 a 一遇。而計算得到的太平水庫上壩址處65 a 一遇洪水洪峰流量為193 m3/s、30 a一遇洪水洪峰流量為158 m3/s。由此可看出，設(shè)計洪水成果與歷史洪水成果基本一致，說明設(shè)計洪水成果合理。

4 結(jié) 論

太平水庫所處永興河屬山區(qū)小流域，周邊無面積相近的小流域水文站實測資料，難以采用常規(guī)方法推求設(shè)計洪水。通過參證站余慶氣象站實測數(shù)據(jù)分析，掌握永興河流域的暴雨洪水特性和量測流域地理特征參數(shù)，并結(jié)合《實用手冊》中的“雨洪法”公式，計算得太平水庫壩址斷面的設(shè)計洪水成果，為工程防洪規(guī)劃、建設(shè)規(guī)模確定、設(shè)計優(yōu)化和調(diào)度運行提供了符合項目區(qū)流域的詳實水文數(shù)據(jù)，可確保水庫防洪調(diào)度和供水效益的穩(wěn)定發(fā)揮。