小涧河水库设计年径流量分析及评价

赵 俭

（运城市水文水资源勘测站，山西 运城 044000）

小涧河水库位于中条山东部地区，是运城市降水量较多的区域。流域河川径流主要由降水形成，径流量随降水量的增减而增减。降水量年内分配不均匀，年际变化较大，河川径流的季节分配也不均匀，丰枯变化悬殊，对水库建设及运行具有重要影响。本文以“多种方法，综合分析，合理选定”为原则[1]，对流域年径流量进行分析计算。

1 流域概况

小涧河位于闻喜县河底镇后元头村以南三岔口处，是涑水河流域沙渠河一级支流，水库坝址以上控制流域面积24 km2，流域总长6.5 km，平均宽度3.7 km，平均比降30‰。水库设计总库容171.8万m3，设计灌溉面积0.5万亩，是一座以防洪、灌溉为主的小（1）型水库。

根据《运城地区水文计算手册》小涧河水库流域属中条山东部地区（I区）:

（1）流域上游8.6 km2位于深山区（I-1区），该区地貌以森林、石山为主，中条山林区主要分布在此区。受太平洋暖湿气流控制和中条山地形的抬升作用，区内降水充沛，降水量居于运城市首位，多年平均降水量在700 mm～750 mm之间。该区下垫面覆盖较好，泥沙不大，但径流较大。

（2）流域中下游15.4 km2位于浅山区背风面（I-3区），地貌以土石山为主。本区处于中条山背风面，降水、径流比迎风面小。多年平均降水量在650 mm左右。

本流域内无雨量站和水文测站，为无资料地区。流域所属水文地理分区附近有北白石、石门、马家庙、柴家坪4个雨量站及大庙水文站。

2 设计年径流量

2.1 流域径流分析计算

本次小涧河水库河川径流分析计算，根据地区特点、资料情况，选用水文计算手册模型法、水文比拟法2种方法进行分析计算。

2.1.1 水文计算手册模型法

小涧河水库流域为无资料地区，可根据《山西省水文计算手册》（以下简称《手册》）中的年径流均值、变差系数及偏态系数相关模型、经验公式和分区参数进行流域年径流计算。

（1）基本资料

流域水文分区属于中区，控制流域面积24 km2。量算水文下垫面产流地类图册求得，变质岩灌丛山地13.1 km2，变质岩森林山地2.0 km2，黄土丘陵阶地8.9 km2。由《手册》中年降水量（1956年～2008年）均值等值线图查得流域多年平均年降水量633.8 mm。

（2）流域年径流均值计算

年径流均值计算包括地表年径流均值计算和基流计算两部分。地表年径流均值计算采用双曲正切模型法，基流计算采用基流数学模型法[2]。

①地表年径流均值计算

地表年径流均值按式（1）进行计算:

式中:为设计流域产流地类多年平均地表年径流深，mm；为设计流域多年平均年降水量，mm；th为双曲正切函数符号；Ai为某产流地类所对应的集水面积，km2；Zmi为某产流地类参数，mm。

查得，变质岩灌丛山地Zm为810 mm（一般值）、变质岩森林山地为1095 mm（一般值），黄土丘陵阶地为2400 mm（一般值）。

②基流均值计算

基流包括河道清水流量和泉水流量，按式（2）计算基流均值:

式中:为设计流域多年平均基流量，mm；为流域多年平均相对降水，即流域平均年降水均值与全省多年平均年降水均值（507.6 mm） 的比值；Ai为单地类所对应的集水面积，km2；ci为单地类参数，mm；K0i为单地类无效相对降水量。

根据流域所在水文分区，确定各产流地类相应的参数。查得变质岩灌丛山地c和K0一般值分别为50.0 mm和0.88，变质岩森林山地c和K0一般值分别为75.0 mm和0.90，黄土丘陵阶地和一般值分别为75.0mm和0.90。

③年径流均值计算

年径流均值由地表年径流均值和基流均值相加求得，即:

（3）流域年径流变差系数CVR及偏态系数CSR计算

查得流域年降水变差系数CV=0.24。根据上述求得的年径流均值，可求得年径流系数水文中区参数k=2.956，m=0.232，n=0.216。

将各已知变量和参数代入公式，求得流域年径流量变差系数为:

计算流域年径流量偏态系数:

