王家咀水库设计径流分析

吕 莎

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 前言

年径流的大小取决于年降水量和年蒸发量，以及流域蓄水变化量。前两项属于流域气候因素，后一项主要取决于流域下垫面因素及人类活动情况。现行的水文频率计算要求水文事件发生值必须在同一条件下获得。水文站实测流量系列随时间的变化均呈现下降趋势，这种非一致性使传统水文统计方法的适用性受到了挑战。随着我国经济飞速发展，人类活动对水资源的影响日益显著。

流域实测径流水文序列的一致性是建立在气候条件和下垫面条件相似的基础上。一般认为，区域气候条件变化缓慢，可近似看做是稳定不变的，但区域下垫面条件因人类活动加剧产生变化，影响水文年径流时间序列的一致性。近三十年来，这种影响日渐显著，大量水利工程的修建，植树造林，水土保持工作等的实施，使原有的下垫面发生了极大的改变，许多水文站的实测流量资料与天然实际情况之间差别很大。因此，在利用这些水文观测站的长系列径流资料作水文计算之前，必须对径流资料进行修正，还原到天然实际径流状况，即进行径流还原计算。本文结合王家咀水库现有资料，对设计径流进行分析计算。

1 概况

王家咀水库坝址位于旬邑县城西北部的百子沟，水库坝址区距离旬邑县城30 km，百子沟位于旬邑县西部，属泾河一级支流。该工程以灌溉为主，由水库工程和灌区工程两大部分组成。在满足工程断面下游河道生态基流用水的前提下，充分利用水资源，优先满足3500 亩烟草灌溉用水，再根据水资源条件及建库条件“以供定需”满足小麦、玉米及苹果的灌溉用水，促进当地农业的发展。枢纽主要建筑物由均质土坝、开敞式溢洪道及导流泄洪洞组成，大坝、溢洪道及泄洪洞为4 级建筑物，其它次要建筑物为5 级。

百子沟位于旬邑县西部，属泾河一级支流，发源于旬邑县职田镇，主沟道从东北流向西南，流域面积236.6 km2，河长40.2 km，河道平均比降10.7‰。该流域属黄土台塬区，黄土层深厚，土质疏松，地形破碎，沟壑纵横，植被稀少，水土流失严重，遇到暴雨时，很容易形成高含沙水流，严重影响区域的地质和水文环境，进而诱发地质灾害问题。为改变这种现象，2010 年前后该沟道已建成骨干坝11 座，中型淤地坝14 座，小型淤地坝20 座，工程合计库容1425.96 万m3，拦泥库容646.86 万m3，滞洪库容779.1 万m3，新增坝地114.41 hm2。百子沟流域王家咀水库及其上游骨干坝分布见图1。

图1 王家咀水库及其上游骨干坝分布示意图

2 径流还原法计算参证站设计径流

2.1 径流还原法

人类活动的加剧，使流域原有的下垫面条件发生剧烈变化，大部分水文观测断面的实测年径流序列与天然情况有很大差异。年径流还原法以水量平衡为基本原理，利用现有的调查资料，将改变水量逐项还原到天然状况。径流还原计算过程中，要将全部影响因素进行还原，将大大提高调查成本，还可能存在部分影响因素的调查难度大或调查不到的情况。因此，在具体操作时，需结合实际情况，去除那些对径流形成影响不大的因素。径流还原法的计算公式是：

式中：W天然为还原后的天然径流量；W实测为实测的径流量；W还原为还原的总水量；W灌为农业灌溉耗水量；W工为工业用水量；W蓄为水库蓄水变化量；W损为水库损失水量；W引为其他流域引水量。

2.2 淳化水文站年径流还原

淳化水文站年径流系列的还原是在调查得到流域上游水库取用水等资料的前提下，将淳化水文站逐日径流资料修正到原有的天然状态下。考虑到近30 年冶峪河流域下垫面变化情况，对淳化水文站径流系列进行一致性修正，提出淳化水文站天然流域状态下逐日年平均径流量，以及天然流域状态下满足不同保证率的设计年径流。

