新疆某水利工程設計洪水計算與分析

鄭軍

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 流域工程概況

新疆某水電站工程位于001水利樞紐下游16.2 km，距下游水文站約300 m，距上游A河河口約12 km，承擔發電反調節任務。該水電站工程壩體為混合壩型（混凝土壩和土石壩），主壩為碾壓混凝土壩，總壩長963.10 m，最大壩高51 m，水庫總庫容1.21億m3，裝機容量140 MW。該工程由攔河壩、泄水建筑物和發電引水系統及電站廠房等主要建筑物組成。

2 由流量資料推求設計洪水

2.1 資料審查

在應用資料前，首先要對原始水文資料進行審查，洪水資料必須可靠，具有必要的精度，而且要具備頻率分析所必須的某些統計特征。為使洪水資料具有一致性，要在調查觀測期中洪水形成條件相同，當使用的洪水資料受人類活動如修建水工建筑物、整治河道等的影響有明顯變化時，應進行還原計算，使洪水資料換算到天然狀態的基礎上。現收集有下游水文站近50年實測逐月月平均流量資料，徑流系列齊全完整，不需要進行插補延長工作。由于壩址下游有灌區分布，用水量歷年來呈遞增趨勢，故水文站實測徑流系列不能夠如實反映天然徑流狀況，必須進行徑流系列還原工作，需沿用上游水庫初設階段的徑流系列還原方案，進行徑流系列還原，還原后的徑流系列要繪制年徑流模比系數累積平均過程線及年徑流模比系數差積曲線，模比系數累積平均過程線于1981年起穩定趨于1.0，差積曲線表明該系列具有一個完整的豐平枯周期。由此可以認為，經還原后水文站的年徑流系列具有一定的代表性。

2.2 推求上游水庫壩址天然設計洪水

設計洪水包括設計洪峰流量、不同時段設計洪量及設計洪水3個要素。洪水處理的關鍵是重現期的確定和經驗頻率計算，在洪水頻率計算中，經驗頻率是用來估計系列中各項洪水的超過概率，以便在格紙上點繪洪水點子，構成經驗分布。實測系列的經驗頻率仍按連續系列經驗頻率公式計算，經驗頻率計算公式為：

式中：Pm——實測系列第m項的經驗頻率；m——實測系列由大至小排列的序號；n——實測系列的年數；PM——特大洪水第M序號的經驗頻率；M——特大洪水由大至小排列的序號；N——自最遠的調查考證年份至今的年數。

在洪水頻率計算中，我國規范統一規定采用適線法，但矩法也是一種簡單的經驗參數估計方法，它無需事先選定頻率曲線線型，因而是洪水頻率分析中廣泛使用的一種方法。在用矩法初估參數時，對于不連續系列，假定n-1年系列的均值和均方差與除去特大洪水后的N-a年系列相等，即：

由公式（2）可以導出參數計算公式：

由公式（1）、（3）和（4）計算后所得數值，可以繪制出該水電站上游水庫壩址年最大洪峰流量頻率曲線圖，見圖1所示。

圖1 上游水庫壩址年最大洪峰流量頻率曲線

2.3 推求A河河口的區間相應洪水

考慮到該水電站壩址以上的大洪水主要來自上游水庫壩址以上區域，以及資料條件較差的因素，壩址以上設計洪水地區組成，按上游水庫與該水電站同頻率洪水、區間相應洪水組成擬定，推求設計洪水工況下的A河河口的區間相應洪水。為實際應用，關于水庫回水計算所需設計洪水的推求，根據有關經驗，采用比擬方式推求。兩水庫壩址區間的相應洪水，以考慮推求A河匯合口末端的相應洪水進行，為簡化計算，采用上游水庫初步設計階段設計洪水過程，按面積比擬法反算水文站站址處的設計洪水過程。考慮到在推求A河匯合口的相應洪水過程中出現回水現象，故從偏于安全角度考慮，洪峰的面積比指數取值為1（僅限于此），則面積比擬法推算公式為：

式中：F1，Q1，W1為上游水庫壩址以上流域面積、洪峰流量與時段洪量，n為洪峰面積比指數；再取水文站與上游水庫壩址兩處的設計洪水過程之差值，作為A河河口匯入的區間相應洪水過程，并由此反推A河河口天然相應洪水的時段設計洪量。水庫回水計算所需A河匯合口設計洪水的推求，根據有關經驗，干流100年一遇設計洪水相對應于支流約50年一遇設計洪水，干流50年一遇設計洪水相對應于支流約20年一遇設計洪水。取上游水庫壩址初步設計階段的天然設計洪水成果進行比較，得100年一遇與50年一遇的設計洪峰比值為1.26，50年一遇與20年一遇的設計洪峰比值為1.45，100年一遇與5年一遇間的各設計頻率檔次間洪峰、時段洪量的平均比值為1.267，故取該值。將前段所述推求的A河河口P=5%、P=10%、P=20%的相應洪水過程再按同倍比法放大，得A河河口P=5%、P=10%、P=20%的設計洪水過程。A河河口的相應洪水與設計洪水過程線參見圖2所示。

圖2 A河匯合口相應洪水與設計洪水過程線

2.4 推求該水電站壩址天然設計洪水

采用上游水庫初步設計階段設計洪水過程，按面積比擬法反算水文站站址處的設計洪水過程，作為該水電站壩址處的天然設計洪水過程。依據所用面積比擬法推算公式（5）計算，式中n取值為0.6。由此反推水電站壩址處天然設計洪水的時段設計洪量，成果參見表1所示。

表1 水電站壩址天然設計洪水成果表

2.5 推求該水電站壩址洪水（入庫設計洪水）

對于設計頻率大于1%時，采用上游工程初步設計階段設計洪水過程，進行水庫調洪演算后，得上游水庫的出庫洪水過程，再與A河的相應洪水過程相疊加，取疊加后峰量最大的過程作為本水電站入庫設計洪水過程，然后統計該入庫設計洪水成果。對于當設計頻率等于1%及小于1%時，采用上游水庫對下游承擔防洪任務時的最大控泄流量為基流，按偏安全考慮疊加上游水庫與本水電站兩庫區間的A河的相應洪水與設計洪水過程，作為該水電站入庫設計洪水過程。最后統計該入庫設計洪水成果，如表2所示。

表2 入庫設計洪水成果表

3 結語

此水電站為上游水庫的后繼工程，由于壩址的徑流受上游水庫制約，來水的自然狀況受到影響，天然入庫與調節后的出庫水量不同頻，已無一一對應關系，故該水電站壩址徑流分為上游水庫出庫泄水過程和區間A河天然匯入過程兩部分。

由流量資料推求設計洪峰流量及不同時段的設計洪量，可以使用數理統計方法，計算符合設計標準的數值，設計時根據建筑物級別選定不同頻率作為防洪標準，以概率形式估算未來的設計值，同時以不同頻率來處理安全和經濟的關系。

[1]詹道江，葉守澤，等.工程水文學[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]河海大學，長江水利委員會.三峽工程水文預報及設計洪水研究[R].1994.

[3]劉建基，等.新疆伊犁水電站工程初步設計報告（上冊）[R].2006.