贵州六盘水市水城区赵家河水库设计洪水计算分析

叶人源，罗 辉

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

在河流上修建水利工程的目的是兴利除害。 为了保证工程安全，在进行工程设计时，需计算设计洪水［1］。 设计洪水包括水工建筑物正常运用条件下的设计洪水和非常运用条件下的校核洪水， 它们是按照国家规定的防洪标准和通过分析当地水文气象资料确定的。

赵家河水库工程是为解决贵州省六盘水市水城区部分地区农田灌溉、 人畜饮水及工业供水而建的中型水库。 为保证水库大坝安全，计算、分析及研究其设计洪水十分重要。 该水库坝址以上流域岩溶发育，集水面积由明流区和闭流区2 部分组成［2］，且闭流区主要以洼地、伏流等形式存在。为了更准确地确定设计洪水， 笔者分别采用雨洪法和水文比拟法进行分析计算，以期找出更合理的计算方法。

1 流域概况

1.1 河流概况

赵家河是懒龙河的一级支流（懒龙河是三岔河的一级支流），属长江流域乌江水系。 赵家河发源于六枝特区新场镇苦李井村， 源头高程为2 007.5 m，河流由东西方向流向南北方向，流经石封箐，在小坝进入伏流，在小坝垭口出露，经过赵家河村、袁家寨、陈家寨子、化乐乡、后寨，在岔河处汇入懒龙河，汇口高程为1 350 m。赵家河主河道长为16.4 km，平均坡降为26.2‰，全流域集水面积为76.2 km2。

1.2 坝堤概况

拟建坝址位于赵家河中游河段， 水城区化乐乡袁家寨附近。赵家河流域内岩溶较为发育，坝址以上总集水面积由一个明流区和3 个闭流区组成， 其中明流区集水面积为32.1 km2。 染家麻窝—小田坝闭流区集水面积为15 km2， 李家寨—小黑舍闭流区集水面积为2.6 km2， 鱼塘闭流区集水面积为1.4 km2，闭流区总集水面积为19 km2， 占坝址以上总集水面积的36.5%。 染家麻窝—小田坝闭流区通过岩溶管道于双龙潭泉水1（S1）出露，李家寨—小黑舍闭流区通过岩溶管道于双龙潭泉水2（S2）出露，鱼塘闭流区通过岩溶管道于赵家河村泉水（S5）出露。 由于明流区干流河段在小坝洼地洞口进入伏流，通过岩溶管道于小坝垭口（S4）泉水出露，故需考虑在小坝洼地进口至出露口之间采用工程措施即开挖河道来消除入口处因修建水库带来的影响。坝址以上天然情况流域总集水面积为51.1 km2， 主河道全长为9.35 km，平均坡降为30.09‰，考虑工程措施后，主河道全长为9.53 km，主河道平均坡降为28.94‰，属于闭合流域。

2 基本资料

2.1 参证站选择

流域内无实测水文站、雨量站和气象站，流域附近有二道岩雨量站和付家寨雨量站， 干流有牛吃水水文站和阳长水文站。 付家寨雨量站具有1968～2019 年的实测降水和暴雨资料，资料系列较长且精度较高；牛吃水水文站1993 年后下移到阳长，其面积仅相差5.3%，下垫面条件没有多大变化；阳长水文站具有1958～2019 年实测流量资料。 将牛吃水水文站1993 年前资料系列按面积比拟到阳长水文站，阳长水文站则具有1958～2019 年实测流量资料。

综合分析各站的气候条件、下垫面条件、资料系列长度、代表性等因素，选择付家寨雨量站和阳长水文站作为参证站。

2.2 暴雨洪水特性

赵家河水库所在流域的洪水由暴雨形成， 洪水特性受流域特性和暴雨特性影响。 由于流域山高坡陡，河道比降大，所以暴雨强度大、历时短（一般在1 d 左右，多集中在12 h 以内）。 该流域洪水多为单峰型，峰高量大，历时短（洪量主要集中在1 d 内）。 一般年份，该流域4 月进入汛期，5～8 月出现的洪水频率最高，洪峰流量也最大，10 月份洪水基本完毕。

2.3 历史洪水

2020 年11 月15 日对坝址河段进行了历史洪水调查，共调查了10 个洪痕点。 根据坝址附近村民（最大年龄73 岁）描述：1958 年是最大洪水，洪水位为1 529.86 m；2002 年次之，洪水位为1 529.55 m。 采用曼宁公式可以推算出坝址处1958 年、2002 年洪峰流量分别为363 m3／s、301 m3／s。 结合调查人的最大年龄，按10 岁记事算起，1958 年洪水重现期为60年一遇，2002 年洪水重现期为30 年一遇。

3 设计洪水计算

3.1 雨洪法

3.1.1 计算思路

赵家河水库坝址以上流域岩溶较发育， 集水面积由明流区（含伏流区）和闭流区2 部分组成，则入库洪水分别按全流域计算和明流区、 闭流区分块叠加计算。 分块叠加计算天然洪水时考虑2 种方案：（1）明流区（含小坝伏流区）＋闭流区；（2）明流区（不含小坝伏流区）＋小坝伏流区下泄＋闭流区。

