水库除险加固设计中洪水推求分析及运用

席 鹏，黄阳杰，包宵波

（浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310000）

1 前言

现有部分水库建设年代已久,由于早期基础条件匮乏,部分工程无配套的相关监测设施、设备及水文监测设施,因此部分工程缺少相关雨量雨情等实测水文资料。随着国民经济发展、时代进步,加之工程年久失修,部分水库已无法满足现有运行观测需求且存在诸多安全隐患,已不能安全运行,工程不仅不能发挥很好的效益,而且对其下游人民的生命和财产安全威胁很大,因此需要对水库进行除险加固以满足相关需求。在除险加固设计中,如若缺乏相关水库水文资料,是无法确定相应设计标准下的洪水位及坝顶高程。因此本文以程家垅水库为例,针对流域内无水文测站、缺少入库实测洪峰流量、暴雨资料等的情况下,如何推求设计暴雨、设计洪水,并对计算结果进行合理性分析。

2 工程概况

2.1 流域概况

程家垅水库位于江西省南昌市安义县乔乐乡马溪村,距安义县城约25 km。坝址控制流域面积0.25 km2,主河长0.73 km,河床平均坡降51.167‰,水库总库容13.55万m3,灌溉面积230亩,是一座以灌溉为主的小（2）型水库。

2.2 气象特征

流域内气候温和、雨量丰沛、四季分明,为冬冷、春寒、秋干气候。据安义县气象站统计：历年平均气温17.1℃,历年极端最高气温40.3℃,极端最低气温-15.2℃,多年平均相对湿度80%,最小相对湿度为4%,多年平均风速2.6 m/s,最大风速19.7 m/s,年最大风速多年平均值为13.2 m/s,多年平均日照小时数1853 h,多年平均无霜期257 d。

2.3 水文资料

距离坝址25 km处有安义县气象站,距离31 km处有潦河控制水文站万家埠站,前者具1959 年至今的历年最大1日及最大24小时雨量,1998年至今的3小时及6小时时段降雨量,而后者具1955年至今的1小时、3小时、6小时及24小时完整的时段雨量。两站历年最大24小时时段雨量相差较小,控制在±10%以内,资料精度可靠,可用作实测雨量资料作为本次设计依据。

3 设计暴雨

3.1 暴雨洪水特性

水库汛期开始较早,一般从3月～4月即有暴雨出现,5月～7月大雨连绵不断,尤其是6月份暴雨出现机会较多。以万家埠站1955年～2003年共49年资料统计,历年实测最大24小时暴雨出现在6月份有19次,占39%；7月份出现有7次占14%；5月份出现11次占22%。暴雨最早发生时间为1959年4月22日,最迟出现为1983年10月5日。历年最大24小时暴雨最大值为294.3 mm（1955年6月21日）。本流域洪水由暴雨形成,发生时间与暴雨相应,年最大洪水出现在5月～7月,以6月份居多。程家垅水库集雨面积较小,主河道较短,汇流迅速,洪水陡涨陡落,一次洪水历时18 h～24 h。

3.2 设计暴雨复核

由于本流域无实测水文资料,因此,将采用暴雨途径推求坝址设计洪水。水库流域设计暴雨分别采用当地实测暴雨系列推求和地区综合法推求[1],经比较分析后最终确定采用成果用于推求坝址设计洪水。

3.2.1 由实测资料推求设计暴雨

本次采用安义县气象站,万家埠水文站的雨量观测资料用于分析当地实测暴雨参数。根据各个雨量观测站的实测暴雨量,按年最大值选样法分别选取最大1 h、6 h、24 h时段降水量,分别组成暴雨系列进行频率计算,按P-Ⅲ型曲线进行适线,确定各站实测暴雨均值、各设计频率设计暴雨量和CV值,其计算结果见表1。

表1 流域各时段设计暴雨参数表

3.2.2 由《江西省暴雨洪水查算手册》推求设计暴雨

根据《江西省暴雨洪水查算手册》（以下简称手册）中的H1、H6、H24的平均值及相应的CV等值线图,取CS=3.5 CV,求得流域中心的设计点暴雨见表1。

3.2.3 设计暴雨成果分析

本次两种方法推求的各时段频率设计暴雨成果见图1及表1、表2。从表中可以看出：安义县气象站及万家埠站各时段暴雨统计参数基本小于《手册》查算的成果,考虑《手册》成果综合反映了本流域内外的地形和暴雨特性等因素,其各时段暴雨统计参数相对较合理,从水库防洪保安角度出发,本次设计取用《手册》法[2]推求的设计暴雨法作为推求设计洪水的依据。程家垅水库各时段设计暴雨成果见表2。

表2 查手册法各频率设计暴雨成果表 单位：mm

图1 万家埠水文站24小时暴雨频率曲线图

4 设计洪水

4.1 流域参数复核

本次采用万分之一地形图对水库坝址以上集水面积[3],主河长及平均比降进行复核。复核成果见表3。

表3 程家垅水库流域特征参数复核成果表

4.2 历史洪水

水库流域属低山丘陵地貌,总体地势较平缓,但当地群众对大洪水没有印象,当地文献也无历史洪水记载,从水库运行以来,以1975年、1998年洪水较大,但也属常规洪水。

4.3 由设计暴雨推求设计洪水

程家垅水库无实测流量资料[4],设计洪水根据《手册》使用说明,对于集雨面积小于50 km2大于30 km2的流域,推荐采用推理公式法及瞬时单位线法计算设计洪水,而小于30 km2推荐采用推理公式法计算设计洪水,所以本次设计只采用推理公式法推求设计洪水。

由产流分区图可知,该工程在第Ⅷ区,流域最大蓄水量IM=110 mm,前期土壤含水量Pa=80 mm。根据《手册》推荐的以1 h为时段的暴雨雨型进行暴雨时程分配。程家垅水库在推理公式分区图中属Ⅷ区,地面径流过程按推理公式法推求[5]：

即：Qτ=（0.278θ/mτ）

汇流参数：m=0.121θ0.434=0.345

洪水总量：W=0.1 h·F

洪水线历时：T=9.67W/Qm

式中：h为地面净雨,据手册查算；τ为汇流时间,s；F为流域面积,m2；Q流量m3/s；L为主河长,m；J为河道平均坡降；m为汇流参数。

地下洪峰流量按QM地下=RF·F /3.6 T,地下径流过程采用以QM地下为顶点的等腰三角形,底宽为二倍的地面径流过程时间,RF为地下径流深；T为地面径流过程底宽,设计洪水过程线为五点概化。推理公式法推求程家垅水库设计洪水成果见表4及图2。

表4 程家垅水库推理公式法计算洪水成果表

图2 水库洪水过程线

5 成果分析

为检验本次设计洪水成果的合理性,将水库设计洪水成果与相近流域集雨面积在50 km2以下的已建水库设计洪水成果进行比较分析[6],可以看出本工程洪峰模数在合理范围内,本次设计洪水成果合理可行,具体比较成果见表5。

表5 洪峰模数比较成果表

6 结论

在除险加固设计中,缺乏相关水库水文资料,无法确定相应设计标准下的洪水位及坝顶高程。本文以程家垅水库为例,针对流域内无水文测站、缺少入库实测洪峰流量、暴雨资料等的情况下推求设计暴雨、设计洪水及结果进行合理性分析。结果表明对于集雨面积小于30 km2、流域内无实测水文资料的水库工程,可先采用《手册》法查算成果,推求出设计暴雨,再以此为依据,采用推理公式法推求设计洪水。经过成果分析,设计洪水成果合理,该方法可行,可进行应用推广。研究结果可为类似工程建设及运用提供参考。