微流域蓄水工程设计洪水分析计算浅析

阴宇宙

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

微流域蓄水工程设计洪水分析计算浅析

阴宇宙

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

小微流域上的蓄水工程采用天然设计洪水时有一定的风险。当蓄水工程建成后，形成一定面积的人工水面，流域产汇流条件发生明显变化，暴雨在库面蓄水的部分下渗损失可以忽略不计，降雨全部成为洪水。设计洪水总量比天然条件下明显增大，确定工程规模时，须对工程蓄水前后设计洪水的变化进行比较，合理确定相应的设计洪水成果。结合陕甘宁盐环定引黄工程建成前后流域下垫面的变化，计算不同下垫面产流量，对其影响进行评价，结果表明：一遇设计洪量的绝对值增加了7.7万m3，增幅达31.2%。当工程规模较小的时候，设计洪水增加后，则有可能对泄洪设施规模带来比较大的影响。

微流域；蓄水工程；设计洪水；计算

1 微流域的定义初探

汇集地面水和地下水的区域称为流域，流域分水线包围区域的平面投影面积，称为流域面积。流域面积、河网密度、流域长度和平均宽度、平均高度和平均坡度等均为流域的基本特征参数，地理位置、气候特征、下垫面条件等为流域的自然地理特征。流域如何分级，尚未查到有明确的划分标准。

上世纪八十年代，陕西省编制了《中小流域设计暴雨洪水图集》（以下简称“暴雨图集”）。关于“暴雨图集”的使用范围，有如下规定：控制使用的流域面积范围一般应在1000 km2以下；推理公式法适用面积范围为300 km2以下，300 km2~500 km2供参考使用；瞬时单位线法适用面积范围为300 km2~1000 m2，1000 km2~1500 km2供参考使用。“图集”使用说明中提出“特小流域”1小时以内设计点雨量的计算方法，但未定义明确的划分标准。在进行潜流的回加计算时，陕北地区和渭北地区的黄土沟壑区，流域面积50 km2以下均不扣潜流。与“图集”同期完成的《渭南地区暨铜川市实用水文手册》规定：对于面积小于10 km2的特小流域，面平均雨量是直接采用流域中心的点暴雨量。由此可见，“暴雨图集”定义的中小流域上限为1500 km2，下限应为50 km2；流域面积小于10 km2时，可称之为特小流域。

尚未正式施行的国家水利行业标准《小流域划分及编码规范》（征求意见稿）对小流域定义如下：小流域通常是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在50 km2以下的相对独立和封闭的自然汇水区域。小流域的基本组成单位是微流域，是为精确划分自然流域边界并形成流域拓扑关系而划定的最小自然集水单元。

水土保持行业的相关规范中，小流域一般是指面积小于300 km2的流域。根据其面积大小又可分为四级：一级小流域，流域面积50 km2~300 km2；二级小流域，流域面积10 km2~50 km2；三级小流域，流域面积5 km2~10 km2；四级小流域，流域面积小于5 km2。

从陕西省的工程水文实践看，特小流域可初步定义为流域面积小于10 km2以下的流域，对应于水保行业的标准，则为三级以下的小流域。依照《小流域划分及编码规范》（征求意见稿），流域面积小于5.0 km2的特小流域，可称之为微流域。本文探讨的陕甘宁盐环定引黄工程提升改造项目拟建的陡沟蓄水池，位于定边县红柳沟镇东南方向的白于山北麓一独立的集水单元，其坝址断面的集水面积为1.78 km2，应为微流域。

2 问题的提出

2016年10月，陕西省水利电力勘测设计研究院承接了陕甘宁盐环定引黄工程提升改造项目可研阶段设计工作。该工程是为解决革命老区陕西定边、甘肃环县和宁夏盐池、同心等县部分地区人畜饮水困难，防治地方病，发展农业灌溉，改善生态而兴建的一项扬水工程，是国家“八五”重点项目，工程包括三省共用工程和三省专用工程。1990年7月，陕西专用工程开工建设，1997年试通水至定边县城。2016年，启动了提升改造工程设计，其主要任务有四项：改造分水口处的泵站，改造部分输水管线，新建输水管线至靖边县，新建一座调蓄池，即陡沟调蓄池。

陡沟调蓄池位于定边县红柳沟镇东南约5.8 km处的陡沟滩滩村南侧陡沟和泉子沟之间，属白于山北麓黄土丘陵沟壑区。坝址断面以上集水面积1.78 km2，流域形状近似呈半圆形，无明确的主汇流河槽。经调查，该沟无日常径流，仅在遭遇暴雨时产生洪水。调蓄池采用全拦全蓄的运用方式，设计标准为五十年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，设计洪水采用相应的洪量控制。

