地区组成法在水库设计洪水计算中的应用研究

焦营营

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003）

1 研究背景

在江河流域治理开发中， 设计断面上游有调蓄作用较大的水库或分洪、蓄洪等工程，对洪水具有调节作用，改变了天然洪水的状况，直接影响下游设计断面的设计洪水[1]。SL 144—2006《 水利水电工程设计洪水计算规范》规定：“ 当设计断面上游有调蓄作用较大的水库或水库对下游有防洪任务时， 应对大洪水的地区组成进行分析， 并拟定设计断面以上或防洪控制断面以上设计洪水的地区组成”。

推求设计断面受上游水库调蓄影响的设计洪水计算方法主要有地区组成法、频率组合法和随机模拟法[2]。 地区组成法研究当设计断面发生设计标准的天然洪水时，上游水库及区间洪水地区组成情况。 频率组合法频率曲线为基础，计算各种组合下水库的调洪对设计断面洪水的影响。 随机模拟法通过建立设计断面及各分区洪水过程线的模拟模型， 利用随机生成任意长洪水资料系列进行调洪计算， 得出设计断面洪水的频率曲线及设计值。 地区组成法是推求设计断面受上游水库或其他工程调节影响后的设计洪水的一种常用的简便方法。本文基于同频率地区组成法， 以甘肃省崇信县庙台水库为研究对象，推求受上游水库调节后的设计洪水，为工程设计提供依据。

2 研究方法

地区组成法包括典型年法和同频率地区组成法[3]。 典型年法是从实测资料中选取有代表性、 对防洪不利的大洪水作为典型，以设计断面的设计洪量为控制，按典型年各区洪量占设计断面设计洪量的比例，计算各区相应的洪量，实际计算中选择恰当的典型年是关键。 同频率地区组成法是根据防洪要求，选定某一分区出现与下游设计断面同频率的洪量， 其余分区相应洪量按水量平衡原则推求。

A 为上游水库，C 为设计断面，A 和C 之间为无控制的区间B。研究以C 断面为设计断面，上游A 断面与区间B 2 部分洪水的地区组成。 研究以下2 种同频率地区组成：（ 1）当下游设计断面发生设计频率P的洪水量WC，P时，上游水库也发生频率P的洪水量WA，P，区间B发生相应的洪水量WB，即WB=WC，P-WA，P。（ 2）当下游设计断面发生设计频率P的洪水量WC，P时，区间B 也发生频率P的洪水量WB，P，上游水库发生相应洪水量WA，即WA=WC，P-WB，P。

3 实例应用

3.1 工程概况

汭河是泾河上中游右岸的一级支流，发源于六盘山、陇山分水岭的东麓，流经华亭、崇信，于泾川县城西侧汇入泾河，干流全长117km，纵坡0.527%，流域面积1 645km2。 汭河中游建有铜城水库， 坝址以上控制流域面积1 146km2， 主河道长度59.9km，河床比降12.5‰。 庙台水库位于汭河干流上，距崇信县城约16.5km，坝址以上控制流域面积1 152.7km2。

3.2 水文基本资料

汭河干流自上而下设有安口、袁家庵水文站，上游南北汭河交汇口设有华亭水文站。 庙台水库距上游安口水文站约7.6km，距下游袁家庵水文站约51.1km。其中，安口水文站建于1975 年1 月，控制流域面积1 129km2，具有1975 年至今的资料。 庙台水库距安口水文站较近，二者在植被、地质、气象、水文等特征具有较好的相似性，采用安口水文站为参证站。

