府谷縣張三溝水庫除險加固洪水分析

趙彥平，藺艷琴

1 概況

張三溝水庫壩址位于府谷縣大昌漢鄉劉三石巖村張三溝溝口，所在河流張三溝為窟野河左岸三級支流，于劉三石巖村附近匯入那河（大昌漢川），流經勃牛川后于左岸匯入窟野河。水庫壩址控制流域面積5.16 km2，河道長2.99 km，河道平均比降23.1‰，是一座以防洪、攔沙為主，兼顧灌溉綜合利用Ⅳ等的?。?）型水庫。水庫于1972年建成，原設計總庫容175萬 m3，有效庫容107萬 m3，死庫容23萬 m3，死水位1284.62 m，正常蓄水位1294.62 m。1982年水庫“三查三定”確定的水庫防洪標準為50年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。校核洪水位1297.12 m。經過四十多年運行，水庫病險嚴重，若需對水庫進行除險加固，需對水庫來水最大洪水進行分析探討。

2 暴雨洪水徑流特性

張三溝水庫流域地處西北內陸地區，屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，具有冬長而干冷，夏短而多暴雨，春旱嚴重，霜早雹多，南北氣候差異大等特點。多年平均降水量433.1 mm。張三溝流域無實測水文資料，其流域降雨徑流特性借用臨近流域孤山川高石崖水文站徑流特性加以說明。徑流年際變化大、年內分配不均。張三溝的徑流主要由降水形成，水情隨降水的變化而變化。河流的水量，汛期主要由降水補給，枯水季節主要依靠穩定的地下水補給，徑流年際變化大、年內分配不均。據高石崖站1954～2007年54年實測資料統計，多年平均徑流量8310萬m3，最大年徑流量23840萬m3（1959年），最小年徑流量1595萬m3（2000年），汛期7～9月徑流量占全年徑流量的70%，枯水季節12～2月徑流量僅占全年徑流量的2.3%。

張三溝流域內暴雨最早發生在4月，最遲出現在10月，但量級和強度較大的暴雨一般發生在7～9月。暴雨一般分為鋒面雨和雷暴雨兩種，鋒面雨歷時長，強度均勻，籠罩面積大；雷暴雨籠罩面積小，強度大，歷時短。張三溝流域的洪水由暴雨形成。暴雨特性和流域下墊面決定了該河的洪水特性。洪水最早出現在4月，其峰量較小，年最大洪水主要發生在7～9月，10月由于受淋雨影響，亦有洪水發生。受下墊面條件影響，張三溝流域洪水具有匯流快，陡漲陡落，峰型略瘦的特點。由于流域面積較小，河槽調蓄能力小，一次暴雨形成一個洪峰，在多雨季節形成漲落明顯的連續洪峰。一次洪水過程一般在24小時以內。

3 設計洪水分析

由于張三溝水庫壩址處無實測洪水資料，現分別采用經驗公式法、綜合參數法、推理公式法和水文比擬法對張三溝20年一遇和200年一遇洪水進行分析計算。

3.1 經驗公式法推求設計洪水

根據“榆林地區產匯流、小匯水面積分區圖”，張三溝水庫位于榆林地區小匯水面積第Ⅰ分區，按照《榆林地區實用水文手冊》中介紹的使用榆林地區實測暴雨洪水資料，并和已成工程設計及鄰區調查成果綜合分析出有關參數，建立起洪峰流量匯水面積相關法經驗公式，計算壩址處的設計洪峰流量。即根據《榆林地區實用水文手冊》中的洪峰面積相關公式參數表，查算、插補經驗公式的參、指數，重現期20年一遇地理參數為52.9，指數0.68，重現期200年一遇地理參數為97.6，指數0.68，經過計算，求得張三溝水庫壩址處200年一遇、20年一遇設計洪水分別為298 m3/s、161 m3/s。經驗公式法設計洪水計算成果見表2。

3.2 綜合參數法推求設計洪水

根據《榆林地區實用水文手冊》中采用流域內設計暴雨量和流域特征為基本參數，根據水文、氣象、地貌及土壤等自然地理特點，綜合出的多因素經驗公式，計算壩址處的設計洪峰流量。張三溝水庫壩址以上流域面積為5.16 km2，河道長2.99 km，重現期設計為流域6小時面雨量（mm）；查《榆林地區實用水文手冊》中的綜合參數法經驗公式分區參數、指數表，經驗參數、指數20年、200年一遇的C、α、β、n對應的數值分別為 1.81、0.81、0.11、0.68；1.52、0.81、0.11、0.68。經過計算，求得張三溝水庫壩址處20年、200年一遇的設計洪水分別為229 m3/s、446 m3/s。綜合參數法設計洪水計算成果見表2。