一般情况下，水文设计成果为天然状态下的设计洪水。但对特小流域、尤其是小微流域上的蓄水工程而言，采用天然设计洪水时有一定的风险。当蓄水工程建成后，形成一定面积的人工水面。人工水面和天然的流域下垫面不同，即产流、汇流条件不同。当工程蓄水后形成的水面所占的比例达到一定程度时，和天然条件下相比，蓄水后的设计洪水比明显增大。

因此，在特小流域或微流域进行蓄水工程设计时，确定水工建筑物的规模时必须对工程蓄水前后设计洪水的变化进行比较，合理确定相应的设计洪水成果，确保建筑物安全。

3 陡沟调蓄池设计洪水分析计算

陡沟调蓄水池位于红柳沟镇东南方向贺圈村和张兴庄之间，距红柳沟镇约5.8 km，为一低洼地，坝轴线高程约1476 m,最高的分水岭海拔高程1631 m，相对高差约160 m。坝址以上集水面积1.78 km2，河长2.48 km，平均比降0.045，属无资料地区。水库采用全拦全蓄的运用方式，设计洪水仅需提供设计洪水总量。依据《榆林地区实用水文手册》（以下简称“榆林手册”），通过暴雨公式进行计算。

3.1 建库前天然条件下产流量

3.1.1 设计暴雨

调蓄池地处白于山北麓，按照榆林手册，属白于山河源梁涧区，即暴雨分区Ⅲ。该区域设计暴雨历时一般不超过24 h，考虑到该水库工程的重要性及该地区暴雨的特殊性，出于工程安全考虑，本次设计暴雨时采用24 h，计算时段Δt取1 h。CS/CV取3.5，由皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数查得设计频率为P的模比系数KP，得到设计频率不同历时的点暴雨量；通过点面关系，求得设计流域不同频率的面暴雨量,点面系数取1.0。以1 h、3 h、6 h、12 h、24 h设计面雨量为控制，采用手册中确定的“24小时暴雨概化雨型”，得到陡沟流域设计面雨量时程分配结果。

按照榆林地区实用水文手册，调蓄池位于产汇流分区为Ⅳ区,以超渗产流为主。设计工况下，土壤最大蓄水量Im=100 mm，前期影响雨量Pa=1/3Im。当前期影响雨量S＜80 mm时，土壤入渗率f=14.83S-1.08mm/min；当S≥80 mm时，f=0.13 mm/min。

计算结果如下：P=0.1%，净雨量138.8 mm，相应的洪水总量为24.7万m3；P=2%，净雨量58.1 mm，相应的洪水总量为10.3万m3；P=20%，净雨量12.1mm，相应的洪水总量为2.24万m3。

不同频率面雨量及洪水总量计算结果见表1。

3.2 水库蓄水运用后产流量

表1 调蓄池不同频率的面雨量及洪水总量计算成果表

陡沟调蓄池建成后，正常蓄水位1510m，总库容为963万m3，水面面积67.4万m2，占流域总面积的的37.9%。水库蓄水运用后，降雨在水面部分全部形成产流，产流系数为1.0；水面之外的天然流域，产流计算时仍需考虑下渗量。

蓄水后的产流计算结果见表2。

表2 陡沟水库蓄水后产流量计算成果表

3.3 推荐采用的设计成果

水库蓄水运用后，产流条件发生了明显改变，产流量也较天然条件下有明显增大。以千年一遇暴雨计算结果看，水库蓄水前天然条件下，产流量为24.7万m3，水库蓄水后增加到32.4万m3，增幅为31.2%。五年一遇时变化最大，产流量增幅为166%。

从安全角度考虑，推荐采用建库运用后的计算结果作为设计依据。

水库建成前后产流量计算结果及变化情况见表3。

表3 陡沟水库蓄水前后产流量计算成果对比表

4 结语

在本例中，工程蓄水运用后，产流条件将发生明显改变。反映到设计洪水成果上，千年一遇设计洪量的绝对值增加了7.7万m3，增幅达31.2%。当工程规模较小的时候，设计洪水增加后，则有可能对泄洪设施规模带来比较大的影响。

陕西是一个水利大省，有众多的小型水利工程，尤其在陕北地区，建有数以千计的小型水库和淤地坝。近年来，随着水资源开发力度的加大，一些地方和单位在特小流域、微流域修建小型水库、蓄水工程，同时对小型水库、淤地坝进行除险加固，将其改造为水源工程。本文探讨的问题，具有一定的现实意义，其分析方法可供同行借鉴参考。

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1673-9000（2017）03-0145-02

2017-03-10

阴宇宙（1965-），男，陕西渭南人，高级工程师，主要从事水利水电工程水文设计研究工作。