收集淳化站1961 年～2015 年55 年实测流量资料。淳化水文站基本断面以上有城前头、武家山、后沟、子房沟、辛店、五合、营盘等7 座小（二）型水库，其任务主要以防洪、灌溉、养殖为主。五合水库建成于1960 年，其余七座水库均建成于20 世纪70 年代，总库容为372.3 万m3。

该方法的使用步骤：①按照淳化水文站雨量站分布情况采用站点平均雨量计算法；②根据建设水利工程运行情况、各个水利工程实际控制流域面积及水库有效利用库容等，确定还原系数。水库基本情况见表1。

表1 冶峪河淳化站基本断面以上水库基本情况统计表

据调查，七座水库建成以后，在几十年运行过程中，溢洪道均未发生溢流现象，汛期、非汛期的径流均全拦全蓄、全部利用。鉴于此，采用集水面积扣除法进行径流还原计算。具体如下：淳化站基本断面以上集水面积为282 km2，扣除当年正常运行的小水库集水面积后，计算出相应的径流模数；以此径流模数乘以小水库的集水面积，即为当年的拦蓄水量，将其作为本年还原的径流量部分；还原径流量与同期实测淳化水文站年径流量之和，即为本年的淳化水文站以上流域的天然径流量。以此类推，即可得到还原后的天然径流系列。

还原计算结果表明，淳化站基本断面上游的七座小水库多年平均拦蓄水量127 万m3；淳化站1961 年～2015 年多年平均径流量1184 万m3，计入小水库的拦蓄量后，天然径流量为1311 万m3，集水面积282 km2，平均径流模数为4.65 万m3/（km2·年），多年平均径流深46.5 mm。

2.3 参证站设计年径流量

采用矩法初估统计参数，P-Ⅲ型曲线适线，对淳化站1961 年～2015 年55 年天然径流系列进行频率分析。在计算水文样本频率时，通常由已知的CV估算CS，通过附表查出与各设计频率P 所对应的KP，绘制出P-Ⅲ频率曲线。通过目估适线观察，调整不同倍比CS，绘制出最终的年径流频率曲线，在该曲线上查出满足设计保准率频率P的设计值X p。适线参数及计算结果见表2。

表2 淳化站不同频率径流量表 单位：万m3

3 王家咀水库设计径流

以淳化站为参证站，使用水文面积比拟法，并采用面降雨进行修正，计算得到王家咀水库坝址断面多年平均天然径流量：

式中：W设、W参分别为设计断面和参证站径流量；F设、F参分别为设计断面和参证站集水面积；P设、P参分别为设计断面和参证站多年平均面雨量。

面雨量rM的基本公式是对各点实测雨量ri以与该点所代表的面积Ai作为权重，对其进行加权平均值计算：

以不同的方法决定Ai，得到不同的面平均雨量计算方法。

冶峪河淳化站以上采用安子哇、卜家村、秦河、淳化4 个雨量站的雨量资料进行计算，百子沟面雨量采用新民、职田、湫坡雨量站。推求出王家咀水库坝址上游流域多年平均面雨量为599.3 mm，冶峪河流域多年平均面雨量为589 mm。各设计断面年径流量计算成果见表3。

表3 王家咀水库各设计断面年径流量计算成果表

4 结论

1）王家咀水库推荐坝址设计年径流为241.9 万m3。

2）径流还原法针对库坝等工程建设及流域下垫面产生改变，以此对径流产生影响，这种方法对径流进行水量还原修正，计算过程归因明确，且具有很强的可操作性。

3）径流还原法对水文站点及资料的完整度需求很高，需要按照不同年份的取用水资料，依照不同区域，分别进行还原计算。例如：它要求选取雨量站合理分布、流域内雨量资料充足、掌握流域内各淤地坝逐年淤积情况，上游取用水情况。