宜川縣劉莊水庫(kù)徑流量及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

馮菊霞，王桂榮，周 瑤

(1.宜川縣水利工作隊(duì)，陜西 延安 716200；2.寶雞市地下水管理監(jiān)測(cè)中心，陜西 寶雞 721001；3.陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護(hù)中心，陜西 西安 710004)

1 流域概況

劉莊水庫(kù)位于仕望河上游西川河支流丁盤(pán)溝上的劉莊村。仕望河發(fā)源于黃龍縣圪臺(tái)街孟家山，從河源至宜川縣城段為自南向北流，在縣城至黨灣鄉(xiāng)之間納入西川河折向東流，在秋林以西納入交里河，向東流入黃河，屬黃河一級(jí)支流，全長(zhǎng)112.8 km，面積2 356 km2，全河平均比降9.7‰，仕望河上游森林密布，植被較好，清水長(zhǎng)流，含沙量較小，河道多為土基河床，縣城以下河床下切較深，基巖出露，形成裸露的石峽谷，基巖出露區(qū)植被差，水土流失嚴(yán)重。西川河于縣城附近與仕望河交匯，全長(zhǎng)52.1 km，面積519.6 km2，平均比降7.7‰。丁盤(pán)溝河長(zhǎng)24.1 km，面積125.3 km2，平均比降11.7‰。莊水庫(kù)以上屬黃土高原稍林區(qū)，森林茂密，植被覆蓋率高，劉莊水庫(kù)控制流域面積100 km2，壩址以上河流長(zhǎng)度15.0 km，河道比降為10‰。

劉莊水庫(kù)地處暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春寒冷少雨，夏季多暴雨天氣，秋季常有連陰雨，其多年平均值為604.5 mm。多年平均氣溫9.9℃，1月平均氣溫-5.7℃，7月平均氣溫23.6℃，極端最高氣溫39.9℃，極端最低氣溫-22.4℃，無(wú)霜期178 d，早霜多出現(xiàn)在10月中旬，晚霜終于4月中旬。最大凍土深0.5 m，最大風(fēng)速18 m/s。

2 徑流計(jì)算分析

2.1 資料選取

劉莊水庫(kù)位于黃龍山以北的黃土林區(qū)，水庫(kù)以上森林植被好，河川徑流年內(nèi)分配較均勻，洪水徑流系數(shù)小，下滲損失大。年降水量的70%集中于6-9月，由于地處大陸腹地，遠(yuǎn)離水汽源地，故降水年際變化大，且年內(nèi)分配不均勻，因而徑流洪水的年際變化大，洪水多發(fā)生在7、8兩月，連陰雨多發(fā)生在9月。但劉莊水庫(kù)壩址處無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，水庫(kù)自建成以來(lái)未進(jìn)行系統(tǒng)的庫(kù)區(qū)水文觀測(cè)。只有劉莊水庫(kù)所在河流—仕望河建有大村水文站，該站位于水庫(kù)下游，集水面積2 141 km2，為對(duì)水庫(kù)徑流計(jì)算方法進(jìn)行研究探討，選取水文序列比較成熟的大村水文站1959-2000年共42 a的實(shí)測(cè)水文資料系列，綜合水庫(kù)附近最能表征流域降水特征的英旺雨量站的1961-2000年共40年的實(shí)測(cè)降水資料和流域內(nèi)宜川氣象站1952-2000年49 a的系列資料進(jìn)行計(jì)算。選取的水文資料可靠性、代表性和一致性滿足規(guī)范要求，能作為計(jì)算的依據(jù)。

2.2 資料審查

對(duì)收集到的仕望河大村水文站1959-2000年42 a實(shí)測(cè)年徑流資料系列進(jìn)行審查，未發(fā)現(xiàn)不合理現(xiàn)象。

大村水文站1959-1980年徑流資料的還原直接采用《延安地區(qū)水文手冊(cè)》的計(jì)算成果，1981-2000年徑流資料還原按水資源評(píng)價(jià)細(xì)則進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，大村水文站42 a還原水量平均為0.03×104萬(wàn) m3，占實(shí)測(cè)年徑流量的3.8%，占天然年徑流量的3.7%。

2.3 大村水文站年徑流頻率計(jì)算

將還原后的徑流系列，用算術(shù)平均法求均值，用矩法求變差系數(shù)Cv，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，目估適線，大村站年徑流多年平均值為0.807億 m3，Cv值為0.57，Cs/Cv=3.0。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。計(jì)算可知 Cv=0.57，Cs/Cv=3.0，平均值=0.807。

圖1 大村站年徑流量頻率曲線

2.4 基于兩種方法的徑流計(jì)算

基于流域資料的完整程度和資料審查合格的基礎(chǔ)上，本次徑流計(jì)算選用水文比擬法與等值線圖法分別進(jìn)行，最后對(duì)兩種方法計(jì)算的徑流成果進(jìn)行比選，得到最合理的成果。

2.4.1 水文比擬法

劉莊水庫(kù)所在河流下游設(shè)有大村水文站，流域面積2 141 km2，多年平均徑流量8 070×104萬(wàn) m3，面平均雨量610 mm。用下式為計(jì)算劉莊水庫(kù)面平均雨量580 mm時(shí)的徑流量：

W劉莊=W參×F劉/F參×H劉/H參

(1)

式中：W劉、W參為劉莊水庫(kù)、參證站多年平均年徑流量(104m3)；F劉、F參為劉莊水庫(kù)、參證站控制集水面積(km2)； H劉、H參為劉莊水庫(kù)、參證站面平均雨量(mm)。

