水库调蓄削峰影响河段设计洪水计算浅析

李斐波

(贵州三策工程设计咨询有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 流域及水库概况

六洞河属长江流域沅江水系，为清水江的一级支流，发源于镇远县金堡乡境内，由西北向东南流经三穗、剑河、天柱、锦屏等县，在锦屏县三江镇汇入清水江。六洞河全流域面积2070 km2，主河道全长179 km，多年平均流量42.2 m3/s，天然落差551 m，平均比降2.96‰。

根据塘冲水库设计资料，其坝址以上集水面积185 km2，主河道长28.1 km，平均比降6.29‰，设计总库容5225万m3。水库正常高水位702.0 m。溢流堰上设4个桥墩，桥墩宽2.0 m，溢洪道净宽35.0 m，流量系数取0.48。2013年10月，塘冲水库工程正式开工；2016年12月，大坝主体工程建设完工；2018年初，水库试蓄水成功；2019年底，水库正式完成蓄水。

六洞河流域内已建的水利水电工程中，仅塘冲水库具有较为明显的调蓄削峰作用，其他小水库、小山塘控制集雨面积小，且调蓄作用微弱，本次洪水组合计算不予考虑其他小工程的削峰影响。结合三穗县规划新区防洪体系建设需要，选取的塘冲水库坝址及其下游治理河段各控制断面的设计流域参数特征见表1[1]。

2 暴雨洪水特性

设计流域为山区雨源型河流，洪水由暴雨形成，形成暴雨的主要天气类型是冷锋低槽和两高切变类，暴雨特性是量级大、历时短[2]。由于设计流域地势陡峭，河谷窄狭，坡陡流急，两岸为悬岩绝壁，故槽蓄作用小而造峰能力大，每遇暴雨，易形成暴涨暴落的洪水，因此，历时短、强度大的暴雨较多，易形成暴涨暴落的洪水，洪峰流量大，持续时间短，洪水历时一般在1～2 d，洪水多发生在5—7月。根据三穗气象站1958—2015年共计58年实测暴雨资料分析，日降水量在100 mm以上的大暴雨仅出现5次；设计流域暴雨天气一般发生在每年的5—8月，发生概率79.3%。

3 设计洪水

3.1 设计暴雨

设计流域有三穗气象站、六洞桥水文站，六洞桥水文站属六洞河流域水文控制站。

表2 设计流域设计暴雨成果

3.2 天然设计洪水计算

(1)水文比拟法计算各控制断面天然设计洪水。根据六洞桥水文站(F=788 km2)1965—2015年共51年洪峰流量资料系列，加入1936年(1310 m3/s)，1933年(1020 m3/s)历史洪水，组成不连序系列，采用统一处理法进行频率分析计算，得六洞桥水文站Q六洞桥=408 m3/s，Cv=0.56，Cs=4Cv。

由六洞桥水文站洪峰流量通过面积比法换算到控制断面，推求控制断面的洪峰流量, 洪峰面积指数n取2/3[3]，见式(1)：

Q断面=Q六洞桥(F断面/F六洞桥)2/3

(1)

式中：Q断面为断面洪峰流量均值，m3/s；Q六洞桥为六洞桥水文站洪峰流量均值，m3/s；F断面为断面以上控制集雨面积，km2；F六洞桥为六洞桥水文站控制集雨面积，km2。

考虑到六洞桥水文站与控制断面的流域面积有所差异，设计流域洪峰Cv应比六洞桥水文站洪峰Cv略大，Cv修正值ΔCv采用公式计算，见式(2)[4]：

ΔCv=-0.15[lg(F断面)-lg(F六洞桥)]

(2)

经计算，采用水文比拟法计算各控制断面天然设计洪水成果见表3。

表3 采用水文比拟法计算各控制断面天然设计洪水成果

(2)雨洪法计算各控制断面天然设计洪水。因本流域属无资料地区，设计流域各控制断面的设计洪水采用《贵州省暴雨洪水计算手册(修订本)》上的雨洪法[5]进行计算，其计算公式如下：

当25 km2

QP=

(3)

当25 km2≤F<300 km2，且θ>30，QP见式(4)：

QP=

(4)

式中：Qp为设计频率P的洪峰流量，m3/s；KP为设计频率P的P-Ⅲ型曲线的模比系数；γ1为汇流系数，设计流域以山区间山丘为主，少量岩溶，植被一般，θ<30时，取0.38,θ>30时，取0.064；θ为流域的几何特征值，θ=L/(J1/3F1/4)；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比降，m/m；F为流域面积，km2；C为洪峰径流系数，取0.618～0.824；H24为年最大24 h点雨量均值，mm；暴雨衰减指数n2=0.80，产汇流分区Δn2为Ⅱ区。

