南城子水庫洪水序列展延和調洪演算

盧金江，寧 聰，張凱馨

(1. 鐵嶺市南城子水庫管理局，遼寧 鐵嶺 112304；2.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

設計洪水是確定水利水電工程建設規模及制定運行管理策略的重要依據[1]。推求設計洪水的常用方法主要是洪水頻率分析和 PMP/PMF 估算[2-4]。洪水頻率分析需要較長的連續洪水序列，若洪水序列較短或實測期內存在缺測年份，經常通過相關分析對洪水序列進行插補延長。常用方法有利用上下游站資料插補、利用本站峰量關系插補和利用流域暴雨資料插補[5]。在南城子水庫設計洪水復核中，實測期洪水資料存在缺測年份，必須對洪水序列加以延長。本文通過建立南城子站天然洪水與實測洪水的相關關系推求缺測洪水，實現了實測期洪水序列的延長，以供設計洪水復核和調洪演算使用。

1 研究資料

1.1 水庫概況

南城子水庫位于遼寧省開原市威遠堡鎮南城子村，遼河三級支流葉赫河下游。水庫始建于1958年，主體工程于1965年竣工，是一座大(2)型水庫。1994年，南城子水庫進行了除險加固設計，加固后水庫防洪標準為100 a一遇設計,5000 a一遇校核。

轉山湖水庫位于南城子水庫上游41.58 km處,吉林省梨樹縣梨樹園子村附近。水庫建于1978年，控制面積121 km2，河長18.32 km，河道平均比降3.98‰，防洪標準為100 a一遇洪水設計，500 a一遇洪水校核。

1.2 水文資料

南城子水文站始建于1952年，目前擁有1952—1958年、1962—2012年系列的實測流量資料。此外，遼寧省水利水電勘測設計院分別在1966年及1987年用清河的東石人溝站資料對南城子站缺測年份洪水進行了插補，插補年份為1935—1945、1950、1951、1959—1961年。

轉山湖水庫對南城子水庫運行有很大影響，在設計洪水復核中不可忽視。現有1994年南城子水庫除險加固設計時收集的轉山湖水庫1981—1990年水庫觀測資料，1991年以后該水庫資料缺失。該水庫調度運行方式未發生變化。

2 設計洪水復核

2.1 歷次洪水復核成果

1966年的《南城子水庫溢洪道技術設計》，水庫標準為100 a一遇洪水設計，1000 a一遇洪水校核。設計洪峰由手冊查算，七日洪量頻率計算采用系列為1935—1945年、1950—1960年22 a系列，1951年洪水按重現期120 a的第二位處理，100 a一遇洪峰流量為2810 m3/s，七日洪水總量1.69億m3；1000 a一遇洪峰流量為4430 m3/s，七日洪水總量2.52億m3[6]。

1994年的《南城子除險加固初步設計》，剔除了1951年之前插補的年份系列，采用洪峰洪量系列為1951—1990年系列，其中1951—1980年系列采用《修訂遼河流域規劃》的成果；同時考慮轉山湖水庫的影響,對1981—1990年的洪水進行了還原計算，1951年洪水按重現期147 a(1884—1990年)的第二位處理[7]，成果見表1。

表1 除險加固初步設計階段采用設計洪水成果

2.2 南城子洪水序列延長

本次設計洪水復核中1935—1945年，1950—1980年洪水系列采用《修訂遼河流域規劃》成果，1981—1990年洪水系列采用南城子水庫除險加固初步設計成果。

同時對南城子站1991—2012年洪水系列進行了展延，由南城子水庫觀測資料推求實測洪峰、洪量。由于缺乏1991—2012年轉山湖水庫觀測資料，1991—2012年南城子水庫天然洪水按1981—1990年南城子站天然洪水與實測洪水相關關系推求。通過點繪相關點距發現天然洪水與實測洪水間存在線性相關關系，建立一元線性回歸模型：

yi=a+bxi

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:yi為天然洪水，m3/s;xi為實測洪水，m3/s;n為樣本數，各相關關系見圖1～圖4。

