张家庄水库应急除险加固设计洪水计算

郝锋平

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024）

张家庄水库应急除险加固设计洪水计算

郝锋平

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024）

张家庄水库所在流域属于无资料地区。利用《山西省水文计算手册》中的瞬时单位线法对张家庄水库进行设计洪水计算，通过调查历史洪水，与以往设计成果比较进行洪水合理性分析，最终认为瞬时单位线法计算成果是合理的。

张家庄水库；设计洪水计算；瞬时单位线法；合理性分析

1 水库概况

张家庄水库位于孝义市旧城西2．5km的孝河上，坝址以上河流长达45km，纵坡约1．27%，流域平均宽10．14km，控制流域面积465．1km2。

张家庄水库是孝河干流上以防洪、工业、灌溉、生态旅游、供水为主的综合利用水库。水库于1959年10月1日开工，1960年6月拦洪蓄水，1963年完成大坝填筑及输水管工程，1964年10月至1965年7月完成溢洪道一期泄槽开挖与护砌工程，1970年建成溢洪道节制闸，1980年将大坝加高1m，形成19．40m的坝高。1990年及2005年水库先后两次进行了除险加固。水库防洪标准原为100年一遇洪水设计，1980年加高大坝后防洪标准为100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；2005年除险加固后，大坝防洪标准为100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；2013年根据山西省水利厅要求对张家庄水库进行应急除险加固设计，对设计洪水进行计算。

2 流域概况

孝河发源于孝义县以西的棋盘山，属黄河流域汾河水系文峪河的支流，河流全长56．5km。

本流域属暖温带大陆性季风气候，冬季受蒙古高压控制，寒冷、风大、雪少；夏季受太平洋副热带高压控制，炎热且雨量集中；春季温度回升快，干旱多风；秋季天高气爽。流域多年平均年降水量468mm，降水量年内、年际分布不均，最大年降水量为1964年的857．2mm，最小年降水量为1965年的283mm，其中最大日降水量发生于1977年8月5日，日降水量达132．5mm。汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的60%～80%。本区年平均气温9．3 ℃，最低气温在1月份，平均-6．8 ℃，最高气温在7月份，平均22．9℃。流域多年平均水面蒸发量1152mm，多年平均风速3．4m/s，最大风速可达18．7m/s。

3 历史洪水调查

根据《山西省历史洪水调查成果》，近几十年来发生过4次大洪水，分别为1907，1922，1937，1958年。其中以1937年最大，洪峰流量1760m3/s，因此1937年发生洪水的标准为100年一遇。

4 设计洪水

张家庄水库上游无水文站或入库站，因此没有入库流量资料系列。张家庄水库入库洪水计算采用《山西省水文计算手册》（以下简称《手册》）计算。

在1∶50000地形图上，勾绘流域分水线，并量算流域面积、河长及河流纵坡比降，量算结果如表1。

表1 流域特征值

通过实地查勘，并结合《手册》流域下垫面划分图，划分流域产、汇流地类，如表2。

表2 产汇流地类 单位:km2

4.1 设计面暴雨

在山西省暴雨分区中，该计算流域属于中区，根据设计流域面积及形状，结合《手册》历时暴雨等值线图的等值分布梯度选择4个定点，采用泰森多边形法则计算每个定点各自控制的面积。该流域各定点暴雨均值及Cv值，如表3，通过设计暴雨的时—深关系及点面折减系数求得设计面暴雨。

表3 设计流域定点雨量查图成果 单位:mm

4.2 产流计算

4.2.1 设计净雨深

计算采用双曲正切模型，该模型结构计算公式为:

式中 tanh为双曲正切运算符；tz为设计暴雨的主雨历时（h）；Hp，A（tz）为设计暴雨的主雨面雨量（mm）；FA（tz）为主雨历时内的流域可能损失（mm）。

流域可能损失用式（2）计算:

式中 Sr，A为流域包气带充分风干时的吸收率，反映流域的综合吸水能力（mm/h1/2）； KS，A为流域包气带饱和时的导水率（mm/h）；B0，p为设计频率的流域持水度。

