山塘水库防洪能力复核方法浅析

叶力明

(慈溪市水利局,浙江 慈溪 315300)

1 慈溪山塘水库基本情况

慈溪市地处浙东杭州湾南岸,介于北纬 30°02'～30°24'和东经121°02'～121°42'之间,为长江三角洲沪、杭、甬经济金三角地带。全境地势南高北低,呈丘陵、平原、滩涂3级台阶状朝杭州湾展开。

慈溪全市共有山塘水库95座,合计总库容不到20万m3,其中库容最大为4.5万m3,最小为0.15万m3,分布在慈溪市东南部地区。坝型以均质坝为主,坝高最高为17.8m,最低为1.7 m,集雨面积最大为2.4 km2,最小为0.05 km2。

2 山塘水库防洪标准的确定

山塘水库属于库容小于10万m3小型挡水建筑物,水库工程在当时建设时基本上是靠人力建造,且都没有正式的设计,防洪标准普遍较低。在历年暴雨和台风雨期间,经常发生坝体局部冲垮、坝坡冲毁和洪水越坝等危险情况,基于此,将山塘水库防洪复核参照小(2)型水库标准计算。依据国家标准GB 50201—94《防洪标准》中规定:当山区、丘陵区的水库枢纽工程挡水建筑物挡水高度低于15 m,上下游水头差小于10 m时,其防洪标准可按平原区、滨海区的规定确定,防洪标准可按设计重现期10 a,校核20～50 a,根据山塘水库下游防洪重要性,失事后容易造成人员财产损失的山塘,特别是“屋顶山塘”,校核重现期取上限50 a,对于一些失事后损失不大的山塘,校核重现期可取下限20 a。

3 山塘水库洪水及其洪水过程特性分析

流域内洪水由暴雨形成,由于山塘流域集水面积较小,汇流时间短,一般均为全面积产流,涨洪历时短,洪水陡涨陡落,山塘水库洪水特性与暴雨特性基本一致。

设计洪水计算内容一般包括设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量和设计洪水过程线3项,但根据工程特点和设计要求的不同,需要计算的设计洪水内容和重点也不同。由于山塘水库集水面积很小,再加上蓄水库容较小,调蓄能力很弱,其防洪安全(最高库水位)主要受洪峰控制,因此其设计洪水计算内容主要是流域的设计洪峰流量的计算,对洪水过程线和洪水总量可不作详细分析。

4 设计暴雨计算分析

山塘水库分布散、数量多,几乎没有暴雨观测资料,为计算方便,设计暴雨量的推求可采用《浙江省短历时暴雨》(浙江省水文局,2003)图集来查算。从图集上查得各统计历时的暴雨参数,推求各历时设计点雨量,并以此设计点雨量作为小流域设计暴雨量。对于山塘水库这样的小流域洪峰主要受短历时暴雨控制,特别是10,60 min暴雨量显得尤为重要。

此次防洪复核根据图集中暴雨分布的特点,将慈溪划分为东部山区和中部山区2个区块分别查读暴雨统计参数。各分区设计暴雨成果见表1。

表1 设计暴雨成果表 mm

5 设计洪水

慈溪山塘水库其集水面积最大不超过3 km2,属于特小流域,特小流域汇流主要以坡面汇流为主,针对其具体情况,在不影响计算精度的前提下,洪水计算方法应具有3个方面的特点:适用于无资料地区、简便易行、着重计算洪峰流量。

目前国内推求特小流域设计洪水使用最广的是推理公式法,而关于集水面积在3 km2以下的特小流域的研究并无经验的计算公式,且该研究领域的资料较少。在此次洪水分析中,根据浙江省小流域中推理公式的实际应用情况,对于缺乏流域特征资料的具体情况,研究其适应性及准确性。另外,根据慈溪市其他几个中小型水库的各频率的设计洪峰流量来建立“洪峰流量模数～面积～重现期”回归方程,采用区域回归法来推求设计流域的设计洪峰流量。此次分析将通过这2种计算方案的分析比较,最终选定一种方案的计算结果作为设计流域洪峰流量的设计值。

5.1 推理公式法

推理公式法在国外称为 “合理化”法,该方法结构形式简单,应用方便,特别适用于无水文资料的地区。在径流形成过程中,特别是在最大流量形成过程中,在一定降雨条件下,净雨历时tC与汇流时间τ的相对大小起了决定性的作用。这是因为,最大流量是由最大造峰面积上的净雨形成的,而最大造峰面积则与净雨历时 tC有着密切关系,tC与τ的相对大小有2种情况:

当 tC＞τ,称为全面汇流,意指造峰面积为全流域,此时

式中:hτ为相应于τ时段的最大净雨,mm;τ为流域汇流历时,h;F为流域面积,km2。

当tC≤τ,成为部分汇流,意指造峰面积为部分面积,此时:

