考虑上游水库影响的沙河设计洪水分析

田 皎，张志霞，高 倩

(西安市水利规划勘测设计院，陕西 西安 710054)

1 流域概况

沙河位于西安市周至县境内，属黑河的一级支流，渭河的二级支流，发源于秦岭北麓官城梁，上游称骆峪河，在出峪后约4 km处与辛口河汇流后称为沙河，向东北方向流去，经县城东，后向东流，于富仁乡高王号注入黑河。沙河汇流面积137 km2，河道最大汇流长度43 km，河槽平均比降16‰。

沙河上游在西骆峪峪口建有西骆峪水库，该水库是一座集防洪、灌溉、城市供水、养殖等综合效益的小(1)型水库，水库坝址以上流域面积82.7 km2，河道长度18.5 km，河槽平均比降45.3‰。

2 洪水特性

沙河的洪水主要是由暴雨形成的，暴雨的特性决定该河的洪水特性，洪水最早发生在4月，最迟发生在10月，量级和强度较大的暴雨一般发生在7月～9月。沙河产流方式为蓄满产流，形成洪水具有峰高、量大、历时短的特点。

3 设计洪水计算

沙河上游建有西骆峪水库，西骆峪水库坝址以上设计洪水过程经水库调洪后，其下泄过程与西骆峪水库坝址～沙河入黑河口区间过程叠加，即为沙河受上游水库调蓄影响后的设计洪水过程。则本次沙河洪水的计算包括以下内容：(1)西骆峪水库坝址以上天然洪水计算；(2)西骆峪水库调洪演算；(3)西骆峪水库坝址～沙河入黑河口区间洪水计算；(4)西骆峪水库下泄洪水与区间洪水的叠加形成设计洪水。

3.1 西骆峪水库坝址以上天然洪水计算

沙河流域无实测水文资料，本文以“多种方法，多种途径，综合分析，合理选定”的原则，采用地区经验公式法、水文比拟法以及推理公式法3种方法计算水库坝址设计洪水。

3.1.1 地区经验公式法

地区经验公式法为《西安市实用水文手册》中采用实测和调查洪水，利用面积和洪峰流量建立经验关系的计算方法。计算不同频率洪水洪峰流量的经验公式为：

QN=kNFn

式中：QN为设计重现期为N的洪水洪峰流量，m3/s；kN为经验参数；n为面积指数；F为设计流域面积，km2。

根据《西安市实用水文手册》中相关参数：当流域面积F在50 km2～1000 km2之间时，Q20=25.06F0.465。根据上述公式计算得西骆峪水库20 a一遇设计洪水洪峰流量为195 m3/s。

3.1.2 水文比拟法

沙河流域内无水文站，流域东邻有黑河黑峪口水文站及涝河涝峪口水文站，黑峪口水文站控制黑河流域面积1481 km2，涝峪口水文站控制涝河流域面积347 km2。黑河虽邻近，但其源头及集水面积主要在深山区，靠近太白山降雨量大，且两者流域面积相差较大，可比性差。涝河与沙河属同一水文相似区，气候特征、洪水发生规律和季节分布均相似，下垫面条件较相似，可采用涝河涝峪口水文站作为参证站计算沙河设计洪水。

根据《陕西省洪水调查资料》及涝峪口水文站实测资料，涝河流域发生过3场大洪水，即1898年、1957年、1987年洪水。1898年洪水为最大洪水，洪峰流量为1070 m3/s，洪水重现期为120年；1957年洪水排在第二位，洪峰流量为904 m3/s；1987年洪水排在第三位，洪峰流量为624 m3/s。

根据涝峪口水文站1944年～2018年实测洪水系列，加入1898调查洪水，按不连续系列进行频率计算。洪峰流量计算时，将1898年洪水作为特大值处理，重现期为120年。实测1957年洪水、1987年洪水按照特大值处理与在长系列中排频频率相差不大，因此，本次不将上述两年洪水作为特大值处理。以矩法计算统计参数作为初始值，采用P-Ⅲ型曲线适线，得到涝峪口水文站20 a一遇洪水洪峰流量为537 m3/s。

按水文比拟法推求设计洪水的计算公式为：

Qp设=Qp站×(F设/F站)n

式中：Qp设为设计洪峰流量，m3/s；Qp站为参证站设计频率的洪峰流量，m3/s；F设为设计流域面积，km2；F站为参证站流域面积，km2；n为面积指数取0.667。

根据上述公式计算得，西骆峪水库20 a一遇设计洪水洪峰流量为206 m3/s。

3.1.3 推理公式法

(1)设计面雨量

西骆峪水库坝址以上流域面积为82.7 km2，根据《西安市实用水文手册》设计流域面积为50 km2～100 km2时，设计暴雨历时为6 h。根据《西安市实用水文手册》中1 h、3 h、6 h点雨量等值线图，查算治理段以上流域不同历时的设计点雨量的均值及变差系数，再由各历时的设计点雨量乘以点面折减系数，计算不同历时的设计面雨量。沙河治理段不同历时设计点、面雨量成果见表1。