3.3 设计洪水

汭河干流大洪水均由大面积暴雨形成， 汛期一般集中在6～10 月，主汛期7～9 月，一次洪水过程平均约为3d，峰型以单峰为多，洪水具有峰高量大的特点。

3.3.1 历史洪水调查

根据《 甘肃省洪水调查资料》， 安口水文站附近共有1921 年、1940 年、1938 年、1954 年、1955 年、1966 年6 次 大洪水，成果都较为可靠。 其中，1921 年所发生的洪水为最大，调查历史洪水流量为1 220m3/s，重现期按照1921 年以来最大取100 年。1940 年洪水也作为特大洪水，其余洪水与实测最大洪水相比量级不大，按照实测考虑。 实测洪水过程历时一般约3d，统计1d、3d 洪量，独立选样挑选年最大值，建立1d 洪量与洪峰关系，插补特大洪水洪量，重现期与洪峰相同。 3d 洪量按实测系列计算。

3.3.2 参证站设计洪水

安口水文站流域内有石堡子水库和王峡口水库， 汛期低水位运行， 泄洪设施全开泄洪。 石堡子水库位于策底河上，2010 年5 月建成， 调洪计算后削峰相对于安口水文站流量所占比例较小。王峡口水库位于北汭河上，1977 年12 月建成，坝址以上控制流域面积117km2，仅占安口水文站的10.3%。 考虑区间来水较大，因此，认为两水库对水文站的实测洪水影响不大。 根据安口水文站1975—2017 年实测加历史洪水资料，选取年最大洪峰流量、最大1d 洪量、最大3d 洪量，采用P-Ⅲ曲线适线，计算安口水文站的设计洪水成果。

铜城水库初设采用1975—1999 年实测年最大洪峰资料，加入1921 年、1940 年、1938 年、1954 年历史洪水进行频率计算，考虑了几场历史调查洪水，且偏于安全，成果可靠合理。 本次延长系列至2017 年， 设计洪水成果比铜城初设阶段的小（ 20%设计值除外），设计洪峰流量偏小5%以内，最大1d 洪量偏小3%～22%， 最大3d 洪量偏小10%以内。 铜城初设阶段1921 年特大洪水重现期为80 年， 延长系列后2000 年以来洪水量级不大，1921 年洪水重现期变为100 年，频率曲线上特大洪水点据左移，（ 变差系数）Cv（ 表示系列的离散程度，Cv=标准差σ/平均值x）减小，设计值相应减小。 本次设计也考虑了历史洪水，从工程设计偏安全角度考虑，安口水文站设计洪水仍采用铜城水库初设阶段的成果。

3.3.3 考虑铜城水库影响的设计洪水

庙台水库上游约1.6km 有已建成的铜城水库，设计洪水受上游铜城水库影响。洪水地区组成有2 种：（ 1）庙台水库与铜城水库同频率设计，庙台—铜城区间为相应洪水；（ 2）庙台水库与庙台—铜城区间同频率设计，上游为相应洪水。 因区间面积较小，洪水不起主要作用，因此，第（ 1）种洪水组成对水库不利。 庙台水库与铜城水库同频率设计，区间相应组合计算各分区设计洪水成果，区间相应洪量为庙台水库天然洪量减去铜城水库天然洪量。选择安口水文站峰高量大的1981年8 月21 日实测过程线为铜城水库典型， 设计洪水过程线放大时采用峰量同频率放大法，放大后适当修正，使得放大后的洪量和不同频率的设计洪量相等。 铜城水库运用方式为蓄清排浑，6 月中旬～10 月中旬空库敞泄泄洪排沙。 按照水库洪水调度原则进行调洪计算， 铜城水库调洪后的下泄流量过程加上庙台—铜城区间相应洪水即为庙台水库受上游水库调蓄后的设计洪水，庙台水库设计洪水成果如表1 所示。

表1 1 庙台水库设计洪水成果表

4 结论

本文采用同频率地区组成法，选用最不利组合“ 设计断面与上游水库同频，区间相应”，计算受铜城水库调蓄后的庙台水库设计洪水。 分析了铜城水库对庙台水库洪水的削减作用，结果表明：500 年一遇洪水削峰率为29%，50 年一遇洪水削峰率为16%，20 年一遇以下洪水基本无削峰作用。 计算成果可为工程设计提供依据。