3.3 推理公式法

根據《榆林地區實用水文手冊》中的“暴雨相似區分區圖”，張三溝水庫位于榆林地區第Ⅰ暴雨分區，其壩址以上流域面積為5.16 km2，小于100 km2，根據《榆林地區實用水文手冊》規定，暴雨設計歷時取6小時，計算時段取1/3小時（20 m）。根據《榆林地區實用水文手冊》及《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》，查不同歷時點暴雨均值等值線圖及Cv等值線圖，得壩址以上流域重心處20 m、1 h、3 h、6 h平均暴雨量及Cv值，采用“水文手冊”提供的Cs=3.5Cv，推求頻率P=0.5%和P=5%等不同頻率、不同歷時的設計點暴雨量， 推求設計面雨量。張三溝水庫壩址以上流域面積為5.16 km2，河道長2.99 km，河道平均比降23.1‰。按《榆林地區實用水文手冊》推薦的黃土丘陵溝壑區推理公式法，推求壩址處設計洪水。

土壤前期含水量Pa采用33.3 mm，依據“水文手冊”提供的榆林地區黃土丘陵溝壑區入滲率f計算公式：①當S＜80 mm時，f=14.83S-1.08②當 S≥80 mm 時，f=0.13，計算入滲率 f，進行產流計算，該流域面積小于50 km2，不扣除潛流，產流過程即為凈雨過程。經匯流計算，求得地面徑流的洪峰流量及徑流過程，求得設計洪水的洪峰流量及徑流過程。匯流計算詳見表1。

表1 推理公式法匯流過程計算表 單位：mm

繪制Qm～τ關系、Qm～t關系曲線圖， 洪水總量W由不同頻率暴雨產生的凈雨深進行推算。經計算，推理公式法設計洪水計算成果見表2。

3.4 水文比擬法

張三溝水庫壩址附近勃牛川設有新廟水文站，該站控制流域面積1527 km2，有較長的實測水文資料，故參證站選擇勃牛川新廟水文站。根據新廟站1966年～1988年、1991年～2006年共39年洪水系列，按照《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44—2006）推薦的方法，以年最大值法選樣，按連序系列進行頻率分析，用矩法計算統計參數作為初試值，采用皮爾遜—Ⅲ型曲線目估適線，在適線時著重考慮曲線中、上部較大洪水點據，適當考慮下端較小的洪水點據。經計算，新廟站100年、50年、20年一遇設計洪水計算成果分別為6156 m3/s、525 m3/s 8、4040 m3/s。

新廟站控制流域面積1527 km2，張三溝水庫壩址控制流域面積為5.16 km2，利用水文比擬法，經過計算，求得張三溝水庫壩址處的設計洪水200年、50年、20年一遇設計洪水計算成果分別為159 m3/s、118 m3/s 8、91 m3/s。水文比擬法計算成果見表2。

3.5 成果選用

以上四種計算方法計算的洪水成果匯總比較見表2。

從表中可以看出，各種方法計算的成果略有差異，但差異不大?？紤]到經驗公式法和綜合參數法使用的參數是根據1980年以前的水文資料分析確定的，未考慮近期實測洪水資料，成果和實際情況可能有一定的差異。水文比擬法成果和推理公式法成果基本一致，而推理公式法是使用《榆林地區實用水文手冊》依據榆林地區實測暴雨洪水資料分析總結出來的暴雨～洪水關系進行計算，有一套完整的計算方法，在理論方面比較嚴謹，計算過程中又采用了本流域的特征值、經驗參數和暴雨資料，計算成果既代表了區域洪水的共性，又突出了計算流域洪水的特性，成果精度相對較高。經綜合分析比較，本次張三溝水庫壩址設計洪水復核成果采用推理公式法求得的成果，即：200年一遇洪水情況下：洪峰為300 m3/s，洪水總量為93.7萬 m3；20年一遇洪水情況下：洪峰為165 m3/s，洪水總量為39萬m3。

4 設計洪水過程線

由于張三溝水庫壩址處無實測洪水過程，故設計洪水過程線采用《榆林地區實用水文手冊》中推薦的概化過程線進行計算。設計流域位于黃土丘陵溝壑區，洪水過程線由地面徑流過程和地下徑流過程疊加組成，地面徑流主雨峰形成的洪水過程采用五點概化過程線，主雨段之前和主雨段之后次雨段形成的洪水過程按三角形過程線計算，并以設計洪水總量控制將過程線進行調整。查《水文手冊》，五點概化過程線的形狀系數為：Ka=0.10，Kb=0.124，Kw=0.238，Kτ=0.16。次雨段峰值計算成果見表3和圖1。

表3 張三溝水庫壩址處設計洪水過程表

圖1 張三溝水庫壩址處設計洪水過程線

5 結語

張三溝水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設施等組成，屬無設計、無批文、無施工、無竣工、無驗收文件和圖紙等資料的歷史工程。2008年12月，經榆林市水務局組織有關專家鑒定，該水庫大壩為三類病險壩，及需進行除險加固建設。由于該水庫缺乏監測資料和有關數據，結合榆林地區暴雨特點，以臨近新廟水文站為參證站，采用四種方法對壩址處的洪水進行了設計計算，提出除險加固工程防洪標準按20年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核，洪峰分別為300 m3/s、165 m3/s。