表1 沙河不同历时设计点、面雨量成果表

(2)设计面降雨过程

由《西安市实用水文手册》查沙河所在区设计暴雨的雨型分配，计算设计流域P=5%的暴雨时程分配，见表2。

(3)产流过程

设计流域处于渭河以南地区，产流模式属于蓄满产流。利用暴雨径流相关图，即P+Pa～R曲线，用分时段查算方法推求产流量。流域土壤最大蓄水量为Im=70 mm，设计情况下前期影响雨量为Pa=2/3Im=46.7 mm，初损量为I0=Im-Pa=23.3 mm。计算得到P=5%的产流过程，见表2。

(4)净雨过程

将产流过程各时段的产流量累加起来即为产流总量，乘以20%可得潜流总量，潜流总量除以潜流历时即得时段平均潜流量。由产流过程扣除时段平均潜流量，即得P=5%的净雨过程，见表2。

表2 西骆峪水库设计面降雨过程及产流过程

(5)地面径流洪峰流量

汇流参数：设计流域属于渭河南区，m值计算采用渭河南公式计算。

θ=L/(F1/4×J1/3)

m=0.0614×θ0.75

经计算，沙河的汇流参数m=0.52。

表3 西骆峪水库Qm-τ关系曲线表

由净雨过程的计算公式：Qm=0.278(∑ht/t)F，计算得Qm-t关系曲线，见表4。

表4 西骆峪水库Qm-t关系曲线表

将Qm-τ曲线和Qm-t曲线点绘于同一张图上，曲线交点的纵坐标为洪峰流量，横坐标为汇流历时τ，因此可得西骆峪水库地面径流洪峰流量：P=5%时，Qm=175 m3/s，τ=7.65 h。

(6)地下潜流的回加

潜流过程按等腰三角形计算，潜流总量R潜=72.65 mm-58.12 mm=14.53 mm，最大潜流量采用公式Q潜max=0.278R潜·F/T计算，可得沙河治理段Q潜max=9.83 m3/s。

以地面径流过程线起点为潜流起点，并将峰值置于地面径流过程线的终点，T潜=2T=68.00 h，即得到潜流过程线。

将地面径流与地下潜流过程线进行叠加，可得设计洪水过程线，见表5。则西骆峪水库坝址以上20 a一遇设计洪水洪峰流量为177 m3/s。

表5 西骆峪水库设计洪水过程线

3.1.4 设计洪水成果选用及合理性分析

将上述3种方法计算的西骆峪水库坝址以上洪水成果汇总见表6。

表6 西骆峪水库坝址以上洪水计算成果汇总表(P=5%)

由表6可以看出，采用水文比拟法计算的西骆峪水库坝址以上流域20 a一遇洪水成果最大，推理公式法成果最小，经验公式法成果居于两者之间。涝河涝峪口水文站控制流域面积大，源流处于中深山区，河流汇流长度长，西骆峪河位于浅山区，流域面积小，汇流长度短，水文比拟法成果偏大。考虑到西骆峪水库除险加固工程已通过审批，且已实施完成，本次西骆峪水库20 a一遇设计洪水计算与西骆峪水库除险加固工程的计算方法保持一致，采用推理公式法的成果，即西骆峪水库20 a一遇洪水洪峰流量为177 m3/s。

3.2 西骆峪水库调洪演算

西骆峪水库溢洪道进口高程580.00 m，堰宽18 m。水库不设汛限水位，洪水调节从580.00 m起调，起调库容301.36万m3。利用西骆峪水库水位-库容曲线及溢洪道下泄流量曲线，根据水量平衡原理进行水库的调洪演算，调洪计算成果见表7。

表7 西骆峪水库洪水调洪演算成果表(P=5%)

由表7可看出，西骆峪水库20 a一遇洪水溢洪道最大下泄流量为142 m3/s。

3.3 西骆峪水库大坝～沙河入黑河口区间洪水

西骆峪水库～沙河入黑河口区间流域面积54.7 km2，最大汇流长度30.6 km，最大汇流比降1.25%，区间洪水计算方法与西骆峪水库计算方法一致，即采用推理公式法计算。设计暴雨历时为6 h，根据设计频率的暴雨量，扣除初损及潜流量后的净雨量，得到地面径流量，叠加地下潜流量后，得到区间20 a一遇设计洪水洪峰流量为86.9 m3/s，设计洪水成果见表8。

3.4 西骆峪水库下泄洪水与水库以下区间洪水过程的叠加

根据西骆峪水库调洪验算成果表，西骆峪水库20 a一遇设计洪水最大下泄流量为142 m3/s，涨峰历时为9.2 h，西骆峪水库以下区间20 a一遇洪水洪峰流量86.9 m3/s，涨峰历时10.67 h。根据1/10000地形图量算，西骆峪水库坝址至沙河入黑口距离为24.5 km，区间河床比降约为4‰，河道宽度40 m左右，经计算，区间洪水行进时间约为3.17 h，西骆峪水库下泄洪水洪峰比区间洪峰晚1.7 h达到设计区段。将西骆峪水库下泄洪水与区间洪水错峰叠加得到沙河20 a一遇设计洪水过程线，洪峰流量为216 m3/s。

表8 区间设计洪水成果表

4 结论

本文通过考虑上游西骆峪水库的调蓄影响，对沙河设计洪水进行计算，采用3种方法计算西骆峪水库坝址处设计洪水，并通过合理性分析，确定水库坝址处的设计洪水采用推理公式法成果，经过水库调蓄，将西骆峪水库下泄洪水与区间洪水错峰叠加得到沙河20 a一遇设计洪水洪峰流量为216 m3/s，可为沙河防洪工程建设提供技术支撑。