潇河源涡大坝坝址处设计洪峰值计算研究

王向明（晋中市潇河流域管理局，山西晋中030600）



潇河源涡大坝坝址处设计洪峰值计算研究

王向明
（晋中市潇河流域管理局，山西晋中030600）

鉴于潇河源涡大坝以上流域下垫面发生较大变化，使得观测期间内产汇流状况发生明显改变，年径流量和年最大洪峰递减下降趋势十分显著，同时上游松塔水电站下闸蓄水也对源涡大坝处的设计洪峰值产生较大影响，设计洪峰值计算对于合理确定工程的规模及投资有至关重要的作用。为此必须按照水文资料观测期间内一致性原则重新估算修正潇河源涡大坝处的设计洪峰值，修正估算设计洪峰值的思路与方法对类似流域计算设计洪峰值可提供借鉴参考。

潇河；源涡大坝；设计洪峰值；计算；研究

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.030

1 流域基本情况

1.1 潇河流域概况

潇河是汾河的第二大支流，是晋中市的母亲河，发源于昔阳县沾尚乡马道岭，流经寿阳、榆次区、清徐县、小店区，在小店区洛阳村南汇入汾河。上游有松塔河、白马河两大支流，在寿阳县芦家庄汇合为干流，下游至榆次区北合流村又有涂河汇入，全长137km，流域总面积为3894 km2，潇河流域水系分布图见图1。流域内大部分为山区，潇河源涡大坝位于潇河干流出山口进入平川的源涡村，源涡大坝坝址以上流域面积为3090 km2，占潇河流域面积的79.4%。潇河源涡大坝以上流域属大陆性半干旱气候，冬季寒冷干燥，区内普遍干旱缺水，多年平均降水量为475mm。

1.2 潇河源涡大坝基本情况

源涡大坝为潇河灌区渠首引水枢纽工程，始建于1950年，1952年底投入运行，1962年洪水冲毁又复建。枢纽由混凝土滚水坝、南北冲砂闸及南北干渠引水闸组成，大坝全长347m，坝高3m，属低坝引水工程，基本无蓄水功能。在源涡大坝以上流域有两处国家基本水文站，源涡大坝从1957年设立观测站对径流及洪水进行实测，流域内的水文观测资料较为完整可靠。

1.3 源涡大坝处现采用的设计洪峰值

图1 潇河流域水系分布图

从源涡大坝开始至下游10km范围均位于晋中市榆次城区，2012年完成了源涡大坝7km处的一期1.13km的潇河河道整治与生态修复工程。该段河道防洪大堤按Ⅱ级堤防设计，堤防设计防洪标准为50年一遇洪峰。该工程50年一遇设计洪峰计算依据为源涡大坝处1957～2002年间的实测资料及历史调查洪水，确定为1911m3/s，其中Cv值为1.4，Cs/Cv值为2.5。

2 问题的提出

依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44—2006）中7.0.1款的规定：当设计流域内的水利和水土保持措施使产流、汇流条件有明显改变时，应估算其对设计洪水的影响。那么源涡大坝以上流域在长达58年的观测期内产汇流状况是否有明显改变?应如何估算其对设计洪峰值的影响? 2011年上游松塔水电站下闸蓄水影响应如何修正?

3 产汇流状况变化分析

3.1 年径流量递减下降趋势显著

将1957年在源涡大坝设立观测站至2014年汛后上游松塔水电站下闸蓄水前的58年的径流资料制表绘图，从源涡大坝1957～2014年间平均径流量（表1）及年间径流量图（图2）可以看出，年径流量随时间递减下降的变化趋势较为明显。2001～2011年间的平均径流量仅为1957～1967年间的平均径流量的18%，不到五分之一。

表1 源涡大坝坝处年间平均年径流量统计表

图2 源涡大坝年间径流量图

3.2 年最大洪峰递减下降趋势较为明显

从1957～2014年间的年最大洪峰统计图（见图3）可以看出，年最大洪峰随时间递减下降的变化趋势也十分明显，同时年际间变化幅度随时间也有明显的减少趋势。年最大洪峰按变化情况可大致分为两个时期：1957～1966年间的异常期，10年间的年最大洪峰7次大于600m3/s，其中5次大于1000m3/s；1967年至今的稳定期，48年间年最大洪峰仅为596m3/s。

从1957年至今的源涡大坝处年间洪峰统计表（见表2）可以看出，异常期与稳定期存在严重的不一致性。1957～1966年的10年间年径流量与年最大洪峰相关度非常高，1967年以后年最大洪峰不再随年径流量波动，同时年最大洪峰具有变化幅度逐渐变小趋稳，这一现象表明流域内下垫面的变化已促成产流、汇流基础要素的显著变化。

图3 源涡大坝年间年最大洪峰图

表2 源涡大坝坝处年间洪峰统计表

3.3 产汇流状况改变原因分析

造成年最大洪峰存在严重不一致性问题的原因有天气降雨偏大集中的因素，更主要的是开荒造梯田、大饥荒挖野菜草根、大炼钢铁毁林毁木等一系列人为因素，造成流域内下垫面大范围植被破坏水土流失所致。六七十年代随着水库、淤地坝、拦水坝、截潜流等大量水利工程的建设使得下垫面发生较大变化，产汇流条件明显不同，加之农作物密植高产及植被条件的改善，共同造成了1957～1966年的10年间与其后的48年间存在不一致性的问题。该问题可从以下两个实例得到验证。

从蔡庄水库运行及淤积实例分析，蔡庄水库是2011年前流域内唯一的一座中型水库，1960年8月建成蓄水，控制流域面积223 km2，总库容2009万m3，兴利库容960万m3，由于当时植被及水土保持状况较差加之严重的洪灾，库容被泥沙迅速淤积挤占，到七十年代兴利库容就仅剩200万m3，但在其后的近四十年里200万m3的兴利库容基本维持至今。