4.2.2 净雨过程计算

损失率根据产流历时tc及暴雨参数Sp，A、ns、λ值按式（3）计算:

时段净雨计算公式为:

式中 Δhp为设计时段净雨深 （mm）；Δt为计算时段（h）；j为时雨型“模板”中的序位编号；tj-1为j时段的开始时刻。

4.3 综合瞬时单位线法汇流计算

4.3.1 纳什瞬时单位线

将流域汇流过程假设为由n个等效线性水库串联体对水流的调蓄过程。把单位净雨乘以瞬时汇流曲线称为瞬时单位线。

瞬时汇流曲线的数学表达式为:

式中 n为线性水库个数；k为一个线性水库的调蓄参数（h）；t为时间（h）；Γ（n）为伽玛函数。

单位强度净雨过程在流域出口断面形成的水体时间概率分布函数为曲线，是瞬时汇流曲线对时间的积分，无量纲。

数学表达式为:

式中 Γ（n，m）称为n阶不完全伽玛函数。

时段单位净雨在流域出口断面形成的概率密度曲线称为时段汇流曲线，数学表达式为:

流域出口断面的洪水过程根据时段净雨序列与时段汇流曲线采用卷积公式计算。

式中 △t为计算时段（h）；△h为时段净雨深（mm）；A为流域面积（km2）；3．6为单位换算系数；M净雨时段数。

4.3.2 参数计算

参数n采用式（9）、式（10）计算:

式中 A为流域面积（km2）；J为河流纵比降（%）；C1，A为复合地类汇流参数；C1，i为单地类汇流参数；β1为经验性指数；αi为某种地类的面积权重，以小数计。

m1采用下列经验公式计算:

设计洪水计算结果如表4，设计洪水过程线如表5。

表4 设计洪水计算结果

表5 入库洪水过程线

5 成果合理性分析

5.1 历史洪水对比

根据历史洪水调查成果，1937年的洪水为1907年以来的最大洪水，洪峰流量1760m3/s，相当于100年一遇洪水，本次计算得100年一遇洪水洪峰流量为1851m3/s，与1937年相近，由此判断，本次设计洪水成果是合理的。

5.2 以往设计成果对比

本次设计成果与《张家庄水库除险加固工程初步设计报告》（以下简称《除险加固初设》）设计成果对比如表6。

表6 张家庄洪水计算成果对比

通过比较发现本次计算成果与《除险加固初设》成果较为接近，因此认为本次设计成果合理。

参考文献：

［1］山西省水利厅．山西省水文计算手册［K］．郑州:黄河水利出版社，2011．

［2］杨菊香．无实测水文资料地区洪水计算与分析［J］．水科学与工程技术，2014（1）:33-35．

［3］山西省水利厅．山西省历史洪水调查成果［M］．郑州:黄河水利出版社，2011．

［4］叶秉如．水利计算［M］．北京:水利电力出版社，1985．

［5］李英明，潘俊峰．山西河流［M］．北京:科学出版社，2004．

Design flood calculation in the emergency reinforcement of Zhangjiazhuang Reservoir

HAO Feng-ping
（Shanxi Hydroelectric Investigation ＆ Design and Research Institute,Taiyuan 030024,China）

Zhangjiazhuang reservoir basin belongs to the region without data．By the instantaneous unit hydrograph method of Shanxi Provincial Hydrological Calculation Handbook，the calculation of design flood of Zhangjiazhuang reservoir is made ．Through investigation of historical flood， and the results of previous design comparison flood rationality analysis，concluded that the instantaneous unit hydrograph method calculation result is reasonable．

Zhangjiazhuang reservoir； design flood calculation；instantaneous unit hydrograph method；the rationality analysis

TV211

B

1672-9900（2015）05-0020-04

2015-07-31

郝锋平（1986-），男（汉族），山西临县人，助理工程师，主要从事水文规划工作，（Tel）18835132705。