扶风县蔡刘水库设计洪水复核计算浅析

2021-11-08王海强张甲栋贾云龙

陕西水利 2021年10期

王海强，张甲栋，贾云龙

(咸阳水文水资源勘测中心，陕西咸阳 712000)

蔡刘水库位于扶风县绛帐镇古水村，属小（2）型水库，按照水利部（2003）271 号文“关于发布《水库大坝安全鉴定办法》的通知，做好水库的安全评定工作，是保障水库大坝安全运行的基础性工作，扶风县蔡刘水库库区淤积严重，进口已被掩埋，目前已无法使用，放水洞出口已被崩塌掩埋等。根据《水库大坝安全管理条例》的有关规定，对水库大坝进行全面的鉴定，其中最重要是大坝控制流域面积洪水复核计算，因此本文通过设计洪水复核计算，为蔡刘水库安全鉴定提供科学依据。

1 概况

蔡刘水库修建在古水村村庄西北方向一条沟道内，距县城11 km，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库。坝址以上控制流域面积21.266 km2，河长5.22 km，平均比降19.5‰。水库处于平原地区，按照《陕西省中小流域暴雨洪水图集》计算产流方式，平原区地形地貌属于蓄满产流，产流较少。因此，本次复核洪水控制流域面积包含河道及两边河堤以外，依据地形1∶5000 地形图比降为20‰，产流面积为1.35km2，河长1.97km，平均比降21.5‰。蔡刘水库位于渭河左岸一无名沟内，沟道内无实测水文观测资料，该河流洪水的形成，主要由流域内暴雨特性决定，其特点是峰高、量小、历时短、峰形尖瘦。

蔡刘水库工程于1958年10 月动工兴建，1959年3 月主体工程完成并投入运用。原设计总库容16.8 万m3，滞洪库容2.3 万m3，兴利库容12.6 万m3，死库容为1.1 万m3，属Ⅴ等小（2）型工程。

2 设计洪水复核计算

2.1 复核依据

按照水利部（2003）271 号文“关于发布《水库大坝安全鉴定办法》的通知”精神确定复核内容，其复核依据为：《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2017）；《防洪标准》（GB 50201-2014）；《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）；《水利工程水利计算规范》（SL 104-2015）；《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）。

2.2 复核方法及标准

蔡刘水库流域无实测资料和历史调查洪水资料，对洪水复核计算采用“多种途径，多种方法，综合比较，合理选定”的原则，本次蔡刘水库设计洪水，采用综合参数法、面积比拟法、推理公式法等三种方法计算，综合分析后确定采用成果。

经验公式法和推理公式法依据《陕西省中小流域暴雨洪水图集》《宝鸡市实用水文手册》采用暴雨资料推求设计洪水和经验公式法进行计算，推荐的有关特小流域洪水计算的方法；水文比拟法采用较为最近，且暴雨分区相同的漆水河设有安头水文站作为参政站，由于蔡刘水库流域面积与参证站控制流域面积超过±20%，但是蔡刘水库流域降水、径流和下垫面基本相似，可作为蔡刘水库设计洪水复核计算参考成果。按照多种方法计算、综合分析、合理选定的原则，确定设计和校核洪水。

防洪标准复核：蔡刘水库总库容16.8 万m3，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库，工程等别为Ⅴ等。主要建筑物为5 级，次要建筑物为5 级，临时建筑物为5 级。本次对照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）复核认为，蔡刘水库的工程等别、建筑物级别以及洪水标准均满足规范要求，本次复核防洪标准采用设计洪水按20年一遇洪水，校核洪水按照200年一遇洪水。

2.3 洪水复核分析计算

2.3.1 综合参数法

依据《宝鸡市实用水文手册》提供的综合参数法计算公式：

式中：Qp为设计频率为p 的洪峰流量，m3/s；F 为设计流域面积，1.35 km2；J 为河道平均比降，21.5‰；H6p为设计频率的6 小时暴雨量，mm。

设计平均雨量H6P的计算。依据《宝鸡市实用水文手册》查得H6的多年平均值为44.7 mm，相应的CV＝0.55，以CS=3.5CV计算相应的设计平均雨量见表1，根据综合参数公式计算蔡刘水库洪水复核成果见表2。

表1 6 小时暴雨量计算成果表

表2 洪峰流量经验公式法设计洪水计算成果表

2.3.2 水文比拟法

蔡刘水库所在流域内无实测的水文及雨量资料，其相邻的干流漆水河设有安头水文站，该站位于永寿县店头镇好峙河村，控制流域面积1007 km2，有1971年～2020年共50年的水文观测资料。