經(jīng)計(jì)算，劉莊水庫(kù)多年平均年徑流量為358×104m3。

2.4.2 等值線圖法

通過(guò)查閱“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目：“陜西省地表水資源調(diào)查評(píng)價(jià)研究”的多年平均徑流深等值線圖可知，劉莊水庫(kù)重心處的徑流深為35 mm，則劉莊水庫(kù)多年平均年徑流量為350×104m3。

2.5 劉莊水庫(kù)年徑流成果選用

從以上2種方案的計(jì)算結(jié)果可以看出，水文比擬法和等值線圖法算得劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流量結(jié)果，基本一致，相差很小，說(shuō)明結(jié)果可信。由于大村水文站屬于劉莊水庫(kù)本流域站，故選用該值。即劉莊水庫(kù)壩址處多年平均年徑流量為358×104m3。

2.6 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量計(jì)算

由陜西省“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目查得，劉莊水庫(kù)年徑流變差系數(shù)Cv=0.45，Cs/Cv=3.0，求得劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量見(jiàn)表1。

表1 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量成果表 104m3

2.7 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流的年內(nèi)分配

根據(jù)大村站的頻率計(jì)算成果，在理論頻率線上初選頻率為95%、75%、50%年份相應(yīng)的徑流量，再根據(jù)還原后的實(shí)際徑流量，比選較為安全合理的年份，最終確定為1995、1973、1962年為相應(yīng)年份。按水文比擬法的原理，據(jù)其年內(nèi)分配百分比計(jì)算劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流的月年分配結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量年內(nèi)分配 104m3

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

劉莊河水庫(kù)所在的流域主要由黃土林區(qū)和石山林區(qū)相間，面積基本接近，缺洪水資料，對(duì)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算分析可采用以下所述的計(jì)算方法，參數(shù)用黃土林區(qū)和石山林區(qū)參數(shù)的平均值。

3.1 洪水總量計(jì)算

洪水總量計(jì)算可采用《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式(2)：

WP=KnQPn

(2)

式中：WP為洪水總量(萬(wàn)m3)；QP為洪峰流量(m3/s)；Kn、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，石山林區(qū)Kn=0.25，n=1.36；黃土林區(qū)Kn=0.18，n=1.27，參數(shù)按照黃土林區(qū)和石山林區(qū)參數(shù)的平均值，則Kn=0.215，n=1.315。

WP=0.215QP1.315

(3)

3.2 洪峰流量計(jì)算

洪峰流量計(jì)算，同樣采用《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式，并用綜合指數(shù)法與匯水面積相關(guān)法兩種方法進(jìn)行校核。

3.2.1 綜合指數(shù)法

用式(4)計(jì)算重現(xiàn)期為N年的年最大流量QMN

QMN=C·Nα·Fβ·ψγ·H3Nη

(4)

式中：H3N為重現(xiàn)期為N年的3h面雨量；F=100 km2；Ψ = F / L2；L為河道長(zhǎng)度，L=15 km。

查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》各分區(qū)參數(shù)指數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)各參數(shù)實(shí)際選取按照黃土林區(qū)和石山林區(qū)參數(shù)的平均值選取，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 參數(shù)指數(shù)結(jié)果

表4 綜合指數(shù)法設(shè)計(jì)洪峰流量

3.2.2 匯水面積相關(guān)法

利用公式(5)計(jì)算重現(xiàn)期為N年的年最大流量QMN

QMN=KN·Fn

(5)

式中：KN、n為重現(xiàn)期為N年的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》洪峰面積相關(guān)參數(shù)表，500 a一遇石山林區(qū)KN=22.0，n=0.74，黃土林區(qū)KN=6.32，n=0.67；50 a一遇石山林區(qū)KN=12.0 ，n=0.74，黃土林區(qū)KN=3.58 ，n=0.67。參數(shù)按照黃土林區(qū)和石山林區(qū)參數(shù)的平均值，則500 a一遇Kn=14.16，n=0.705；50 a一遇KN=7.79，n=0.705。

按照公式(5)計(jì)算本流域年最大流量可得：500 a一遇洪峰流量364 m3/s；50 a一遇洪峰流量200 m3/s。

3.3 洪峰流量計(jì)算成果評(píng)述及選用

從設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果綜合表5可看出，500 a一遇年最大流量299～364 m3/s；50 a一遇年最大流量146～200 m3/s，考慮安全，采用匯水面積相關(guān)法，即500 a一遇洪峰流量為364 m3/s，洪水總量為504萬(wàn) m3；50 a一遇洪峰流量為200 m3/s，洪水總量為242萬(wàn) m3。

表5 洪水計(jì)算成果綜合表

3.4 洪水過(guò)程線

洪水過(guò)程采用5點(diǎn)概化過(guò)程線，設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程見(jiàn)表6和表7。

表6 頻率P=0.2%設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程

表7 頻率P=2.0%設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于一些缺乏水文實(shí)測(cè)資料的地區(qū)，其徑流及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果的精度和合理性非常重要，尤其對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用和水利工程設(shè)計(jì)關(guān)系重大。通過(guò)以劉莊水庫(kù)為例，針對(duì)壩址處無(wú)實(shí)測(cè)水文資料和水庫(kù)自建成以來(lái)未進(jìn)行系統(tǒng)的庫(kù)區(qū)水文觀測(cè)的實(shí)際，借鑒類(lèi)似工程的計(jì)算方法，對(duì)徑流及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了闡述，從計(jì)算成果看，合理可行，符合劉莊水庫(kù)實(shí)際。