多水库条件下中泥河设计洪水组合分析

陈 玮 李 凯

(1.云南秀川水利水电勘察设计有限公司，云南 昆明 650000;2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650000)

中泥河为五郎河左岸一级支流，发源于下岔河村周边山脉，河源海拔3060m，集水面积491km2，河长43.4km，平均比降0.21%，流域内建有白草坪、马厂坪和盐塘3座小(1)型水库和羊坪中型水库，其中，马场坪水库与白草坪水库为串联式水库，该串联水库群又与盐塘河水库、羊坪水库为并联水库。此种情况在云南省河道治理中极为罕见，加之4座水库径流面积占各治理断面(1～8号)的27%～69 %，影响较大，科学分析论证水库对下游河道设计洪水的影响程度至关重要。

1 概 况

1.1 水库调度及历年泄流调查

盐塘河水库来沙量较大，现状已淤至正常蓄水位附近，故不再考虑其对下游河道洪水拦蓄的影响。马厂坪水库、白草坪水库和羊坪水库均能正常发挥效益，查看历年记录中得知：3座水库历年来汛期多余水量多由涵洞均匀下泄，涵洞泄流后才由溢洪道正常泄流；羊坪水库溢洪道平均每10年泄流一次，泄流量不超过10m3/s；因上游白草坪水库的调蓄，下游马场坪水库溢洪道泄流时间不定，历年泄流量2～6m3/s。各水库位置分布见图1。

图1 中泥河水系、水库分布及流域站点分布情况

1.2 水文测站

中泥河流域内共设立过两处水文站，分别为羊坪站(1955年10月—1956年12月)、睦科站(1966—1969年)，流域周边还设有总管田(1959—2019年)、仁里(1967—2019年)、庄房(1960—2019年)、石龙坝(1977—2019年)、务坪(1973—2001年)、中河街(1967—2019年)、普淜(1964—1981年)、地索(1963—2019年)水文站。

1.3 暴雨洪水特性

本地区暴雨洪水主要受延伸的西南和东南暖湿气流影响，多集中于6—10月，洪水由暴雨形成，区域大洪水多发生在7—9月，发生概率分别为37%、33%和25%，年洪水峰量同次发生概率在80%左右，中泥河全流域径流面积为491km2，统计治理段及周边流域径流面积在500km2及以下的站点(普淜、中河街、睦科)并挑选各站“峰高量大”的典型洪水过程，该类型的站点一次洪水过程通常历时为1天，洪峰多出现在5～8h内，洪峰所在时段的洪量占整个24h洪量的6%～8%，本文选择睦科站1966年8月2日22∶00—8月3日20∶00的洪水过程作为区域的典型洪水。

2 控制断面天然洪水推算

2.1 洪水资料的还原及插补延长

为尽可能利用水库观测资料，本文还收集了羊坪水库2013年、2014年和2016年和盐塘河水库2012—2019年观测资料，分别将其还原至各月1日洪量，建立其与总管田站的相关关系，可插补得到历年1日洪量系列，以羊坪站实测15个月的“峰量”关系为依据转化得到羊坪水库洪峰系列；睦科站与总管田站有同期观测资料，挑选两站的同次洪水并建立关系，再利用自身“峰量”关系可分别得到站点年洪峰及1日洪量系列。

2.2 站点频率分析计算

地索(二)站2000年后下垫面条件发生改变[5]，故在适线时仅采用1963—1999年，该段资料系列长度超过30年，对推求10年一遇洪水具有一定代表性，故不再新增历史洪水；普淜站资料系列不足30年，需加入历史洪水资料；其余站点实测(及插补)资料系列超过30年，不再新增历史洪水，原由与地索(二)站一致。

