虎山水库设计洪水计算分析

张 磊 任泽垠 田黎明

(1.南阳市水利建筑勘测设计院,河南 南阳 473003；2.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司,河南 南阳 473003)

1 工程概况

虎山水库位于长江流域唐白河水系三夹河支流丑河上，坝址在河南省唐河县东南马振抚乡小栗园村西的虎山脚下，流域面积199km2，主干流长35.2km，河道平均比降0.003，流域形状似扇形。水库上游位于桐柏山北麓浅山丘陵区，上游湖北省境内有烈士陵、刑川两座中型水库，总汇流面积40km2，河南省境内有5座小型水库，总汇流面积为14.35km2。上述两省7座中小型水库总汇流面积54.35km2，占虎山水库坝址以上丑河总流域面积的27.3%。

虎山水库是按大型水库管理的省重点中型水库，下游保护对象十分重要，采用洪水标准为100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。100年一遇设计水位141.80m，相应库容7820万m3；2000年一遇校核水位143.15m，总库容9616万m3；兴利水位139.50m，相应库容5444万m3；死水位128.50m，死库容500万m3。

2 水文基本资料

虎山水库于1972年底竣工，水文工作在1973年开始，虎山水文站对该水库的降雨量、蒸发量、入库水量、出库水量、库水位、洪水要素等进行观测记录。并对1973—1988年的水文资料进行了整编刊印，1988年至今的资料基本为原始记录。虎山水库流域内分布有郭桥、前庄、张马店、大张庄等雨量站，受所收集资料情况的限制，不能满足由实测点雨量推算面雨量的计算要求，只能采用图集查算设计面雨量。

平氏水文站位于唐河支流三夹河上，在丑河入三夹河口上游7km处。该水文站控制流域面积748km2，1965年以来有较为完整的流量观测资料。

3 径 流

根据水库实测入库径流资料系列计算，虎山水库多年平均径流量为4560万m3，相应径流深229mm，与图集查算的径流深250mm相比偏小，这与近10多年整体来水量偏少有关。经频率分析，径流变差系数Cv=0.60，离差系数Cs=2Cv，则75%年份径流量2550万m3，95%年份径流量为1160万m3。

4 设计洪水计算

4.1 用05图集推理公式法计算设计洪水

根据河南省水利厅关于试行《河南省暴雨参数图集(2005年版)》(豫水办〔2007〕7号文)的通知，设计暴雨洪水依据《河南省暴雨参数图集》(以下简称05图集)查算暴雨参数，沿用与1984年版图集(以下简称84图集)相配套的洪水查算图表推求洪水。

4.1.1 设计暴雨

利用05图集提供的10min、1h、6h、24h 4种历时的暴雨参数，分别计算10min、1h、6h、24h共4种历时的设计暴雨，包括设计时段点雨量、面雨量和暴雨递减指数。

a.设计点雨量，采用下式计算：

(1)

b.设计面雨量，根据水库所在的水文分区，查短历时暴雨时面深(t-F-α)关系图，求得不同历时暴雨的点面折减系数α值，乘以设计点雨量即得设计面雨量。

c.设计暴雨递减指数n，按照暴雨历时关系，n分为3段：1h以下为n1，1～6h为n2，6～24h为n3，本流域设计暴雨递减指数采用下式计算：

(2)

(3)

(4)

式中：n1P、n2P、n3P分别为3种时段的设计暴雨递减指数；H10＇P、H1P、H6P、H24P分别为同频率P的年最大10min、1h、6h、24h设计点雨量。

各种频率的设计点雨量、面雨量及暴雨递减指数见表1。

表1 水库设计暴雨成果

续表

4.1.2 产流计算

根据24h降雨量查该流域所在分区的次降雨径流关系P+Pa-R曲线得24h净雨量。P为24h设计面雨量，Pa为设计前期影响雨量，50年一遇以上的稀遇频率Pa=Imax，10～20年一遇Pa=2/3Imax。水库流域属河南省的第Ⅱ水文分区，Imax=45mm，30年一遇Pa取35mm，50年一遇以上频率Pa=45mm。24h设计净雨量见表2。

表2 水库设计净雨量计算结果

4.1.3 汇流计算

a.洪峰流量计算，根据《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》规定，流域面积小于200km2时，应用推理公式法计算洪峰流量，基本公式为

(5)

(6)

(7)

式中：Qm为设计频率洪峰流量，m3/s；ψ为洪峰径流系数；τ为洪峰汇流时间，h；F为流域面积，km2；L为设计断面至主河沟分水岭的河长，km；J为河道平均坡降；S为设计频率最大1h降雨量，mm/h；n为设计频率的暴雨递减指数，按照相应的汇流历时取值：当τ<1h代入n1；τ=1～6h代入n2；τ=6～24h代入n3；μ为平均入渗率，依照计算流域所在的水文分区及下垫面特点根据图集选定，mm/h；m为汇流参数，据计算流域所在的水文分区由84图集(θ-m相关线)查定，其中：

θ=L/(F1/4J1/3)

(8)

b. 24h洪量计算，计算公式如下：

W24=1000RF

(9)

式中：W24为24h洪量，m3；R为24h净雨深，mm；F为流域面积，km2。

水库设计洪峰、洪量成果见表3。

表3 设计洪峰洪量计算成果(05图集复核)

