拦马山水电站洪水流量设计及合理性分析

程华卫

拦马山水电站位于陕西省汉中市南郑县碑坝镇境内的嘉陵江二级支流碑坝河上游，是《碑坝河流域水电开发规划》中拦马山至川陕界河道水能资源梯级开发中的第一级水电站。电站坝址在碑坝镇拦马山段河道，距离南郑县城85 km，距离下游碑坝镇6 km，坝址控制流域面积163 km2。

1 流域概况

碑坝河发源于南郑县西河乡长梁村，为嘉陵江二级支流，先后流经西河、碑坝等乡镇。南郑县境内流长52.72 km，控制流域面积340.11 km2，其中10 km2以上流域面积支流9条，多年平均流量9.65 m3/s，河道绕行于高山峻岭之间，河身狭窄，谷身陡峭呈“V”字形，比降18.38‰，河床宽度30～50 m，具有山区河流暴涨暴落的典型特征。

本工程的主要任务是水力发电。工程由挡水坝、导流冲沙洞、发电引水洞和电站厂区四部分组成。大坝正常蓄水位912.00 m，电站装机容量6000 kW（2×3000 kW），年发电量1802万 kW·h，年利用小时数3007 h，工程规模属Ⅴ等小（2）型工程。拦马山水电站所在的碑坝河没有水文站，工程设计洪水计算需采用多种方法综合分析。

2 暴雨洪水特性

碑坝河流域内局部暴雨和洪涝灾害频繁发生，暴雨洪水多发生在在6～9月份，以7～8月份居多，洪水陡涨陡落，汇流较快，洪水过程一般为1～3天，洪峰叠加频率高，破坏性极强。2014年9月8日至10日，碑坝河流域普降特大暴雨，降雨量达253.7 mm，持续高强度暴雨，导致山洪暴发，河水猛涨，滑坡、泥石流险情发生，部分地方道路交通瘫痪，电力、通讯、供水中断。

3 设计洪水

设计洪水计算采用水文比拟法、经验公式法和暴雨资料推求法三种方法分别计算，对计算成果分析论证后推荐设计采用值。

3.1 水文比拟法

本次收集到三华石水文站1948～2015年68年实测洪峰流量系列和江西营水文站1963～2015年53年实测洪峰流量系列，根据两个水文站洪峰流量系列资料分别计算拦马山坝址设计洪水。

（1）水文站设计洪水计算

根据三华石水文站1948～2015年68年年最大流量实测系列和江西营水文站1963～2015年53年年最大流量实测系列，三华石水文站系列加入1917年历史洪水，确定1917年洪水重现期为99年，按照《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）推荐的方法，按不连续系列进行频率分析，经验频率采用数学期望公式进行计算，用矩法计算参数初估值，采用P━Ⅲ型曲线按经验适线法进行适线。适线准则是：尽量使理论频率曲线通过经验点据的中心位置，侧重考虑与上部和中部大水点据吻合[1]。三华石水文站和江西营水文站不同频率设计洪峰流量成果见表1。

表1 三华石和江西营水文站不同频率设计洪峰流量成果表单位：m3/s

（2）坝址断面设计洪水计算

拦马山水电站坝址控制流域面积为163 km2，参证站三华石、江西营水文站控制流域面积分别为578 km2、84.3 km2。采用水文比拟法推算坝址天然设计洪峰流量公式如下：

式中，Q设为设计断面设计洪峰流量；F设为设计断面处控制流域面积；F参为水文参证站控制流域面积；Q参为水文参证站设计洪峰流量；n为流域面积经验指数，取0.67。

计算结果见表2。

表2 拦马山水电站坝址天然设计洪水计算成果表 单位：m3/s

3.2 经验公式法

根据《汉中地区实用水文手册》的经验公式法计算公式：

式中，Qp为设计频率为P的洪峰流量，m3/s；F为设计断面控制流域面积，坝址163 km2；Cp，n为设计频率为P的经验参数和指数。

碑坝河流域属于江南Ⅱ区，Cp，n值详见表3，采用经验公式法计算拦马山水电站坝址不同频率洪峰流量成果详见表4。

表3 公式中经验参数及指数表

表4 经验公式法计算设计洪水成果表 单位：m3/s

3.3 暴雨资料推求法

根据《汉中地区水文手册》，查算暴雨、产流、汇流参数，推求设计洪水，本次汇流计算采用推理公式法[2]。

（1）设计暴雨

坝址以上流域面积163 km2，设计暴雨历时取12小时，暴雨时段△t=1小时。查不同历时暴雨量统计值参数Ht、Cv及Cs/Cv=3.5查Kp推求不同设计频率的点暴雨，由暴雨点面关系求得设计面雨量。成果见表5。

表5 不同频率设计暴雨量计算成果表

（2）产流计算

工程所在流域地处湿润地区，按蓄满产流计算，流域最大蓄水量Im=55 mm，前期影响雨量Pa=0.67×Im=36.7 mm，在面雨量过程上一次扣除初损雨量I0=Im—Pa=18.3 mm。采用蓄满产流计算方法求得产流过程。扣除潜流量20%，由产流过程中扣除时段平均潜流量，即得净雨过程，见表6。

表6 推理公式法累积净雨过程表 单位：mm

（3）汇流计算

①τ—Qm关系曲线

假设Qm并将m、L、J值代入下式：

式中：m为汇流参数，τ为汇流历时；L为沿主河槽从出口断面至分水岭的最长距离，为20.4 km；F为流域面积，为163 km2。

计算得τ—Qm关系曲线，见图1。

②Qm—τ关系曲线

将累积净雨量过程代入式Qm=0.278×F×∑ht/t，计算得Qm—τ关系曲线。Qm—τ和τ—Qm关系曲线见图1。

图1 Qm—τ和τ—Qm关系曲线

各频率τ—Qm关系曲线与Qm—τ关系曲线的交点的纵轴和横轴坐标分别对应各设计频率的洪峰流量和汇流时间。暴雨推求设计洪水成果详见表7。

表7 推理公式法计算设计洪水成果表 单位：m3/s

3.4 成果合理性分析

将本次计算的四个设计洪水成果进行比较，比较成果详见表8。

表8 拦马山坝址洪峰流量计算成果比较表 单位m3/s

通过对表8各个方法计算的设计洪水成果比较，可以看出经验公式法与暴雨资料推求法计算的结果较接近，两个水文站比拟法计算的结果均较小，这主要是两个水文参证站与坝址属于不同流域，且两者流域面积相差较大，三华石和江西营水文站控制流域面积分别是拦马山坝址控制流域面积的3.55倍和0.52倍，设计洪水计算结果的误差较大。暴雨资料推求法采用的本流域的设计暴雨资料，能够较好的反映该流域的实际情况。且2014年、2015年碑坝河茶园、中南、朱家坝水电站洪水由防洪墙翻进厂房，已危及到厂房安全，因此从安全角度考虑，拦马山水电站坝址设计洪水采用偏安全的暴雨资料推求法计算的设计洪水成果。

4 结语

碑坝河流域由于缺乏实测水文资料，工程设计洪水计算时要采用水文比拟法、经验公式法和暴雨资料推求法等多种方法分别计算，对计算结果比较分析，合理选用成果，能够为工程设计提供更加准确的依据。

[1]SL44-2006，水利水电工程设计洪水计算规范[S].

[2]陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算[M].北京：水利电力出版社，1985.