用矩法公式初算洪峰和各时段洪量的均值及Cv值，各站年最大洪水统计参数成果见表1～表2。

表1 各站各频率洪峰流量成果

表2 各站各频率1日洪量成果

2.3 洪峰、1日洪量地区分布特性

建立各频率下洪峰流量、1日洪量与径流面积相关关系(见图2)。

图2 区域洪峰流量、一日洪量与面积相关关系(P=10%)

a.洪峰流量：2年一遇：Q50%=5.3354F0.5306；5年一遇：Q20%=7.3902F0.5535；10年一遇：Q10%=11.191F0.526。

b.1日洪量：2年一遇：W50%=11.127F0.6448；5年一遇：W20%=22.275F0.6184；10年一遇：W10%=24.111F0.6475。

根据各频率下的设计洪峰与面积相关关系，推求得到1号断面各频率下的天然洪峰流量(见表3)。

表3 1号断面各频率下天然洪峰成果

3 河流控制断面设计洪水组合分析

3.1 洪水组合方案拟定

以1号断面(径流面积486km2)为例，对受水库调蓄下的设计洪峰、1日洪量进行推求，推求方法采用同频率洪水组合法，该方法的关键是：各分区具有“同一场典型洪水”，按一般经验，组合方法又划分如下：

末控断面与上游水库(群)同频，区间发生相应洪水，计算公式为

W区间=W末端-W上游

末控断面与区间同频，上游水库(群)发生相应洪水，计算公式为

W上游=W末端-W区间

3.2 白草坪和马场坪水库洪水组合分析

两水库为上、下游“串联”式水库，首先应对其进行洪水组合分析，按设计洪量与面积相关关系推求白草坪水库、“白—马”区间和马场坪水库10%、20%和50%的1日洪量，由此得到“白—马”区间和白草坪水库相应洪量，以各自频率下的洪量为控制条件放大典型洪水，得到各断面的洪水过程线，按水量平衡原理，可推求得到白草坪水库(相应及设计)泄流过程线，上下游洪水传播速度取2.5km/h，按上述方法可组合推求得到马场坪水库入库、出库洪水过程。两种方法下的水库出入库特性见表4。

表4 两种组合方法下马场坪水库入库及出库洪峰特性

在典型洪水过程线中，峰现时刻为第5小时，但经白草坪水库和马场坪水库联合错峰后，其峰现时刻为第24小时，对比两种组合方式下马场坪水库的出库洪峰，按不利计，本文推荐组合②的成果，以此对各频率下马场坪水库出库和入库洪水成果进行整理(见表5和图3)。

图3 断面出库洪量与天然洪量、出库洪峰相关关系

表5 不同频率下末控断面“天然峰、量”与“出库峰、量”对比

3.3 1号断面洪水组合分析

1号断面以上需要分析的拦蓄水库有羊坪水库、马场坪水库和白草坪水库，其中，白草坪水库与马场坪水库的洪水组合情况在前面已进行过分析，将两个水库作为一个整体，以下简称“白马组合”，首先推求“白马组合”“羊坪水库”“区间(末端—马场坪—羊坪，下同)”和“1号断面”的各频率下1日洪量，按以下两种组合方式推求1号断面洪水组合情况。

方法一：1号断面与“白马组合”“羊坪水库”同频，“区间”发生相应洪水，则区间相应洪量由1号断面扣减其余2个分区的同频洪量得到，羊坪水库及区间的洪水过程由典型洪水过程线缩放得到，白马组合为一个整体，由图3中的公式可推求白马组合的出库洪量，按表5中相近出库洪量对应频率的泄流过程线作典型缩放，进而求得其泄流过程线；羊坪水库泄流过程按水量平衡公式推求得到，上下游洪水传播速度取2.5km/h，各分区洪水过程线错峰叠加(成果见表6)。

方法二：1号断面与“区间”同频，“白马组合”“羊坪水库”发生相应洪水，则1号断面与“区间”同频洪量相减便可得到白马组合和羊坪水库相应洪量之和，按面积占比分摊至2个分区中，区间和羊坪水库洪水过程线采用典型洪水缩放，白马组合泄流过程线按经验法求得，将各分区洪水过程线错峰叠加(成果见表6)。

表6 两种组合方法下各分区洪峰成果

无论哪种组合方法下，1号断面洪峰流量均等于区间洪峰流量，说明了上游中型水库、“串联”水库群错峰效果明显，本文推荐组合②成果。按本文2.1中给出的洪峰与面积经验公式对各频率下区间洪峰流量进行推求，并将两种成果做对比(成果见表7)，成果差异小于5%，说明洪水组合法推求的各频率下洪峰流量精度较高，符合地区分布规律。

表7 1号断面洪峰流量成果推求(组合后)

