莒县跋山水库设计洪水计算及调洪方案研究

宋景春，许衍磊

（山东省莒县水利局，山东 莒县 276500）

1 引言

水工建筑物在长期使用过程中，会出现不同程度的破损现象，采取加固措施是十分必要的。设计洪水位是水库加固设计的一个重要数据，可为科学、安全、经济水库工程设计提供基础数据[1-2]。结合跋山水库，对设计洪水位计算和防洪调节方案制定进行研究。

跋山水库位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等功能的大（2）型水库。水库控制流域面积1782 km2，现状总库容5.28 亿m3。枢纽工程由土石坝、砌石坝、溢洪道（闸）、放水洞、坝后水电站等建筑物组成，挡水建筑物全长2216 m，最大坝高33.65 m。水库灌溉面积48.7 万亩，坝后电站总装机容量5640 kW。水库工程设计洪水标准100年一遇，库水位179.95 m；校核洪水标准10000年一遇，库水位184.34 m。

2 设计洪水分析

2.1 实测流量资料计算设计洪水

跋山水库上游有一座大型水库田庄水库，根据田庄水库、跋山水库1961年～2008年连续48年实测水位、蓄水量、出库流量过程，采用水量平衡方程式分别推求两座水库历年历次实测入库洪水过程。

根据跋山水库历次入库洪水还原过程，扣除田庄水库相应溢洪流量，即可推算出田庄水库～跋山水库区间（以下简称田～跋区间）历次洪水过程，集水面积为1358 km2。根据田庄水库坝址至跋山水库坝址河道实测断面资料计算分析，洪峰传播时间约为6 h。

将田庄水库历次入库洪水过程与田～跋区间洪水叠加即得跋山水库天然入库洪水过程。

田～跋区间洪水及跋山水库天然入库洪水的洪峰流量及时段洪量均采用年最大值选样方法。洪量的时段分别选取6 h、24 h、72 h。

田～跋区间及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、时段洪量成果见图1。

图1 田～跋区间及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、时段洪量成果（其中1 代表田～跋区间成果、2 代表全流域成果）

2.2 历史洪水重现期论证及时段洪量的确定

2.2.1 历史洪水调查资料

跋山水库坝址处调查历史洪水共有4 场，分别为1888年、1908年、1937年和1957年洪水。跋山水库洪水调查成果见表1。

表1 跋山水库历史洪水调查成果表

跋山水库天然洪水系列中，大洪水场次较少，系列中最大的洪峰流量仅为4270 m3/s，洪峰流量大于4000 m3/s 的年份只有1962年、1963年和1984年，调查的四场历史洪水洪峰流量均大于实测系列成果。为了提高成果的可靠性，本次设计洪水计算加入四场历史洪水成果。

2.2.2 历史洪水时段洪量的推求

采用跋山水库1961年～2008年天然洪水系列的年最大洪峰流量分别与其最大6 h、24 h、72 h 洪量建立峰量关系，根据相关方程推求各场历史洪水的最大6 h、24 h、72 h 时段洪量。跋山水库各分区历史洪水洪量计算成果见表2。跋山水库流域内有大型水库一座（田庄水库）、中型水库一座（红旗水库）、小（1）型水库28 座。由于这些蓄水工程兴建年份不一，其拦蓄水量和用水量对跋山水库的入库径流有一定的影响。为使径流资料具有较好的一致性，需进行天然径流量还原计算。在计算中，考虑蓄水影响程度及水文资料情况，采用划分单元区进行计算，划分田庄水库以上单元及田庄水库～跋山水库单元。

表2 跋山水库历史洪水洪量计算成果表

2.2.3 历史洪水重现期

1888年为四场历史洪水的最大值，距今120年。但根据史料，1730年洪水为1730年～2008年的第一大洪水，1888年洪水为该时期第二大洪水，以此计算1888年洪水重现期为140年。

2.3 统计参数分析计算

2.3.1 统计参数分析计算

根据加入历史洪水组成的不连序洪水系列，按矩法估算洪水系列统计参数，采用P-Ⅲ型频率曲线，取CS=2.5CV进行适线，以理论频率曲线与经验点据拟合较好为原则，确定统计参数计算成果。跋山水库、田～跋区间设计洪水计算成果见表3。

表3 跋山水库天然入库洪水、区间洪水不同频率设计洪峰流量、时段洪量成果表

本次计算考虑上游田庄水库的调蓄影响。跋山水库的设计洪水过程线由田～跋区间洪水过程线与田庄水库调洪后下泄的洪水过程线组成。

设计洪水的地区组成采用同频率地区组成法。选定田庄～跋山区间出现与跋山水库同频率的洪量，田庄水库以上相应洪量总数按水量平衡原则推求。田庄水库相应频率洪水洪峰流量、洪量成果见表4。

表4 田庄水库相应频率洪峰流量、洪量成果表

2.4 分区单元设计洪水过程线的推求

采用同频率放大典型洪水过程线法推求田～跋区间及田庄水库不同频率设计洪水过程线。

2.4.1 典型洪水过程线的选取

典型洪水过程线应选取峰高量大、主峰集中且能代表本流域大洪水特性、对水库防洪不利的洪水。经综合分析，选取1963年7 月19 日至7 月22 日区间洪水作为田～跋区间典型洪水，选取相应时间田庄水库入库洪水作为田庄水库典型洪水。