（4）流域年径流计算

流域年径流深均值=96.2 mm，年径流量均值=231万m3，CVR=0.75,CSR=1.92，查皮尔逊-Ⅲ型曲线离均系数值ΦP表，计算设计频率的年径流，成果见表1。

表1 年径流量计算成果表（水文手册模型法）

2.1.2 水文比拟法

水文比拟法是以流域间的相似性为基础，将相似流域的水文资料移用至设计流域的一种方法。计算小涧河水库流域地表径流时，选用同属中条山东部地区背风面土石山区的大庙水文站作为参证站。

（1）资料确定

大庙水文站位于夏县瑶峰镇大庙村，为姚暹渠支流白沙河流域小河站，属中条山背风面土石山区小流域代表站。控制流域集水面积55.9 km2，干流长度12.7 km，断面形状为U型，流域平均宽度4.4 km，干流平均比降38.1‰。

大庙水文站1970年～2017年流域多年平均年降水量为650.0 mm，与小涧河水库流域同期多年平均年降水量647.4 mm相比，相差2.6 mm，说明两流域影响降水量的因素具有相似性。

大庙水文站1956年～2017年实测地表径流多年均值为564万m3。对径流系列资料进行频率分析，用P-Ⅲ型曲线进行适线[3]，优化后确定变差系数CV=0.75，倍比CS/CV=2，计算结果见表2。

表2 大庙水文站流域年径流频率分析成果表

两流域下垫面产流地类类似，影响降雨的因素也相似，具备相似流域水文比拟条件，大庙水文站可作为参证站计算小涧河水库流域径流。

（2）径流计算

两流域下垫面产流地类类似，影响降雨的因素也相似，利用大庙水文站控制流域1956年～2017年62年年降水量及年径流量资料，考虑降水量与流域面积因素，加权计算小涧河水库流域的系列，即:

式中:Wb为小涧河水库流域多年平均径流量，万m3；Wa为大庙站多年平均地表径流量，万m3；Fa、Fb为大庙、小涧河流域面积，为大庙、小涧河流域面平均降水量，mm。

利用式（3）求得流域多年平均径流量:

设计频率参数变差系数CV和倍比CS/CV同大庙水文站，计算设计频率的年径流，成果见表3。

表3 小涧河水库流域年径流计算成果表（水文比拟法）

2.2 年径流计算成果合理性分析

采用水文计算手册模型法、相似流域水文比拟法2种方法进行分析计算，小涧河水库设计年径流成果对比见表4。

表4 小涧河水库设计年径流计算成果对比表

从成果对比表得出，采用水文比拟法计算的年径流深最大为100.4 mm，水文计算手册模型法计算结果次之为96.2 mm。经综合分析，选用水文比拟法计算成果为推荐成果。

3 水库设计径流量

小涧河水库流域不同保证率年径流确定以后，还需要进行年径流年内分配计算，以便用于水库兴利调节计算。

小涧河水库年内月分配，以大庙水文站作为参证站。比较大庙水文站历年径流过程，以水文站实测年径流深与设计径流深相近为控制，并考虑年内分配不利原则选取典型年，选取不同频率来水的典型年。按典型年逐月径流量比例进行分配，得小涧河水库不同频率的设计年径流量年内月分配见表5。

表5 小涧河水库设计径流量年内月分配表 单位：万m3

4 结论

通过水文计算手册模型法、水文比拟法2种方法对小涧河水库河川径流量进行计算，并对不同方法计算成果对比分析，得出主要结论:

（1）小涧河水库所在流域为无资料地区，选用白沙河大庙水文站流域推求设计年径流方法符合规范要求，成果合理可靠，故推荐该成果。

（2）采用上述推荐成果，小涧河水库多年平均入库径流量241万m3，50%年份入库径流量198万m3，75%年份入库径流量108万m3，90%年份入库径流量57万m3，95%年份入库径流量37万m3。

（4）白沙河大庙水文站流域和小涧河流域在地理位置、气候条件以及流域下垫面条件等方面相似，属同一水文地理分区，河川径流量主要由降水形成，以大庙水文站实测年径流量年内分配百分数，按典型年同倍比放大法推求小涧河水库设计径流量年内分配是合理的。

（5）分析评价成果可为运城市小流域无水文资料地区降水量、径流量计算提供计算方法和参考依据。