2.4 1号断面洪水组合前后设计洪峰对比

对比1号断面洪水组合前后各频率下的设计洪峰流量，并推求其差异(成果见表8)。

表8 1号断面洪水组合前后设计洪峰差异

4 由历史洪水调查推求设计洪水

2021年1月，对中泥河两岸进行了走访调查，得知：中泥河下段(坝箐河汇口后)曾于20世纪80年代初期进行过系统的治理，但淤积较为严重，在末端断面附近有人指认说：“原来才开始治理的时候，这个桥下还有一个桥墩(现状已被泥沙淹没)，桥墩差不多有成人那么高(约1.7m)。”在1983年发生了一场全流域大洪水，多数人回忆为至今最大洪水，当时洪水淹到了“第伍桥”桥面以上30cm左右。

“2019·9·8”洪水调查并收集了整个流域2019年9月6—8日(3天)的各雨量监测站的降水过程，实测了“2019·9·8”洪水整条河道的洪水淹没水位。

4.1 调查洪水洪峰值推求

“2019·9·8”洪水：“2019·9·8”洪水主要由永北镇发生暴雨所引起，下游梁官镇并未发生大暴雨，因此，为避开局部暴雨带来的影响，调查范围选择7～1号断面，共调查到8处洪水痕迹(见图4)，按曼宁公式(糙率取0.045)反推出各断面的洪峰流量，在“2019·9·8”洪水期间，羊坪水库未泄流，马场坪水库泄流不足3m3/s，故建立各调查断面区间径流面积与洪峰流量相关关系(见图5)，由图5可见，各点距呈带状分布，说明下游河道各断面洪水基本同频，与前述所说该范围内未发生局部大暴雨的结论一致。

图4 “2019·9·8”洪水洪痕分布

图5 各断面(区间面积)与洪峰关系

“83”洪水：选取“第伍桥”断面为该年洪水的计算断面，由于河道河床淤积严重，因此，需要对该断面进行订正还原，“第伍桥”断面自20世纪80年代至今共淤积近1.7m，考虑到河道治理后为较规整的“矩形”断面，故将该桥梁的实测断面底部往下拉伸1.7m作为原河床断面，后根据曼宁公式反推该年洪峰流量，成果为340m3/s。

4.2 调查洪水重现期论证

“2019·9·8”洪水：根据收集到中泥河流域的各雨量监测资料，计算2019年9月6—8日每天的面平均降水量，后根据《云南省水文手册》等相关成果验证该年洪水重现期在2～3年。

“83”洪水：该年洪水的重现期按访问者年龄确定，根据洪痕指认者所述，他当年刚满10年，那场洪水是他出生至今见到的最大洪水，故可将时间往前延伸至1973年，洪水重现期为48年。

4.3 设计洪峰推求

中泥河周边的仁里、总管田、睦科和羊坪站的洪峰Cv值较为接近，介于0.40～0.45之间，与面积无明显关系，故中泥河洪峰Cv值取该范围的中间值，根据末端控制断面两场调查洪水的洪峰成果及重现期，Cs/Cv取4.0，可反推得到多年平均洪峰流量为160m3/s，据此得到10%和20%的设计洪峰流量分别为250m3/s和204m3/s。

4.4 1号断面设计洪峰流量成果比较

将洪水组合法与洪水调查法下推求得到的各频率的设计洪峰成果做对比(见表9)，由表9可见，两种方法下1号断面各频率的设计洪峰流量相差不超过5%，说明本文采用的“末控与区间同频、水库相应”的组合分析方法计算得到的设计洪水精度较高。

表9 不同方法下1号断面设计洪峰流量成果 单位：m3/s

5 结 论

对于水文工作者而言，历史洪水调查对掌握该区域洪水规律至关重要，在无资料地区，历史洪水调查也可作为检验洪水组合的一种方法。本文基本摸清了区域洪峰、1日洪量的地区分布规律，在洪水组合前后，各频率下设计洪峰相差9.10%～11.7%，基本与区间洪峰流量相同，说明上游3座水库滞洪效果明显，特别是白草坪和马场坪两座串联水库，经两座水库调算后，洪峰出现时刻位于第24小时，该成果与云南省内相关工程的普遍规律相符合，对以后该片区相关项目具有一定的借鉴意义。