从不同时期极端强降雨天气实例分析，2013 年7月8日至10日潇河大坝坝址以上发生强降雨，特别是白马河流域降雨量突破寿阳有气象记录以来的历史同期极值，其中48h降水量解愁177.1mm，平头156.4mm，蔡庄水库149.0mm，宗艾132.5mm，平舒128.8mm。2013年流域以上17个雨量站统计的年平均降雨量达到684.4mm。短期降雨强度和年平均降雨量均接近或大于1962年的情况下，源涡大坝1962年与2013年的年径流量对比为3.40亿m3和0.41亿m3，最大洪峰对比为1394m3/s和39m3/s，由此可以看出不同时期基本相同的强降雨所产生径流与洪峰差异较大。

3.4 松塔水电站对源涡大坝处设计洪峰值的影响

松塔水电站工程位于山西省寿阳县西草庄村旁的潇河干流松塔河支流上，工程控制流域面积1174km2，是一座以城市生活用水、工业供水及水力发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用的中型水利枢纽工程。工程由均质土坝、供水发电洞、泄洪洞、溢洪道、坝后发电站及坝后提水泵站等工程组成。拦河坝为碾压式均质土坝，坝高62.6m，设计总库容9740万m3。工程于2009年开始建设，2011年底下闸蓄水，目前已投入运行。

考虑到在源涡大坝上游两大支流汇合处有国家基本水文站芦家庄站，在松塔水电站坝址蓄水前有国家基本水文站独堆站，三个关键断面均有长系列实测洪峰流量资料。用数理统计方法分析三个断面间洪峰流量关系系数，在松塔水电站调洪后洪峰流量与区间洪水做最不利叠加，在50年一遇洪峰值情况下估算松塔水电站对设计洪峰值的影响折减系数为0.75。

4 产汇流状况改变后设计洪峰值估算

鉴于流域内的产流、汇流条件改变明显，存在不一致性的问题，通过对有关资料收集整理分析，提出如下设计洪峰值估算的具体方法。

4.1 对历史洪水调查数据的处理

潇河源涡大坝处无历史调查洪水资料。在潇河源涡大坝上游约25km处有国家基本水文站芦家庄站，该站以上流域面积为2724 km2，占潇河大坝以上流域面积的88.2%，资料显示芦家庄水文站共调查到1502年以来的6次历史大洪水。由于芦家庄至源涡大坝间河道对上游洪水有一定的滞洪蓄洪作用，1957年至2014年的58年间中，有46年芦家庄洪峰流量大于源涡大坝，故芦家庄历史调查洪水宜采用数理统计分析两断面间洪峰流量关系进行延长插补。

4.2 对1957年至1966年间大洪峰流量的处理

考虑到源涡大坝1957年至1966年10年间产汇流条件与其后48年间的产汇流条件存在明显不一致性，从已掌握的资料和手段还不能准确对源涡大坝1957年至1966年10年间大洪峰流量作还原及一致性处理，作剔除处理也不合适。对此在使用频率分析法匹配皮尔逊-III型曲线适线时，采取适当调整Cv值，采取偏离中部吻合上部的方法，使1957年至1966年10年间的5个大洪峰流量点适当偏离频率曲线，Cv值由1.4调整为1.0，见图4，以此方法处理1957年至1966年10年间产汇流条件的不一致性问题。

图4 源涡大坝洪峰流量频率曲线修正对比图

依据源涡大坝处1957～2011年间的实测资料及上述调整修正，50年一遇洪峰值计算修正结果见表3。

表3 源涡大坝50年一遇洪峰值计算修正成果表

4.3 源涡大坝处洪峰值估算成果及合理性分析

根据产汇流一致性修正成果及松塔水电站对设计洪峰值的影响折减系数0.75，最终确定源涡大坝处50年一遇洪峰值为：1170m3/s×0.75 =878m3/s，该估算成果值较未修正前1462m3/s降低39.9%。

由于考虑的方法和修正有不同，规范没有统一明确的计算办法，故有必要对计算成果进行合理性分析。

从年限角度看，源涡大坝断面处从异常期结束的1967年开始到现在连续48年间的最大洪峰值为596m3/s，近35年来最大洪峰值仅为288m3/s，加之今后松塔水库的蓄洪削峰，50年

一遇洪峰值估算成果878m3/s还是有较大安全余量的。

使用《山西省水文计算手册》采用暴雨推求法和地区经验公式法进行验证，估算成果偏小，这与本流域大量水利工程建设有关。随着山西省汾河流域大规模生态修复以及洪水资源利用工程的逐步实施，源涡大坝以上流域内的生态环境会进一步改善，特别是小型水库、拦水坝、淤地坝还将大量建设，大洪峰出现的条件和概率将继续降低。

综上所述，源涡大坝处50年一遇洪峰估算值是合理可靠的。

5 结语

通过对源涡大坝处产汇流条件一致性及松塔水电站对源涡大坝处洪峰值影响的分析与估算，说明产汇流条件对设计洪峰值的影响还是非常明显的，修正是十分必要的。目前还没有产汇流条件有明显改变时合理估算其对设计洪水的影响的针对性、规范性、可操作性的一致性修正的技术手段，使得设计洪峰值容易产生较大偏差，出现计算结果不合理的情况，特别是在选用长系列水文资料进行设计洪峰值计算更应高度重视产汇流条件的一致性问题，才能使设计值更加合理。

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1672-2469（2016）01-0093-03

2015-06-11

王向明（1966年—），男，高级工程师。