经采用05图集和推理公式计算，100年一遇洪水洪峰流量为2366m3/s，24h洪量为5646万m3；2000年一遇设计洪水洪峰流量为4095m3/s，24h洪量为9149万m3。

c.设计洪水过程线，采用概化过程线叠加的方法计算，逐时段净雨过程按24h净雨概化时程分配表分配。

计算时将设计洪峰Qm和τ对应τ时段的最大平均净雨强度，按等腰三角形概化，其顶高为Qm，底宽为2τ，Qm对应于τ时段末位置。其他主峰前后各个τ时段的净雨量Rτ，当τ不够整时段时，可按小时平均分配取值。以各个τ时段净雨平均强度计算各次峰的洪峰流量，按等腰三角形概化的各τ时段的Qi，分别与自身τ时段末的位置相对应，即可得到24h洪水过程线。

4.2 用淮上法计算设计洪水

根据84图集规定，对流域面积大于200km2的采用淮上法计算设计洪水，虎山水库流域面积为199km2，较为接近，用淮上法计算设计洪水，暴雨参数仍采用05图集。

4.2.1 单位过程线

虎山水库流域特征值为：流域面积F=199km2，主河流长L=35.2km，河道平均比降J=0.003；有效洪峰带面积AV=73.5km2，有效洪峰带宽度BAV=9.8km，有效洪峰带中心至大坝距离Lx=15km，有效洪峰带中心至大坝坡度SLX=0.0017；有效洪峰带坡度SAV=0.0023。单位线要素见表4，由此计算雨强单位线。

表4 单位线要素成果

4.2.2 设计洪水过程线

根据不同频率24h净雨过程及时段单位过程线，计算不同频率设计洪水过程线，见表5。由此计算虎山水库设计洪水成果：QP=0.05%=4734m3/s，QP=1%=2991m3/s。

表5 淮上法设计洪水过程线

4.3 用水文比拟法计算设计洪水

虎山水库位于丑河上，距丑河入三夹河口4km。平氏水文站距虎山水库坝址较近，同在三夹河流域，降雨及下垫面条件类似，考虑采用水文比拟法由平氏水文站实测洪水推求设计洪水。

根据平氏水文站1965—2014年共50年实测年最大洪峰流量资料系列，以平氏站为参证站，虎山水库坝址处为设计站，按面积比的0.5次方换算为虎山水库坝址处的洪峰流量系列，然后再对换算后的洪水系列进行频率计算。由此计算虎山水库设计洪水成果为：QP=0.05%=3467m3/s，QP=1%=1965m3/s。

与推理公式法和淮上法相比，水文比拟法计算成果偏小，这与虎山水库流域内多为浅山丘陵区而平氏站流域地势相对平坦有关。

4.4 2002年除险加固设计洪水成果

南阳市水利建筑勘测设计院于2002年1月编制《河南省唐河县虎山水库除险加固工程初步设计报告》，经河南省水利厅和长江水利委员会审查通过予以批复。

设计洪水：采用平氏水文站水文比拟法、84图集推理公式法和淮上法分别进行了计算，经分析采用84图集推理公式法计算成果：100年一遇设计洪水为2599m3/s，24h洪量为5101万m3；2000年一遇设计洪水为4531m3/s，24h洪量为8006万m3。

4.5 设计洪水成果选用

本次采用推理公式法、淮上法及水文比拟法计算的虎山水库设计洪水与2002年除险加固设计的设计洪水比较见表6。

表6 虎山水库设计洪水成果比较

从表6可以看出，洪峰流量用淮上法计算成果最大，比推理公式法偏大10%以上，洪量与本次计算基本一致；洪峰流量用水文比拟法计算成果最小，比推理公式法偏小15%左右。3种方法中水文比拟法计算成果最小，不利于工程安全且与实际情况不符，不宜采用。

淮上法与推理公式法均为经验公式计算法，采用的《河南省暴雨参数图集》是经过批准认可并与邻省图集在周边处协调对接过的，可以用于跨省流域的暴雨洪水计算；另外，流域区内的上游湖北省两座中型水库、河南省5座小型水库也有一定的削减洪峰调节洪水作用。因此，淮上法与推理公式法两种计算成果中宜采用较小的推理公式法成果。

出于安全考虑，仍采用2002年除险加固设计洪水成果，即虎山水库100年一遇设计洪水洪峰流量为2599m3/s，24h洪量为5101万m3；2000年一遇校核洪水洪峰流量为4531m3/s，24h洪量为8006万m3。

5 设计洪水的合理性分析

虎山水库设计洪水与同为唐河水系的石步河水库、宋家场水库以及虎山水库上游邢川水库的洪峰模数比较结果见表7。

表7 虎山水库与周边水库洪水比较

可以看出，虎山水库的洪峰模数在合理范围内，并且与同在三夹河支流上的石步河水库的洪水成果较为接近。综上分析，本次设计洪水计算成果选取是合理的。

6 结 语

虎山水库设计洪水采用图集推理公式法、淮上法和利用邻近水文站实测洪水流量资料的水文比拟法计算，对设计洪水计算过程所依据的基本资料、计算方法及其主要环节、采用的各种参数和计算成果进行多方面分析，选定合理计算成果。

综上所述，设计洪水计算方法很多，有实测流量资料，采用频率分析法计算设计洪水；有实测暴雨资料，采用频率分析法计算设计暴雨，并由设计暴雨计算设计洪水；有邻近地区实测洪水或暴雨资料，进行地区综合分析计算设计洪水；在没有实测资料时，对于流域面积小于200km2的采用推理公式法，大于200km2的采用淮上法。设计洪水的计算应根据不同工程情况、不同流域面积、不同边界条件采用不同的计算方法，或者采用两种以上方法计算；资料短缺地区的设计洪水计算和可能最大洪水计算，应采用多种方法，并论证成果的合理性，经过综合分析后科学合理地选取计算成果。꿴