式中:hR为1次降雨的全部径流深,mm;汇流时间τ,按下述方法求得,令汇流速度为:

式中:L为干流河长,km;J为河道坡降(以小数计);m为汇流参数。

由建立的方程组通过图解法计算求得Qm和τ。

根据慈溪市其他几个中小型水库安鉴资料来进行地区综合,可建立集雨面积F～汇流时间τ关系,并以此关系式确定τ。在集雨面积较小、等效河长比较短的情况下,汇流时间一般趋向于某一定值,据经验估计,该流域各山塘水库汇流时间一般处在0.3～0.7 h之间,以此来校核计算所得τ是否在合理范围内。各中小型水库汇流时间与流域特征值见表2。

对各水库的集雨面积和汇流时间拟合关系线见图1。由图1可知,集水面积和汇流时间两者基本呈现出良好的线性关系,相关系数为0.981,点据基本均匀分布在拟合直线的两侧,可将此关系应用于推求设计流域汇流时间。

拟合直线方程:τ=0.133 7F+0.323

据此求出τ后,再由暴雨衰减指数来计算汇流时间内的最大降雨强度,从而由推理公式计算得各特小流域设计洪峰流量。由于汇流时间均很小,可忽略此时段内土壤稳定下渗的损失量,故产流计算可简化不计。计算成果见表3。

表2 各水库汇流时间与流域特征值表

图1 集水面积与汇流时间相关图

5.2 区域回归法

区域回归法也可称为地区综合法,是通过流域特征变量来估计无资料地区设计洪水的一种方法。首先,可以利用流域内有资料地区的设计洪水成果,建立一定重现期下洪峰流量与流域特征值的回归方程;然后针对建立的回归方程,采用线性回归分析或非线性优化方法确定回归方程的系数;最后,根据水文分区,选取相应的回归方程,确定方程中所含流域特征项的值,直接代入公式计算洪峰流量。

通过分析“洪峰流量模数(M)— 集水面积(F)— 重现期(N)”之间的关系线,来确定回归方程。根据收集得的慈溪市一些中小型水库的流域特征值,计算2,5,10%等3个频率的设计洪峰流量,将各频率洪峰流量模数M与集水面积F点绘在坐标纸上(见图2),通过线性回归分析拟合出各重现期洪峰流量模数M与F的数学关系。

通过回归分析,得出洪峰流量模数M与F关系:

从回归方程中可以看出,回归系数呈现明显的规律性,随重现期减小而增大,相关系数 r则随着重现期减小而减小,故区域回归方程的精度也随之降低,总体上相关性显著,可利用此关系线作适当外延。

图2 各重现期洪峰模数与集水面积关系图

根据建立的回归方程,将各小山塘的集水面积代入公式中,即可求得各频率的洪峰流量,计算成果见表3。

5.3 设计洪水成果合理性分析

由表3可知,由区域回归法计算得到的各频率设计洪峰流量小于由推理公式法计算成果,通过相对差分析可以发现,集水面积越小,2种方法的计算成果偏差越大,随着集水面积的增大,计算成果的相对差趋于缩小,如石门槛水库,集水面积为2.4 km2,2种方法计算相对差在7%～8%,而集水面积为0.05 km2的山塘,2种方法计算相对差甚至达到35%～40%。经分析比较洪峰流量模数,认为区域回归法计算成果较为合理,而推理公式法在推求汇流时间时,外延部分的幅度与精度不宜掌握。

将由计算所得的50 a一遇洪峰流量与相应集水面积点绘在双对数坐标纸上,绘制相关图,详见图3。

图3 洪峰～面积相关图 (N=50 a)

由图3可知,点据上部斜率较小,而下部斜率较大,这符合一般规律。

综上所述,此次推荐采用区域回归法所得成果。

表3 不同方法洪峰流量和需要溢洪道尺寸计算成果表

6 泄洪能力复核计算

采用区域回归法的计算结果作为设计流域洪峰流量的设计值。水库泄洪主要依靠溢洪道,溢洪道多为浆砌实用堰,以此计算各频率下所需溢洪道的尺寸,成果见表3。

溢洪道泄流采用:

式中:m为流量系数,实用堰采用0.42;B为溢洪道宽,B=20 m;H0为堰上水头。

7 结 语

通过以上分析计算,山塘水库设计选用区域回归法的计算成果较为合理,并以此洪峰流量来确定溢洪设施的规模,为山塘水库治理提供了设计参数。慈溪市按照此方法完成了新一轮的水库综合整治,并经历了多次短历时暴雨和台风暴雨的考验,证明按此方法计算成果比较合理,也符合实际。