（1）调查历史洪水

关于漆水河历史洪水，1971年以来因工作需要，陕西省水文水资源勘测局安头水文站、陕西省洪水汇编办公室进行过大量的调查考证工作，1982年～1984年陕西省水利厅在进行全省洪水资料整编时，对这些成果又作了进一步考证，并编辑刊印于《陕西省洪水调查资料》（1984年)之中。经过翻阅地方水利志（洪水）资料，漆水河永寿县段历史上曾于1920年、1933年发生过2 场特大洪水。由于受人类活动影响，此段河道改道，调查断面又无法作还原计算，故各次洪水均未能推流定量，仅有访问记录；按大小排序为1920年洪水最大，1933年洪水次之，实测最大的2014年洪水排第三。

（2）实测洪水资料分析与处理

漆水河安头水文站设立于1971年设站，1992年断面下迁到目前位置。是渭河左岸一级支流，控制站。漆水河发源于宝鸡市麟游县招贤镇永丰村硬里沟，由沟里的山泉小溪汇聚而成，控制流域面积1007 km2。本次收集到安头水文站1971年～2020年共50年的连续实测洪水系列，实测最大洪水为2014年8 月6 日554 m3/s。

①资料的可靠性分析

漆水河安头站1971年～1989年洪水资料、1990年～2020水位及大断面资料均为水文年鉴整编成果。该站测验河段顺直，断面冲淤变化小，中低水及部分高水均采用流速仪测流，高水采用均匀浮标或中泓浮标法测流。经查阅几场大水实测流量资料，洪水过程控制完整，中泓浮标个数符合规范要求，浮标系数采用合理。

该站1971年～1989年的年最大流量系列资料、1990年～2020年最高水位系列资料连续，数据准确可靠。

②资料的一致性分析

安头水文站控制断面以上流域，该站断面以上流域宝鸡峡漆水河渡槽位于县西南部漆水河中游龙塘沟龙岩寺南，是宝鸡峡引渭工程中较大的建筑物。漆水河渡槽1969年9 月开工，1971年5 月竣工。渡槽横跨漆水河两岸，全长208.45 m，最大高度30 m。渡槽设计流量44 m3/s，校核流量55 m3/s，下游5 km是羊毛湾水库，因此羊毛湾水库不影响洪水资料，漆水河安头站1971年～2018年年最大流量资料具有一致性。

③资料的代表性分析

a.系列丰枯变化分析

由安头水文站年最大洪峰流量与历时关系图（见图1）分析得出，在50年系列中，大洪水有2007年、2014年，一般洪水有1978年、1992年；枯水年有1972年、2016年。即安头站50年洪水系列中包含有大、中、小水以及丰、平、枯时段的各种来水组合，实测洪水系列资料代表性较好，能满足本次洪水频率计算的需要。

图1 安头站历年最大洪峰流量过程线

b.统计参数稳定分析

分别逐年累计计算安头水文站年最大洪峰流量系列的累积均值、变差系数CV，并点绘其随年际变化的过程线，见图2。从图2 看以看出，随着系列值的增加，系列累积均值和变差系数CV均上趋于稳定的，由图2 可以看出，从1982年以后，即当系列长度超过38年时，年最大洪峰流量累积均值逐渐趋于平稳，并不断地向系列均值靠近，说明1980年～2020年系列的均值基本能够代表总体的均值，系列长度可以满足要求。从图2可以看出，与累积均值变化趋势相近，从2000年以后，变差系数CV趋势稳定。随着系列增长，趋于稳定，说明漆水河流域洪峰流量均值和变差系数CV值已稳定。

图2 安头站均值、变差系数CV与历时曲线图

差积曲线和距平线分析，点绘洪峰流量差积曲线和距平曲线图，见图3。从图3 中可以看出，洪峰流量差积曲线为单峰型，表示形成系列的丰、枯历时长，且变幅大，需要较长系列才可具有代表性，漆水河资料系列从1971年～2020年己达50年，具有很好的代表性。看出，不同重现期设计洪峰流量成果，《宝鸡水文手册》

图3 安头水文站最大流量差积曲线图

（1988年）、陕西省水情分析参考资料比本次计算结果相比偏大较多；陕西省防汛手册(2004)比本次计算结果相比偏小较多，原因是水文资料系列短，计算处的数据偏大或偏小；本次成果与陕西省《各基本站洪峰流量成果报告》的设计洪水成果都十分接近，并且资料系列长与防洪评价报告都已经水行政主管部门组织审查通过并批准实施。本次计算资料系列延长至2020年，其成果是合理可靠的，因此以本次计算结果为采用成果。

（3）安头站设计洪峰流量计算。

通过对1971年～2020年安头站最大洪峰统计，50年洪水系列进行频率计算。按连续系列进行频率计算，洪量统计参数的初值用距法计算。采用P-Ⅲ型曲线分析计算得安头水文站统计参数如下，其统计参数为Qm平均值=112 m3/s，CV=2.0，CS=2.5CV。各频率的设计流量成果详见表3 和设计洪水频率曲线见图4。