3.1.2 计算公式

式中：Qp为设计频率P 的洪峰流量，m3／s；r1为汇流系数；f 为流域形状系数（f＝F／L2）；J 为分水岭至出口断面的主河道平均坡降；F 为集水面积，km2；C 为洪峰径流系数；KP为设计频率P 的P－Ш 型理论曲线的模比系数；H24为设计最大24 h 点雨量均值，mm；θ为流域的特征参数（θ＝L／J1／3／F1／4）；Sp为设计雨力，mm。

3.1.3 计算参数

参考《贵州省暴雨洪水计算手册（修订本）》，综合分析赵家河流域暴雨统计参数，水库坝址以上各分块流域24 h 点雨量采用付家寨雨量站和二道岩雨量站的平均值，取115 mm，Cv取0.44，Cs＝3.5 Cv，暴雨衰减指数取0.75，其他参数取值如表1 所示。

项目 集水面积F/km2 河长L/km 平均坡降J/‰ 特征参数θ 汇流系数r1天然工程措施后坝址全流域 51.10 9.35 30.09 11.20 0.22明流区（含伏流区） 32.10 9.35 30.09 12.63 0.32明流区（不含伏流区） 23.46 6.80 39.48 9.07 0.335小坝伏流 8.64 6.32 36.60 11.09 0.32坝址全流域 51.10 9.53 29.00 11.60 0.24明流区（含伏流区） 32.10 9.53 29.00 13.00 0.36小坝伏流 8.64 6.31 36.60 11.09 0.32闭流区 19.00 - - - -

3.1.4 计算结果

1）全面积计算的天然洪水。

该区径流系数C 的取值范围为0.873～0.669（P＝0.1%～20%），天然洪水计算结果如表2 所示。

2）分块叠加计算的天然洪水。

（1）明流区（含小坝伏流区）天然洪水计算。该区径流系数C 的取值范围为0.907～0.764 （P＝0.1%～20%），天然设计洪水计算结果如表3 所示。

频率/% 洪峰/（m3/s）洪量/万m3 0.10 620 1 572 2 353 954 0.20 559 1 432 3.33 306 847 0.33 513 1 328 5 269 761 0.50 476 1 245 10 211 608 1 414 1 101 20 151 456洪量/万m3 频率/% 洪峰/（m3/s）

频率/% 洪峰/（m3/s）洪量/万m3 0.10 545 1 004 2 320 626 0.20 494 912 3.33 282 562 0.33 455 847 5 251 509 0.50 425 798 10 202 421 1 374 715 20 149 326洪量/万m3 频率/% 洪峰/（m3/s）

（2）明流区（不含小坝伏流区）洪水计算。该区径流系数C 的取值范围为0.878～0.684（P＝0.1～20%），天然设计洪水计算结果如表4 所示。

频率/% 洪峰/（m3/s）洪量/万m3 0.10 519 771 2 299 471 0.20 470 703 3.33 262 418 0.33 431 652 5 231 377 0.50 401 612 10 182 303 1 352 542 20 131 233洪量/万m3 频率/% 洪峰/（m3/s）

（3）小坝伏流区洪水计算。 该区径流系数C 的取值范围为0.871～0.822（P＝0.1%～20%），天然设计洪水计算结果如表5 所示。

小坝伏流入口天然洞过流能力较小， 导致入口以上壅水较为严重。 小坝伏流进口河段共调查到1958 年、2002 年和常年洪水共10 个洪痕点， 其中1958 年洪水最大，水位为1 614.03 m；2002 年次之，洪水位为1 612.99 m；常年洪水位为1 606.20 m。 结合调查人的年龄，按10 岁记事算起，1958 年洪水重现期定为60 年一遇，2002 年洪水重现期定为30 年一遇，常年洪水重现期定为2 年一遇。

根据量算的小坝伏流进口河段的库容曲线及调查的不同年代的历史洪水位，进行调节计算，拟定天然伏流洞的泄流公式。 经调算，P＝1.67%、P＝3.33%、P＝50%时的洪水水位分别为1613.98 m、1 612.99 m、1 606.18 m，与调查的历史洪水基本吻合。因此，综合确定小坝伏流进口的泄流公式为式（2）。

Q＝17.7（Z－1 601）0.5（2）

小坝伏流区下泄流量计算结果如表5 所示。

（4）闭流区设计洪水。闭流区主要以洼地及伏流等形式分布在流域内， 洼地个数多且每个洼地控制的面积小， 最大的两个洼地的集水面积分别为2.61 km2、1.4 km2，其余洼地小且分散，难以调查洪水消落时间， 两个洼地总面积占闭流区集水面积的21.1%，按闭流区公式计算洪峰流量的可靠性较差； 闭流区的主要出露点为双龙潭泉水， 通过对双龙潭泉水出口进行调查分析得知，双龙潭泉水最大出流量为10m3／s，与《贵州省懒龙河水库工程初步设计报告》中双龙潭泉水的最大出流是吻合的，故闭流区洪峰流量按10 m3／s 计。 采用雨洪法计算的坝址处各分块设计洪水如表6 所示。

