石宝岩水库洪水计算与分析

殷朝阳

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

拟修建的石宝岩水库位于贵州省江口县坝盘镇，坝址以上油房沟干流集水面积4.18 km2，河长3.26 km，比降66.8‰，是一座纳入国家和贵州省有关规划的小（1）型水库。大坝结构形式采用混凝土面板堆石坝，工程等别为Ⅳ等，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇。主要向下游提供灌溉和村镇生活用水。

在水库水文计算过程中发现，石宝岩水库流域内无水文及气象测站。邻近各水文站控制流域面积与水库流域相差过大，不宜选取为参证站；距离设计流域8.4 km处有江口气象站，与设计流域降水及下垫面条件相似，且成果可靠，精度较高。因此本次以江口气象站为暴雨参证站，采用1959年至2013年（水文年）实测降雨资料，用以分析、计算石宝岩水库坝址设计径流、设计洪水。

1 径流计算

1.1 径流特性

设计流域所在河流属典型的山区雨源型河流，径流主要由降水补给，径流特性与降水特性基本一致。该区径流洪枯悬殊，年内分配不均，汛期4月～9月径流量占全年径流量的70%以上，多年平均径流深800 mm～900 mm之间。

1.2 设计降水

根据测站的分布情况，选择江口气象站作为石宝岩水库流域降水分析计算的参证站。经统计江口县气象站历年降雨资料，按P-Ⅲ曲线进行适线计算，得到江口气象站多年平均降水量均值为1334.5 mm，变差系数Cv=0.16，Cs=2Cv。

根据测站降水量统计均值及变差系数，流域降水分布规律与《贵州省地表水资源》上的有关等值线图相吻合[1]。结合“贵州省1956年～2000年降水量均值等值线图”和“贵州省1956年～2000年降水量变差系数等值线图”，设计流域多年平均降水量在1300 mm～1400 mm等值线之间，年降水变差系数在0.16左右，结合参证站长系列降水统计成果以及地表水资源相关等值线图，确定设计流域多年平均降水量为1334.5 mm，降水变差系数Cv=0.16，Cs/Cv=2。设计流域不同频率降水量计算成果见表1。

表1 设计流域各时段不同频率降水量计算成果表 （单位：mm）

1.3 坝址径流计算

1.3.1 流量计算

项目所在流域属无资料地区，以江口气象站作为降雨径流年内分配参证站，坝址径流采用“降雨径流同频率相应法”计算。

根据降水量分析成果，设计流域多年平均降水量为1334.5 mm，经查“贵州省1956～2000径流系数均值等值线图”，该流域多年平均径流系数为0.62，则设计流域多年平均径流深y=1334.5 mm×0.62=827.4 mm。

石宝岩水库坝址控制集水面积4.18 km2，坝址处年均径流量根据公式W=0.1·y·F计算，经计算得坝址多年平均径流量为346万m3，多年平均流量Q=0.11 m3/s。

1.3.2 年径流变差系数的确定

根据贵州省经验公式：

式中：Cv为年降水量变差系数（0.16）；F为流域面积（小于100 km2按100 km2计算）；α 为多年平均径流系数（0.62）；r、β、m 为地区性经验系数，取 r=1.1、β=0.04、m=0.7。

经计算得到年径流变差系数Cv=0.22。

查《贵州省地表水资源》中，“贵州省1956年～2000年年径流变差系数等值线图（集雨面积F＜300 km2）”，水库所在流域径流变差系数在0.25～0.30之间，结合等值线图走势以及小流域径流特性，确定水库年径流变差系数Cv=0.28，偏态系数Cs=2Cv=0.56。

1.3.3 枯水分析计算

石宝岩水库所在流域无长系列实测枯水流量资料，因此枯水只能通过调查和实测确定。2014年5月设计单位进行枯水调查和测量。采用三角堰测流，坝址处流量为12.5 L/s，反推枯水模数约2.99 L/s·km2，通过调查走访当地村民知该河流从未断流，水量最小的时候有实测的三分之二左右，发生在2010年2月份。通过测流以及调查，推算最枯日流量模数2.0 L/s·km2左右。

查《贵州省枯水调查等值线图》，并结合临近的芦家洞水文站枯水分析，设计流域最枯月枯水模数为3.5 L/s·km2左右，Cv取0.30，Cv/Cs=2.5，则石宝岩水库坝址以上流域P=95%最枯月枯水模数为2.02 L/s·km2左右，与前面枯水控制模数2.0 L/s·km2相当，取值合理。设计流域最枯月枯水模数按2.0 L/s·km2控制。

1.3.4 径流计算成果

根据水库坝址径流的统计参数，计算不同频率下的径流量、流量。如下，表2为坝址径流计算成果表，图1为石宝岩水库坝址年径流量频率曲线图。

表2 石宝岩水库坝址径流计算成果表

图1 石宝岩水库坝址年径流量频率曲线图

2 洪水计算

2.1 暴雨特性

设计流域属贵州省暴雨低值区，一般4月份进入汛期，9月份结束，大暴雨集中在5月～8月份，历时一天左右，24小时降水量可达100 mm以上，冷锋低槽和两高切变是形成这种天气的主要原因。历年最大一日降水量发生月份统计表如表3所示。