圖1 南城子天然洪水與實測洪水相關圖

圖2 南城子站天然1 d與實測1 d洪量相關圖

圖3 南城子站天然3 d與實測3 d洪量相關圖

圖4 南城子站天然3 d與實測3 d洪量相關圖

經本次延長后南城子洪水系列為1935—1945、1950—2012年，其中1951年洪水按重現期170年(1844—2012年)的第二位處理。南城子洪水頻率計算考慮兩種方案：

(1)洪水系列選用1935—1945、1950—2012年共計74 a系列。

(2)洪水系列選用1951—2012年連續62 a系列，剔除1951年之前的插補年份。

經頻率適線兩種情況計算的洪水水文參數相同。

比較表1和表2可知，由于近年無特大洪水，本次系列延長后，南城子水庫設計洪水小于1994年除險加固初步設計成果。為安全計，本次設計洪水維持水庫除險加固初步設計成果，見表2。

表2 本次復核南城子設計洪水成果表

2.3 設計洪水合理性分析

繪制南城子水庫及臨近各水庫的設計洪峰、洪量與流域面積、設計三日洪量與流域面積的雙對數相關圖，分析點據分布是否與流域暴雨及地形等因素相適應[8]，結果見圖5～圖6。公式見式(5)～式(6)：

Q=aS2/3+b

(5)

W3=cS+d

(6)

式中：Q為設計洪峰，m3/s;W3為設計三日洪量，106m3;S為流域面積，km2;a,b,c,d為擬合系數。

可見各水庫設計洪峰基本與面積呈2/3次方關系，設計三日洪量與面積呈線性關系，符合洪水地區分布規律，表明南城子水庫設計洪水成果基本合理。

圖5 南城子及附近各水庫設計洪峰與面積關系圖

圖6 南城子及附近各水庫設計3 d洪量與面積關系圖

2.4 南城子設計洪水

現有1951年南城子洪水過程線和1953年南城子實測洪水過程。1951年洪水過程線由暴雨徑流關系推求，并與清河干流新立屯和區間洪水過程線組合到開原。其洪峰與開原站調查值相接近，過程線形狀也較相似。1994年水庫除險加固初設階段用1953年實測洪水過程為典型進行了比較，1953年洪水過程較矮胖，加倍放大以后峰型修正太多，過程線變形過大[7]。故最終采用1951年洪水過程線為典型，主峰按洪水調查值3090 m3/s修正。南城子100 a一遇及5000 a一遇設計洪水過程線見圖7。

圖7 南城子100 a一遇及5000 a一遇設計洪水過程線圖

3 調洪演算

汛限水位為149.00 m，調洪原則為采用溢洪道泄流，以水位控制為主，水位達到149.00 m，當入庫流量小于溢洪道下泄流量時，以入庫流量為下泄流量；隨著入庫流量增加逐步加大溢洪道下泄流量直至達到其最大下泄流量。

表3 南城子水庫洪水調節成果表

由表3可見，本次復核成果與除險加固初步設計成果差別不大，本次復核的100 a一遇設計洪水位152.29 m，略高于原設計洪水位152.09 m(20 cm)，本次復核的5000 a一遇校核洪水位156.04 m，略低于原校核洪水位156.31 m(27 cm)。鑒于兩次復核結果相差較小，特征水位仍沿用除險加固成果，即100 a一遇設計洪水位為152.09 m，5000 a一遇校核洪水位為156.31 m[9]。

4 結 論

在缺乏上游轉山湖水庫觀測資料的條件下，本文提出建立1989—1990年南城子天然洪水和實測洪水的相關關系，利用南城子實測洪水插補1991—2012年南城子天然洪水序列的方法，并通過點繪洪峰、洪量與流域面積關系圖驗證設計洪水的合理性。利用延長后的洪水序列推求設計洪水和調洪演算，取得了良好的效果，證明該方法在洪水序列插補延長上行之有效。