南城子水库洪水序列展延和调洪演算

卢金江，宁 聪，张凯馨

(1. 铁岭市南城子水库管理局，辽宁 铁岭 112304；2.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

设计洪水是确定水利水电工程建设规模及制定运行管理策略的重要依据[1]。推求设计洪水的常用方法主要是洪水频率分析和 PMP/PMF 估算[2-4]。洪水频率分析需要较长的连续洪水序列，若洪水序列较短或实测期内存在缺测年份，经常通过相关分析对洪水序列进行插补延长。常用方法有利用上下游站资料插补、利用本站峰量关系插补和利用流域暴雨资料插补[5]。在南城子水库设计洪水复核中，实测期洪水资料存在缺测年份，必须对洪水序列加以延长。本文通过建立南城子站天然洪水与实测洪水的相关关系推求缺测洪水，实现了实测期洪水序列的延长，以供设计洪水复核和调洪演算使用。

1 研究资料

1.1 水库概况

南城子水库位于辽宁省开原市威远堡镇南城子村，辽河三级支流叶赫河下游。水库始建于1958年，主体工程于1965年竣工，是一座大(2)型水库。1994年，南城子水库进行了除险加固设计，加固后水库防洪标准为100 a一遇设计,5000 a一遇校核。

转山湖水库位于南城子水库上游41.58 km处,吉林省梨树县梨树园子村附近。水库建于1978年，控制面积121 km2，河长18.32 km，河道平均比降3.98‰，防洪标准为100 a一遇洪水设计，500 a一遇洪水校核。

1.2 水文资料

南城子水文站始建于1952年，目前拥有1952—1958年、1962—2012年系列的实测流量资料。此外，辽宁省水利水电勘测设计院分别在1966年及1987年用清河的东石人沟站资料对南城子站缺测年份洪水进行了插补，插补年份为1935—1945、1950、1951、1959—1961年。

转山湖水库对南城子水库运行有很大影响，在设计洪水复核中不可忽视。现有1994年南城子水库除险加固设计时收集的转山湖水库1981—1990年水库观测资料，1991年以后该水库资料缺失。该水库调度运行方式未发生变化。

2 设计洪水复核

2.1 历次洪水复核成果

1966年的《南城子水库溢洪道技术设计》，水库标准为100 a一遇洪水设计，1000 a一遇洪水校核。设计洪峰由手册查算，七日洪量频率计算采用系列为1935—1945年、1950—1960年22 a系列，1951年洪水按重现期120 a的第二位处理，100 a一遇洪峰流量为2810 m3/s，七日洪水总量1.69亿m3；1000 a一遇洪峰流量为4430 m3/s，七日洪水总量2.52亿m3[6]。

1994年的《南城子除险加固初步设计》，剔除了1951年之前插补的年份系列，采用洪峰洪量系列为1951—1990年系列，其中1951—1980年系列采用《修订辽河流域规划》的成果；同时考虑转山湖水库的影响,对1981—1990年的洪水进行了还原计算，1951年洪水按重现期147 a(1884—1990年)的第二位处理[7]，成果见表1。

表1 除险加固初步设计阶段采用设计洪水成果

2.2 南城子洪水序列延长

本次设计洪水复核中1935—1945年，1950—1980年洪水系列采用《修订辽河流域规划》成果，1981—1990年洪水系列采用南城子水库除险加固初步设计成果。

同时对南城子站1991—2012年洪水系列进行了展延，由南城子水库观测资料推求实测洪峰、洪量。由于缺乏1991—2012年转山湖水库观测资料，1991—2012年南城子水库天然洪水按1981—1990年南城子站天然洪水与实测洪水相关关系推求。通过点绘相关点距发现天然洪水与实测洪水间存在线性相关关系，建立一元线性回归模型：

yi=a+bxi

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:yi为天然洪水，m3/s;xi为实测洪水，m3/s;n为样本数，各相关关系见图1～图4。

图1 南城子天然洪水与实测洪水相关图

图2 南城子站天然1 d与实测1 d洪量相关图

图3 南城子站天然3 d与实测3 d洪量相关图

图4 南城子站天然3 d与实测3 d洪量相关图

经本次延长后南城子洪水系列为1935—1945、1950—2012年，其中1951年洪水按重现期170年(1844—2012年)的第二位处理。南城子洪水频率计算考虑两种方案：

(1)洪水系列选用1935—1945、1950—2012年共计74 a系列。

(2)洪水系列选用1951—2012年连续62 a系列，剔除1951年之前的插补年份。

经频率适线两种情况计算的洪水水文参数相同。

比较表1和表2可知，由于近年无特大洪水，本次系列延长后，南城子水库设计洪水小于1994年除险加固初步设计成果。为安全计，本次设计洪水维持水库除险加固初步设计成果，见表2。

表2 本次复核南城子设计洪水成果表

2.3 设计洪水合理性分析

绘制南城子水库及临近各水库的设计洪峰、洪量与流域面积、设计三日洪量与流域面积的双对数相关图，分析点据分布是否与流域暴雨及地形等因素相适应[8]，结果见图5～图6。公式见式(5)～式(6)：

Q=aS2/3+b

(5)

W3=cS+d

(6)

式中：Q为设计洪峰，m3/s;W3为设计三日洪量，106m3;S为流域面积，km2;a,b,c,d为拟合系数。

可见各水库设计洪峰基本与面积呈2/3次方关系，设计三日洪量与面积呈线性关系，符合洪水地区分布规律，表明南城子水库设计洪水成果基本合理。

图5 南城子及附近各水库设计洪峰与面积关系图

图6 南城子及附近各水库设计3 d洪量与面积关系图

2.4 南城子设计洪水

现有1951年南城子洪水过程线和1953年南城子实测洪水过程。1951年洪水过程线由暴雨径流关系推求，并与清河干流新立屯和区间洪水过程线组合到开原。其洪峰与开原站调查值相接近，过程线形状也较相似。1994年水库除险加固初设阶段用1953年实测洪水过程为典型进行了比较，1953年洪水过程较矮胖，加倍放大以后峰型修正太多，过程线变形过大[7]。故最终采用1951年洪水过程线为典型，主峰按洪水调查值3090 m3/s修正。南城子100 a一遇及5000 a一遇设计洪水过程线见图7。

图7 南城子100 a一遇及5000 a一遇设计洪水过程线图

3 调洪演算

汛限水位为149.00 m，调洪原则为采用溢洪道泄流，以水位控制为主，水位达到149.00 m，当入库流量小于溢洪道下泄流量时，以入库流量为下泄流量；随着入库流量增加逐步加大溢洪道下泄流量直至达到其最大下泄流量。

表3 南城子水库洪水调节成果表

由表3可见，本次复核成果与除险加固初步设计成果差别不大，本次复核的100 a一遇设计洪水位152.29 m，略高于原设计洪水位152.09 m(20 cm)，本次复核的5000 a一遇校核洪水位156.04 m，略低于原校核洪水位156.31 m(27 cm)。鉴于两次复核结果相差较小，特征水位仍沿用除险加固成果，即100 a一遇设计洪水位为152.09 m，5000 a一遇校核洪水位为156.31 m[9]。

4 结 论

在缺乏上游转山湖水库观测资料的条件下，本文提出建立1989—1990年南城子天然洪水和实测洪水的相关关系，利用南城子实测洪水插补1991—2012年南城子天然洪水序列的方法，并通过点绘洪峰、洪量与流域面积关系图验证设计洪水的合理性。利用延长后的洪水序列推求设计洪水和调洪演算，取得了良好的效果，证明该方法在洪水序列插补延长上行之有效。