大型水库对葛沟水文站年最大洪水削峰作用浅析

2022-11-02董西芳

治淮 2022年10期

董西芳

一、引言

2020年8月13日至8月14日，受副热带高压边缘西南暖湿气流和冷空气共同影响，沂河葛沟水文站以上流域平均降水量231.2mm，葛沟水文站实测最大流量6320m3/s，为1960年以来最大（1960年实测最大流量8620m3/s，当时水库未拦蓄）。本次强降雨前，临沂市防指统筹考虑水库安全和下游河道承洪能力，对大中型水库水量提前预泄，对骨干河道拦河闸坝依次提闸或落坝；强降雨期间，实施库河洪水统筹调度，充分发挥水库的拦洪、削峰、错峰作用，最大限度减轻下游河道防洪压力。为进一步探究上游水库在本次洪水中所发挥的作用，量化防洪效益，本文从洪水还原的角度，对上游大型水库的削峰作用进行分析，并拓展到葛沟水文站历年年最大洪水，以期为未来大洪水防御工作提供参考。

二、流域水库概况

葛沟水文站是沂河干流重要控制断面，流域面积5533.4km²，河道干流长182.5km，干流平均坡度1.14‰，流域形状呈扇形。流域内地势西北高东南低，山区面积约占65%，丘陵平原区面积约占35%。

葛沟水文站以上流域建有3 座大型水库（田庄、跋山、岸堤）及7 座中型水库（红旗、寨子山、寨子、高湖、黄土山、朱家坡、张庄），总控制面积3602.39km²，总库容14.9678 亿m³，总兴利库容8.4552 亿m³。流域内建有小（一）型水库12 座，控制流域面积106km²，总库容0.2041 亿m³，兴利库容0.1198 亿m³；小（二）型水库57 座，控制流域面积112km²，总库容0.1433 亿m³，兴利库容0.0783亿m³。其中田庄、跋山、岸堤3 座大型水库的调洪库容之和为7.9919 亿m³，占大中型水库总调洪库容8.3663 亿m³的95.5%，7 座中型水库的调洪库容之和仅占4.5%，说明对洪水的调蓄作用主要体现在大型水库。小型水库及拦河闸坝对洪水的调蓄能力更低，故本文只分析大型水库对洪水的调蓄影响，不考虑中小型水库及拦河闸坝工程对洪水的调蓄影响。

三、年最大洪水还原方法

洪水还原分析首先基于水量平衡原理计算出其上游各水库拦蓄流量过程，再利用马斯京根分段连续流量演算法将上游各水库拦蓄流量过程汇流演算到葛沟水文站，与葛沟站实测流量过程叠加，即得到其天然洪水流量过程，原理如式（1）所示。

式中，Q还表示设计断面t 时刻天然洪水流量，m3/s；Q实表示设计断面t 时刻实测洪水流量，m3/s；ΔQi表示设计断面上游水库i 汇流演算到设计断面的计算时段内拦蓄流量，m3/s；n 表示设计断面上游水库个数。

（一）水量平衡原理

由水量平衡原理可知，在某一时段内（Δt=t2-t1），进入水库的水量与水库下泄水量之差，应等于该时段内水库蓄水量的变化值，转变为水库拦蓄流量的表达形式，如式（2）所示。

式中：Q1、Q2表示水库计算时段初、末入库流量，m³/s；q1、q2表示水库计算时段初、末出库流量，m³/s；ΔQ表示水库计算时段拦蓄流量，m³/s。

（二）马斯京根分段连续流量演算法

上游水库拦蓄流量向下游演进采用马斯京根分段连续流量演算法。其主要原理如下：

1.在Kl=Δt的前提下，用式（3）计算汇流参数：

式中：n为上下游两站间单元河段数；K为上下游两站间稳定流传播时间（h）；Δt为河道汇流演算时段长（Δt=1h）；Kl为单元河段稳定流传播时间（h）；L为上下游两站间河段长（km）；Ll单元河段长（km）；Xl为单元河段流量比重因数；l为上下游两站间特征河长（km）。

2.在Kl=Δt的前提下，各单元河段间的河道汇流用式（4）计算：

式中：I1、I2分别为单元河段始、末入流量（m³/s）；O1、O2分别为单元河段始、末出流量（m³/s）；C0、C1、C2为单元河段演算系数，分别用式（5）计算：

有了Xl之后，即可用式（5）计算出C0、C1、C2。n个单元河段连续用式（6）作单元河段汇流演算，即可推导得上断面在零时刻有一个单位入流量时，在第n个单元河段出口所形成的出流过程，这一出流过程数列，就是马斯京根法河槽汇流系数：

式中：n为单元河段数；m为汇流系数所对应的时段数；P0n为单元河段数为n的零时段汇流系数；Pmn为单元河段数为n的第m段汇流系数。

3.有了马斯京根河槽汇流系数Pmn，即可按倍比、叠加原理采用式（7）通用卷积公式将上游水库的下泄流量过程q（i）汇流演算到下游控制断面。

式中：Qt为下游控制断面汇流来水过程（m³/s）；qi为上游水库下泄流量过程（m³/s）；k为上游水库下泄流量个数。

本文上下游两站间的特征河长、稳定流传播时间均采用《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》中的最新成果。

四、年最大洪水削峰作用分析

（一）多年平均削峰作用

选取水库建成后的1961—2020年葛沟水文站历年最大洪水资料，采用前述年最大洪水还原方法，还原得到葛沟水文站天然洪水过程，绘制历年实测、还原最大流量比较图，见图1。

根据实测和还原后的最大流量，计算水库的消减洪峰情况，见表1。

由表1 可知，1961—2020年，上游3 座大型水库对葛沟水文站年最大洪水的多年平均削峰百分比为29.0%。

（二）典型洪水削峰作用

由图1 可以看出，水库建成后的1961—2020年，葛沟水文站前3 位洪水分别发生在1963年、1974年和2020年，3 场典型洪水大型水库的拦蓄作用见表2，消减葛沟站洪峰流量情况见表3。

图1 葛沟水文站历年最大洪水还原前、后比较图

表2 典型洪水大型水库拦蓄作用统计表

表3 典型洪水大型水库消减葛沟站洪峰流量情况表

由表2、表3 可以看出：越是大洪水，水库的削峰作用越显著。如：1963年7月19日洪水中，田庄、跋山、岸堤水库的最大入库流量分别为1603m3/s、4469m3/和6500m3/s，最大出库流量分别为375m3/s、1100m3/和538m3/s，水库本身削峰百分比分别为76.6%、75.4%和91.7%；消减葛沟站洪峰流量8206m3/s，削峰百分比达62.1%。

1974年8月14日洪水中，消减葛沟站洪峰流量3564m3/s，削峰百分比为40.4%。2020年8月14日洪水中，消减葛沟站洪峰流量2470m3/s，削峰百分比为28.1%。

2020年8月14日洪水中，岸堤水库来水量最大，最大入库流量5263m3/s，最大出库流量1020m3/s，水库本身削峰百分比为80.6%。岸堤水库入库、出库流量过程线见图2，葛沟水文站实测、还原流量过程线见图3。