表3 历年最大一日降水量发生月份统计表

2.2 洪水特性

设计流域属山区雨源性河流，洪水由流域内暴雨产生，洪水特性与暴雨特性基本一致，洪水具有涨峰历时短，陡涨陡落等特点，洪水多发生在每年的5月～8月，以7月份发生洪水的机率最大。设计流域面积小，主河道短，洪水汇流时间较短，洪峰出现时间较早，一般在1.5 h之内，退水时间一般在1天左右，涨、退水历时主要取决于降雨在时空上的分布。

2.3 历史洪水

根据实际走访和洪痕调查，1995年油房沟曾发生较大洪水。经分析，将1995年洪水重现期定为60年，根据曼宁公式及实测纵横断面资料，计算历史洪水水面线时糙率取值为0.055，比降为0.015，得出石宝岩水库坝址的历史洪水成果，如表4所示。

表4 历史洪水成果表

2.4 设计暴雨

设计流域无水文测站和雨量站，采用江口气象站作为暴雨计算参证站。统计江口县气象站1959年～2014年56年最大一日降雨资料，按P-Ⅲ曲线进行适线计算，得到江口气象站多年平均最大一日暴雨量为92.9 mm，变差系数Cv=0.55，Cs=3.5Cv。将最大一日降雨换算成最大24 h暴雨：H24 h=1.12*H1日，计算得年最大24 h降水量均值为104 mm。

查《贵州省暴雨洪水计算实用手册》上“贵州省年最大24 h点雨量均值等值线图”、“贵州省年最大24 h点雨量Cv值等值线图”、“贵州省年最大1 h点雨量均值等值线图”、“贵州省年最大1h点雨量Cv值等值线图”，设计流域最大24 h暴雨在110 mm～120 mm等值线之间，变差系数在0.50以上；设计流域最大24 h暴雨在45 mm等值线左右，变差系数为0.40左右。暴雨统计成果表见表5.

表5 暴雨统计成果表 （单位：mm）

由于本次设计未收集到测站最大1 h暴雨资料，故其最大1 h暴雨统计资料参照相关等值线图进行取值。根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册》上“贵州省年最大1 h点雨量均值等值线图”以及“贵州省年最大1 h点雨量Cv值等值线图”，设计流域最大1 h点雨量均值为45 mm左右，变差系数0.40左右。根据相关等值线图成果，确定设计流域最大1 h暴雨统计参数为H1h=45 mm，Cv=0.4，CS/CV=3.5。根据最大24 h、1 h暴雨统计参数，计算不同频率下设计暴雨，成果见表6和图2。

表6 设计流域最大24h、最大1h暴雨设计成果表 （单位：mm）

图2 最大一日降水量频率曲线图

2.5 设计洪水

2.5.1 坝址设计洪水计算

由于设计流域内无实测水文资料，因此采用“雨洪法”计算坝址洪水[2]。根据确定的暴雨参数(H24h=115 mm，Cv=0.52，Cs/Cv=3.5；H1h=45 mm，Cv=0.4，Cs/Cv=3.5)和量算的流域参数，按《贵州省暴雨洪水计算实用手册》和《贵州省特小流域暴雨洪水计算手册》(修订稿)规定，水库流域面积小于10 km2，其计算公式如下：

式中：Qp为设计频率P的洪峰流量，m3/s；r1为汇流系数，r1=0.38(设计流域为高山间山丘区，植被一般，属Ⅱ2区)；f为流域形状系数，f=F/L2；L为主河道河长；J为分水岭至出口断面的河道平均比降，m/m；F为流域面积，km2；C1为洪峰径流系数，（0.845～0.4967，P=0.33%～20%）；Sp为设计最大 1 h 点雨量，mm。

坝址设计洪量采用贵州省暴雨洪水计算实用手册推荐的扣损法计算，计算公式为：

式中：Wp为设计一次洪水过程洪量,以万m3计；H24p为设计洪水径流深, 以 mm 计，H24p=φ×H24p-(35+ΔHs)，ΔHs=Δ（24-T），Δ=1.0 mm/h。

将流域参数代入以上计算公式，计算得石宝岩水库坝址处不同频率天然设计洪水，成果见表7。

表7 石宝岩水库坝址设计洪水成果表

2.5.2 坝址设计洪水过程线

根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中的入库洪水概化线坐标，同时结合本流域的特点，推求石宝岩水库（天然）设计洪水过程线，结果见图3。

2.5.3 洪水成果合理性分析

从暴雨统计参数来看，以江口气象站作为参证站，暴雨统计参数与《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中相关暴雨等值线图是吻合的；从区域综合分析角度看，以石宝岩水库坝址（天然洪水）为例，本次设计洪水P=0.33%～20%洪峰模数为21.9 m3/s·km2～13.1 m3/s·km2（洪峰面积影响指数 n=0.89），符合贵州省特小流域洪峰流量模数分布规律。另外，1995年调查历史洪水洪峰流量为86 m3/s，重现期为60年一遇，根据雨洪法计算石宝岩水库坝址P=1.67%洪水洪峰流量为88 m3/s，设计洪水与历史调查洪水接近，本次设计洪水成果是合理的。

3 结语

本文以江口气象站作为暴雨参证站，采用降雨径流同频率相应法计算以坝址径流，采用雨洪法计算坝址洪水，对石宝岩水库洪水进行分析计算，得到合理的洪水成果。通过对石宝岩水库洪水进行研究，为水库工程提供了设计依据的同时，对确保水库功能和效益充分发挥和下游防洪安全也起到重要作用。