表3 安头水文站设计洪水计算成果表

图4 安头最大洪水频率曲线图

（4）设计洪峰流量的合理性检查

本次收集到《省水文水资源勘测中心各基本站洪峰流量成果报告》（2011）、陕西省水情分析参考资料（1977年）、《宝鸡市实用水文手册》（1988年）和陕西省防汛手册(2004)关于安头水文站的频率计算成果，并与本次计算成果加以比较，见表4。

安头水文站各个时期不同单位计算的设计洪水成果进行汇总，与本次计算成果进行分析比较，见表4。从表中可以

表4 安头水文站设计洪峰流量计算成果表

以安头水文站为参证站，采用水文比拟法计算项目区设计洪峰流量。计算公式如下：

式中：Qm设、Qm参为分别为设计站和参证站洪峰流量，m3/s；F设、F参为分别为设计站和参证站集水面积，km2；n 为指数（设计与实测控制面积差小于5%时，n 取1.0；设计与实测控制面积差大于5%～7%时，n 取0.67。此处取0.67）。计算成果见表5。

表5 洪峰流量水文比拟法设计洪水计算成果表

2.3.3 推理公式法

推理公式法是由暴雨资料推求设计洪水计算方法。

（1）设计面雨量计算

根据《宝鸡实用水文手册》，设计暴雨历时采用6 小时。从不同历时点雨量等值线图，可查得蔡刘水库不同历时的设计点雨量，由于蔡刘水库坝址控制流域面积很小，直接以流域中心的点雨量作为面雨量，不再进行点面折减，见表6。

表6 蔡刘水库坝址以上设计雨量表

（2）设计面降雨过程

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》查蔡刘水库所在区渭河Ⅱ北区的设计暴雨的雨型分配，计算蔡刘水库坝址的设计面降雨过程见表7、表8。

表7 蔡刘水库坝址P=0.5%净雨过程计算表

表8 蔡刘水库坝址P=5%净雨过程计算表

由于坝址以上流域面积很小，本次设计不作流域形状改正。

（3）产流过程

根据流域所在的产流分区渭河Ⅱ北区，按超渗产流模型，取前期影响雨量Pa=50 mm。根据平均入渗率和土壤含水量关系式推求。

（4）净雨过程

设计暴雨逐时段扣除入渗损失和时段平均潜流量，潜流百分数取15%。

（5）设计洪水洪峰流量计算

根据《陕西省中小流域暴雨洪水图集》产汇流分区图蔡刘水库流域属于渭河Ⅱ北区，则：

式中：L 为坝址以上河长，km；F 为坝址以上流域面积，km2；J 为坝址以上河道平均比降。

计算得到蔡刘水库坝址以上流域不同频率的汇流参数。

再根据汇流参数计算汇流历时：τ=0.278L/（mJ1/3Qm1/3），得到Qm～τ 关系曲线如表9 和表10。

表9 Qm～τ 关系曲线（P=0.5%，m=0.40）

表10 Qm～τ 关系曲线（P=5%，m=0.43）

再由净雨过程计算P=0.5%、P=5%的Qm～t 关系曲线，Qm～t关系曲线见表11 和表12。

表11 P=0.5%的Qm～t 关系曲线

表12 P=5%的Qm～t 关系曲线

计算公式：Qm=0.278（∑ht/t）F

将Qm～τ 曲线和Qm～t 曲线点绘于同一张图上，见图5 及图6。曲线交点的纵坐标即为洪峰流量，横坐标为汇流历时，并回加潜流，潜流峰值采用Q潜=0.556R潜F/T 计算，可得洪峰流量为：

图5 蔡刘水库坝址P=0.5% Qm-τ与Qm-t 关系曲线

图6 蔡刘水库坝址P=5% Qm～τ与Qm～t 关系曲线

根据推理公式计算洪峰流量计算结果见表13。

表13 洪峰流量推理公式法设计洪水计算成果表

3 设计洪水成果选用

将综合参数法、水文比拟法和推理公式法对蔡刘水库洪水复核计算成果汇总见表14。

表14 蔡刘水库设计洪水复核成果汇总表单位：m3/s

从表14 中可以看出：采用以上洪水复核计算方法成果差异较大，综合参数法偏大，主要原因是考虑的水文参数较少，成果偏差较大。比拟法偏小，主要是与参证站控制流域面积相差太多，水文比拟成果精度不高。推理公式法的计算结果较为合理，考虑推理公式法是我省无资料地区设计洪水推求最常用的方法之一，并从工程的安全角度考虑，因此本次洪水复核计算采用推理公式法的计算结果。