该场洪水峰高、量大，其洪峰流量位于系列中第二位，各时段洪量均为系列中最大值，其3 h、6 h 洪量占24 h 洪量的比例分别为21.6%、42.9%，与不同频率设计洪水3 h、6 h 洪量占24 h洪量的比例接近，因此1963年7 月19 日洪水更能代表本流域洪水特性，田～跋区间、田庄水库典型洪水过程见图2。

图2 田～跋区间、田庄水库典型洪水过程

2.4.2 放大方法

采用分时段同频率控制法，即用同一个频率的洪峰流量和各时段的洪量控制放大典型洪水过程线。

2.5 跋山水库设计洪水过程线的推求

2.5.1 田庄水库调洪

按照以下原则对田庄水库进行洪水调节计算：起调水位采用原设计汛限水位310.64 m。洪水调节计算按两级控制，低于20年一遇防洪高水位按600 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按1000 m3/s 控制下泄，超过50年一遇防洪高水位为自由敞泄。

2.5.2 跋山水库设计洪水过程线的推求

跋山水库设计洪水过程线由田庄水库泄流过程线错时段与田～跋区间洪水过程线迭加而成。

2.6 设计洪水成果修正

跋山水库流域建有小（1）型水库28 座，其它小（2）型水库及塘坝若干座，总控制流域面积236.71 km2，总兴利库容0.396 亿m3，总库容0.74 亿m3，分别占跋山水库总面积、兴利库容、总库容的13.2%、14.8%、14.0%，其中总库容占田～跋区间10000年一遇24h 洪量的9.6%。以上小型水库均无详细的洪水记录资料，无法就其对跋山水库入库洪水的影响作定量分析计算。但从定性角度分析，小型水库的拦蓄会影响跋山水库的入库洪水水量，特别是中小水年份，拦蓄水量比较多，从而削减了水库的入库洪水水量。实测系列中绝大部分洪水为中小洪水，由此计算的设计洪水成果有偏小的可能。另外由于上游小水库防洪能力较低，跋山水库发生校核标准洪水时，小水库溃坝的可能性较大。鉴于以上原因，为了水库防洪安全，应对跋山水库校核标准洪水增加安全修正值。

通过对资料条件、抽样误差、上游小型水库影响程度等进行综合分析，结合本流域实际情况，确定对跋山水库校核标准（100年以上）设计洪水的洪峰流量和不同时段洪量均增加10%的安全修正值，以确保水库防洪安全。跋山水库不同频率设计洪水洪峰流量、不同历时洪量见表5。跋山水库设计洪水过程线成果见图3。

表5 跋山水库不同频率设计洪水洪峰流量、不同历时洪量

图3 跋山水库设计洪水过程线

3 洪水调节方案

3.1 水位～库容～泄量关系

本次跋山水库除险加固工程初步设计拟对原溢洪闸进行改建，溢洪闸16 孔，单孔净宽10 m，闸底板高程为171.0 m。跋山水库溢洪闸改建后水位～库容～泄量关系见表6。

3.2 洪水调节计算

3.2.1 洪水调节计算原则

（1）起调水位

按水量平衡原理对水库进行洪水调节计算，起调水位采用兴利水位178.00 m。

（2）控制运用方式

跋山水库防洪调度方案按20年一遇、50年一遇两级控泄。

第一级安全泄流量为2000 m3/s，相应防洪标准为20年一遇，其控制断面为沂水县城附近沂河老桥，20年一遇洪水水库控泄主要是保护沂河堤防，水库下游跋山～沂水区间河道堤防防洪保护区内现状人口15 万人，耕地20 万亩。

表6 跋山水库水位～库容～泄量关系表

第二级安全泄流量为3120 m3/s，相应防洪标准为50年一遇，其控制断面为北社拦河坝，该标准主要是保护水库下游沂水县城。沂水县城区现状人口28 万，规划到2020年人口达50万人，水库下游重要基础设施有S229、S335 两条省道。

根据水库1985年测绘“跋山水库下游洪水淹没范围及群众转移路线图”，在保证水库自身防洪安全的前提下，充分发挥水库拦蓄洪水、削峰错峰的作用，跋山水库管理处编制了“防洪调度方案”。水库防汛调度满足洪水调度方案编制要求，此次洪水调节按现有的两级控制计算。

20年一遇设计洪水，按2000 m3/s 控制下泄，得到20年一遇防洪高水位；50年一遇设计洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，得到50年一遇防洪高水位；100年一遇及以上设计洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，超过50年一遇防洪高水位自由敞泄。

3.2.2 洪水调节计算成果

根据选定的跋山水库设计洪水成果，按洪水调节计算原理及控制原则进行调算。不同频率设计洪水调节计算成果见表7。

表7 跋山水库设计洪水调节计算成果表

4 结论

跋山水库除险加固工程中设计洪水推求是十分重要工作内容，为了计算出合理的设计洪水成果，采用实测数据收集、历史洪水调查、参数统计分析等方法，充分考虑了上游田庄水库及其他小（1）型水库和塘坝等工程对跋山水库洪水的影响，得到不同频率下的设计洪水成果，并对跋山水库的洪水调节方案进行分析，可为类似工程提供参考。