新疆某水利工程设计洪水计算与分析

郑军

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 流域工程概况

新疆某水电站工程位于001水利枢纽下游16.2 km，距下游水文站约300 m，距上游A河河口约12 km，承担发电反调节任务。该水电站工程坝体为混合坝型（混凝土坝和土石坝），主坝为碾压混凝土坝，总坝长963.10 m，最大坝高51 m，水库总库容1.21亿m3，装机容量140 MW。该工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。

2 由流量资料推求设计洪水

2.1 资料审查

在应用资料前，首先要对原始水文资料进行审查，洪水资料必须可靠，具有必要的精度，而且要具备频率分析所必须的某些统计特征。为使洪水资料具有一致性，要在调查观测期中洪水形成条件相同，当使用的洪水资料受人类活动如修建水工建筑物、整治河道等的影响有明显变化时，应进行还原计算，使洪水资料换算到天然状态的基础上。现收集有下游水文站近50年实测逐月月平均流量资料，径流系列齐全完整，不需要进行插补延长工作。由于坝址下游有灌区分布，用水量历年来呈递增趋势，故水文站实测径流系列不能够如实反映天然径流状况，必须进行径流系列还原工作，需沿用上游水库初设阶段的径流系列还原方案，进行径流系列还原，还原后的径流系列要绘制年径流模比系数累积平均过程线及年径流模比系数差积曲线，模比系数累积平均过程线于1981年起稳定趋于1.0，差积曲线表明该系列具有一个完整的丰平枯周期。由此可以认为，经还原后水文站的年径流系列具有一定的代表性。

2.2 推求上游水库坝址天然设计洪水

设计洪水包括设计洪峰流量、不同时段设计洪量及设计洪水3个要素。洪水处理的关键是重现期的确定和经验频率计算，在洪水频率计算中，经验频率是用来估计系列中各项洪水的超过概率，以便在格纸上点绘洪水点子，构成经验分布。实测系列的经验频率仍按连续系列经验频率公式计算，经验频率计算公式为：

式中：Pm——实测系列第m项的经验频率；m——实测系列由大至小排列的序号；n——实测系列的年数；PM——特大洪水第M序号的经验频率；M——特大洪水由大至小排列的序号；N——自最远的调查考证年份至今的年数。

在洪水频率计算中，我国规范统一规定采用适线法，但矩法也是一种简单的经验参数估计方法，它无需事先选定频率曲线线型，因而是洪水频率分析中广泛使用的一种方法。在用矩法初估参数时，对于不连续系列，假定n-1年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的N-a年系列相等，即：

由公式（2）可以导出参数计算公式：

由公式（1）、（3）和（4）计算后所得数值，可以绘制出该水电站上游水库坝址年最大洪峰流量频率曲线图，见图1所示。

图1 上游水库坝址年最大洪峰流量频率曲线

2.3 推求A河河口的区间相应洪水

考虑到该水电站坝址以上的大洪水主要来自上游水库坝址以上区域，以及资料条件较差的因素，坝址以上设计洪水地区组成，按上游水库与该水电站同频率洪水、区间相应洪水组成拟定，推求设计洪水工况下的A河河口的区间相应洪水。为实际应用，关于水库回水计算所需设计洪水的推求，根据有关经验，采用比拟方式推求。两水库坝址区间的相应洪水，以考虑推求A河汇合口末端的相应洪水进行，为简化计算，采用上游水库初步设计阶段设计洪水过程，按面积比拟法反算水文站站址处的设计洪水过程。考虑到在推求A河汇合口的相应洪水过程中出现回水现象，故从偏于安全角度考虑，洪峰的面积比指数取值为1（仅限于此），则面积比拟法推算公式为：

式中：F1，Q1，W1为上游水库坝址以上流域面积、洪峰流量与时段洪量，n为洪峰面积比指数；再取水文站与上游水库坝址两处的设计洪水过程之差值，作为A河河口汇入的区间相应洪水过程，并由此反推A河河口天然相应洪水的时段设计洪量。水库回水计算所需A河汇合口设计洪水的推求，根据有关经验，干流100年一遇设计洪水相对应于支流约50年一遇设计洪水，干流50年一遇设计洪水相对应于支流约20年一遇设计洪水。取上游水库坝址初步设计阶段的天然设计洪水成果进行比较，得100年一遇与50年一遇的设计洪峰比值为1.26，50年一遇与20年一遇的设计洪峰比值为1.45，100年一遇与5年一遇间的各设计频率档次间洪峰、时段洪量的平均比值为1.267，故取该值。将前段所述推求的A河河口P=5%、P=10%、P=20%的相应洪水过程再按同倍比法放大，得A河河口P=5%、P=10%、P=20%的设计洪水过程。A河河口的相应洪水与设计洪水过程线参见图2所示。

图2 A河汇合口相应洪水与设计洪水过程线

2.4 推求该水电站坝址天然设计洪水

采用上游水库初步设计阶段设计洪水过程，按面积比拟法反算水文站站址处的设计洪水过程，作为该水电站坝址处的天然设计洪水过程。依据所用面积比拟法推算公式（5）计算，式中n取值为0.6。由此反推水电站坝址处天然设计洪水的时段设计洪量，成果参见表1所示。

表1 水电站坝址天然设计洪水成果表

2.5 推求该水电站坝址洪水（入库设计洪水）

对于设计频率大于1%时，采用上游工程初步设计阶段设计洪水过程，进行水库调洪演算后，得上游水库的出库洪水过程，再与A河的相应洪水过程相叠加，取叠加后峰量最大的过程作为本水电站入库设计洪水过程，然后统计该入库设计洪水成果。对于当设计频率等于1%及小于1%时，采用上游水库对下游承担防洪任务时的最大控泄流量为基流，按偏安全考虑叠加上游水库与本水电站两库区间的A河的相应洪水与设计洪水过程，作为该水电站入库设计洪水过程。最后统计该入库设计洪水成果，如表2所示。

表2 入库设计洪水成果表

3 结语

此水电站为上游水库的后继工程，由于坝址的径流受上游水库制约，来水的自然状况受到影响，天然入库与调节后的出库水量不同频，已无一一对应关系，故该水电站坝址径流分为上游水库出库泄水过程和区间A河天然汇入过程两部分。

由流量资料推求设计洪峰流量及不同时段的设计洪量，可以使用数理统计方法，计算符合设计标准的数值，设计时根据建筑物级别选定不同频率作为防洪标准，以概率形式估算未来的设计值，同时以不同频率来处理安全和经济的关系。

[1]詹道江，叶守泽，等.工程水文学[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]河海大学，长江水利委员会.三峡工程水文预报及设计洪水研究[R].1994.

[3]刘建基，等.新疆伊犁水电站工程初步设计报告（上册）[R].2006.