频率/% 洪峰/（m3/s）洪量/万m3下泄流量/（m3/s） 削峰比/%0.10 198 282 73.6 62.8 0.20 181 257 71.3 60.6 0.33 168 238 69.7 58.5 0.50 158 223 68.2 56.8 1 142 197 65.7 53.7 2 125 171 63.0 49.6 3.33 113 153 61.3 45.8 5 103 140 58.9 42.8 10 86.3 118 55.2 36.0 20 69.0 95.7 50.8 26.4

频率/%全面积 方案一 方案二洪峰/（m3/s）洪量/万m3 0.10 620 1 572 555 1 106 576 1 260 0.20 559 1 432 504 1 013 525 1 172 0.33 513 1 328 465 948 497 1 080 0.50 476 1 245 435 898 466 1 025 1 414 1 101 384 816 388 918 2 353 954 330 726 336 828 3.33 306 847 292 663 299 769 5 269 761 261 610 262 699 10 211 608 212 520 211 560 20 151 456 159 425 165 448洪量/万m3洪峰/（m3/s）洪量/万m3洪峰/（m3/s）

3.2 水文比拟法

3.2.1 阳长站设计洪水

统计阳长水文站1958～2019 年共计62 年的实测洪峰流量资料，计算经验频率，并采用P－III 型理论频率曲线适线。 经计算，阳长水文站设计洪水如表7 所示。

3.2.2 坝址设计洪水

因水文站以上流域暴雨与设计流域差异较为明显， 故进行洪水计算时， 应考虑暴雨的差异修正。 应用公式（3）将水文站洪峰流量比拟到坝址处，得到坝址处最大洪峰流量均值。 然后，采用适配法推求不同频率的设计洪峰流量， 结果如表8所示。

统计参数 不同频率洪峰流量设计值/（m3/s）洪峰均值Q/（m3/s） Cv Cs/Cv P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=5% P=20%615 0.5 4.0 2 432 2 218 1 724 1 510 1 229 802

统计参数 不同频率洪峰流量设计值/（m3/s）洪峰均值Q/（m3/s） Cv Cs/Cv P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.33% P=5% P=10% P=20%52.3 1.1 4.0 550 475 309 242 195 160 105 61

3.3 采用工程措施后的设计洪水

赵家河水库坝址以上小坝伏流入口处最低点高程为1 601 m，伏流出露点高程为1 558 m。在天然情况下，伏流削峰滞洪较大。水库正常蓄水位为1 590 m，淹没小坝伏流出口多达32 m，且因设计流域泥沙含量较重，在以后的运行中，可能导致天然伏流洞淤堵，天然洞的过流能力减弱，从而加重小坝伏流入口以上的淹没程度。 在伏流垭口处，采用明挖的方式，可以解决小坝伏流以上的淹没问题。

考虑明挖之后，小坝伏流按不削峰控制，设计洪水按全面积和明流区（含小坝伏流）、闭流区叠加2种情况进行计算。采用工程措施处理后，按全面积和分块叠加方案一计算赵家河水库下游坝址的设计洪水，结果如表9 所示。

频率/%全面积 分块叠加洪峰/（m3/s）洪量/万m3 0.10 665 1 572 616 1 102 0.20 602 1 432 560 1 021 0.33 553 1 328 518 963 0.50 515 1 245 485 916 1 449 1 101 430 834 2 383 954 371 738 3.33 334 847 328 672 5 295 761 296 620 10 235 608 243 533 20 169 456 185 439洪量/万m3洪峰/（m3/s）

在天然情况下，对于低频率洪水，按全面积计算的洪峰流量最大， 分块叠加方案一计算的洪峰流量最小，最大和最小的差异约为10%；对于高频率洪水，3 种方案的计算结果差异较小。 所以，从防洪安全及地区规律考虑，建议按全面积计算设计洪水。考虑工程措施后，按全面积计算的洪峰流量，低频率洪水大、高频率洪水小。 所以，从工程的防洪安全角度考虑，建议按全面积计算设计洪水。

4 结语

赵家河水库坝址以上流域内岩溶较发育，又缺乏实测资料，对比分析2 种设计洪水的计算方法，得出如下结论：（1）因水文站控制的集水面积较大，且产汇流条件与设计流域差异较大，即使考虑暴雨修正之后的设计洪水成果仍较雨洪法计算成果小12%～64%（高频率洪水差异较大）。 从洪水安全角度及洪水的地区规律考虑，赵家河水库坝址设计洪水推荐采用雨洪法计算。 （2）因赵家河水库坝址以上流域岩溶较发育，经综合比较，推荐采用全面积法计算。

在天然情况下，因为小坝伏流的削峰滞洪作用，采取工程措施后，设计洪峰流量会有所增加。 当P为0.1%～20%时，洪峰流量增大18～45 m3／s，洪水愈大，增加的洪峰流量愈大，与“伏流洪水愈大，削峰愈大”的规律相吻合；小坝伏流控制集水面积占坝址以上流域集水面积的16.9%，采取工程措施后，当P 为0.1%～20%时，洪峰流量较天然情况下增大7.2%～11.9%，增加的幅度基本合理。