据此，雨洪法计算得到各控制断面天然设计洪水成果如表4。

表4 雨洪法计算得到各控制断面天然设计洪水成果

(3)天然设计洪水比选及合理性分析。从“水文比拟法”及“雨洪法”成果来看(表5)，两种方法计算的洪水成果基本接近，以下德明断面为例，P=2%～20%频率设计洪水洪峰流量相差仅2.19%～4.90%，其中P=20%设计洪峰流量相差4.90%最大。结合历史洪水调查成果，塘冲水库、下德明断面重现期为30 a的2004·7洪峰流量分别为404 m3/s、453 m3/s，与雨洪法成果P=3.33%

表5 水文比拟法、雨洪法设计洪水对比成果

设计洪水成果相差仅3.71%、2.65%。可见，从地区洪水规律、历史洪水调查成果相符性分析，本次采用两种方法计算得到的各控制断面天然设计洪水成果是合理的。

塘冲水库基于设计洪水偏大偏安全角度考虑，选择雨洪法计算成果作为塘冲水库坝址断面的天然设计洪水成果。此外，从防洪工程设计洪水偏大偏安全、设计成果一致性方面综合考虑，本次计算塘冲水库下游受水库调蓄削峰影响河段的各控制断面的天然设计洪水成果均采用雨洪法成果进行分析计算。

3.3 设计洪水组合计算

3.3.1 区间洪水同频+塘冲水库相应下泄流量

(1)塘冲水库相应下泄流量计算。为明确塘冲水库的相应削峰作用，需计算其相应洪水调节成果。塘冲水库的相应洪水过程线为各控制断面的同频洪水过程线减去各控制断面区间的同频洪水过程线，再将得到的塘冲水库相应洪水过程线进行洪水调节计算，经水库洪水调节后的各控制断面相应下泄洪水过程成果见表6。

表6 各控制断面塘冲水库相应下泄流量成果

(2)洪水组合。塘冲水库坝址距离下德明断面8.2 km，距离高寨断面15 km，距离三穗大桥断面16.5 km，根据贵州省山区河流洪水传播计算经验，塘冲水库坝址相应洪水经调洪下泄后传播到各控制断面与各控制断面相应的区间设计洪水进行错峰叠加，由此得到各断面设计洪水成果，见表7。

表7 方法一组合洪水设计洪峰流量成果

3.3.2 塘冲水库同频下泄流量+区间洪水相应

(1)塘冲水库同频下泄流量。根据塘冲水库设计资料，并经本文调洪复核，塘冲水库坝址同频洪水经调洪后的各频率下泄流量成果见表8。

(2)区间洪水组合。各控制断面区间相应洪水过程线为各断面的同频洪水过程线减去塘冲水库的同频洪水过程线，再与塘冲水库同频洪水调洪后的下泄洪水过程线进行错峰叠加，由此得出各断面设计洪水成果，见表9。

表8 塘冲水库坝址同频洪水调洪后下泄流量成果

表9 方法二组合洪水设计洪峰流量成果

3.3.3 组合洪水选用及合理性分析

通过对洪水组合分析，方法一计算的设计洪水成果比方法二计算的设计洪水成果要稍小，从河道治理工程设计洪水偏大偏安全角度考虑，采用方法二的计算成果。

从暴雨统计参数来看，以三穗气象站为主要参证站，暴雨统计参数与《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中相关暴雨等值线图是吻合的；从区域综合分析看，下德明控制断面天然设计洪水P=5%～20%洪峰模数[6]为11.10～6.63 m3/(s·km2)(洪峰面积影响指数n=0.67)，考虑水库调蓄削峰后的P=5%～20%设计洪水削峰率为12.2%～13.9%，相应洪峰模数为9.77～5.71 m3/(s·km2)，削峰组合后的设计洪水洪峰模数小于天然洪水洪峰模数，亦符合洪水汇流规律；同时，各控制断面天然洪峰模数符合贵州省特小流域洪峰流量模数分布规律，故洪水成果是合理的。

4 结 论

(1)从工程的安全角度考虑，设计洪水计算成果要安全可靠，且符合设计流域的洪水特性。工程设计洪水的计算应采用水文比拟法、雨洪法(或其他方法)等多种方法进行对比分析，并结合历史洪水调查成果复核其设计洪水成果的合理性。

(2)采用水文比拟法计算设计洪水时，因水文参证站控制流域面积与控制断面控制的流域面积存在集水面积上的差异，因此，应结合控制断面的历史洪水调查成果及雨洪法计算成果，适当考虑集雨面积以对Cv值进行分级修正。

(3)与天然情况相比，考虑塘冲水库调蓄削峰影响的不同频率下各控制断面设计洪水均减小，且随着区间流域面积的增加，水库调蓄削峰影响呈逐渐减弱趋势——下德明P=5.00%削峰率为12.20%，至三穗大桥P=5.00%削峰率为8.55%。从水库下游河段防洪安全、工程经济角度等综合考虑，通常情况下应考虑采用受水库调蓄削峰影响的洪水组合方案中偏安全的设计洪水计算成果方案。

本文简述的方法对贵州省其他受水库调蓄削峰影响的流域设计洪水计算有一定的参考意义。