杨柳水库设计洪水计算方法及合理性分析

2018-03-09

四川水利 2018年1期

(四川水利职业技术学院，四川都江堰，611830)

1 概述

四川省小流域分布广、数量多，在中小型水利水电工程设计中经常会遇到小流域设计洪水计算问题。目前四川省小流域洪水计算方法主要采用暴雨洪水推理公式法，下面以四川省宜宾市珙县杨柳水库为例，详尽阐述该方法的计算过程及步骤，以期为四川省类似小流域的洪水计算提供参考。

杨柳沟为小溪沟右岸支流，发源于长宁县马铃岩，河流由东向西经箭竹湾、吊脚楼、大窝头后折向西南流，经河坝头、杨柳坝、学堂坡、大湾头，于田坝头汇入小溪沟。杨柳沟集雨面积11.6km2，河流全长6.37km，加权平均比降51.1‰。杨柳水库坝址以上集雨面积9.86km2，多年平均流量0.242m3/s，年径流量762万m3，是一座以农业灌溉用水及城镇供水、农村人畜用水为主的小(1)型水库。

小溪沟流域属中亚热带湿润季风气候区，夏季多暴雨或大暴雨。暴雨一般发生在5～9月，大暴雨多发生在6～8月，具有强度大、历时短、笼罩面小的特点。珙县气象站实测最大1日暴雨量为225.1mm，周围其他雨量站实测最大暴雨量也在200mm左右。小溪沟流域属山区性河流，洪水主要由暴雨形成，洪水过程具有峰高、量不大，陡涨陡落，过程尖瘦，历时短的特点。洪水过程多为单峰，过程一般不超过1天。

2 历史洪水调查

为弄清杨柳水库坝址区河段历史上发生大洪水的情况，设计组于2014年12月进行了一次洪水调查，调查到1980年7月发生了一场特大洪水。通过实测洪水断面及水面线，采用曼宁公式计算的洪峰流量为178m3/s。根据珙县气象站提供的资料，该洪水对应的最大日暴雨量为223.4mm，这场暴雨是有资料记载以来(1957-2014年)最大的一次，其重现期初步定为58年(2014-1957+1=58年)，由暴雨洪水同频率推断该场洪水的重现期也为58年。

3 坝址设计洪水计算

杨柳水库为小(1)型水库，工程等别为四等，其主要建筑物为4级，根据GB50201-2014《防洪标准》，主要水工建筑物设计洪水标准为2%(50年一遇)，校核洪水标准为0.1%(1000年一遇)。

小溪沟流域无实测水文观测资料，周围也无可参证的类似小流域，故杨柳水库坝址设计洪水计算按《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(以下简称《暴雨手册》)，采用推理公式法推求。

3.1 坝址以上流域特征值

根据1∶1万航测图量算，杨柳水库坝址以上流域特征值见表1。

表1 杨柳水库坝址以上流域特征值

注：河道平均比降采用干支流面积加权平均值。

3.2 设计面雨量

设计流域无实测暴雨资料，根据《四川省暴雨统计参数图集》(2010版)查得小溪沟流域各历时暴雨及变差系数值，成果见表2。由于坝址以上集水面积仅9.86km2，直接用点雨量代替面雨量成果。

表2 小溪沟流域不同时段设计面雨量成果

3.3 产流参数

参照《暴雨手册》对产流参数μ的地区分区，结合本流域自然地理和下垫面情况，本设计流域产流参数选用Ⅲ区(盆缘山区、川西南山地)。

产流参数：

μ=3.6F-0.19Cv=0.23Cs/Cv=3.5。

3.4 汇流参数

汇流参数是反映汇集特性的参数，与河网调节作用、水力学特性以及气候条件等密切相关。根据本流域所在地区和下垫面情况，选取Ⅱ区(盆缘山区)，汇流参数m采用以下公式确定：

当θ=1～30，m=0.318 θ0.204；

当θ=30～300，m=0.055 θ0.72。

3.5 设计洪峰计算

流域洪峰流量计算采用推理公式，即：

式中：Q——最大流量(m3/s)；

ψ——洪峰径流系数；

S——暴雨雨力(mm/h)；

τ——流域汇流时间(h)；

n——暴雨公式指数；

F——集水面积(km2)。

坝址设计洪峰流量成果见表3。

表3 杨柳水库坝址设计洪峰流量计算成果

3.6 坝址设计洪水总量计算

设计洪水总量由设计暴雨量按《暴雨手册》中综合分区的暴雨径流关系求得。根据《暴雨手册》综合成果，采用由暴雨推求洪水总量，公式为：

WP=0.1αHTPF=0.1hF

式中：T——单峰洪水对应的设计暴雨历时(h)；

WP——设计洪水总量(万m3)；

HTP——历时为T的设计暴雨(mm)；

F——设计流域面积(km2)；

α——径流系数；

h——径流深(mm)。

经计算，杨柳水库设计暴雨历时T=22.7h。根据《暴雨手册》，T小于24h小时，设计暴雨量按短历时设计暴雨公式计算，即：

HTP=H24P(T/24)(1-n3)

式中：HTP——历时为T日的设计暴雨量(mm)；

H24P——年最大24h设计暴雨量(mm)

T——设计暴雨历时(h)；

P——设计频率(%)；

n3——暴雨衰减指数；

按以上参数计算得杨柳水库坝址的设计暴雨量，见表4。

表4 杨柳水库坝址设计暴雨量计算成果

径流系数α根据《暴雨手册》对各分区暴雨径流关系分析，确定杨柳水库所在地区的暴雨径流关系见表5。

表5 小溪沟流域暴雨径流关系

按表5暴雨径流关系，根据杨柳水库坝址以上流域设计暴雨量查算径流系数，然后按公式WP=0.1αHTPF=0.1hF计算杨柳水库坝址的设计洪水总量，结果见表6。

表6 杨柳水库坝址设计洪水总量成果

4 设计洪水成果合理性分析

在暴雨形成条件与下垫面条件相近的地区，洪峰流量的设计值与流域面积有密切的关系。表7是本工程坝址处、漂水岩水库、县城水闸工程及兴文县新坝水库四个不同站的设计洪水成果，从表中可以看出，集雨面积越小，洪峰模数越大。另外与调查的历史洪水成果进行比较，调查到的1980年洪水洪峰流量为178m3/s，重现期为58年，与本次洪水计算成果接近。因此，本次计算结果是合理的。