石寶巖水庫洪水計算與分析

殷朝陽

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

擬修建的石寶巖水庫位于貴州省江口縣壩盤鎮，壩址以上油房溝干流集水面積4.18 km2，河長3.26 km，比降66.8‰，是一座納入國家和貴州省有關規劃的小（1）型水庫。大壩結構形式采用混凝土面板堆石壩，工程等別為Ⅳ等，設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為300年一遇。主要向下游提供灌溉和村鎮生活用水。

在水庫水文計算過程中發現，石寶巖水庫流域內無水文及氣象測站。鄰近各水文站控制流域面積與水庫流域相差過大，不宜選取為參證站；距離設計流域8.4 km處有江口氣象站，與設計流域降水及下墊面條件相似，且成果可靠，精度較高。因此本次以江口氣象站為暴雨參證站，采用1959年至2013年（水文年）實測降雨資料，用以分析、計算石寶巖水庫壩址設計徑流、設計洪水。

1 徑流計算

1.1 徑流特性

設計流域所在河流屬典型的山區雨源型河流，徑流主要由降水補給，徑流特性與降水特性基本一致。該區徑流洪枯懸殊，年內分配不均，汛期4月～9月徑流量占全年徑流量的70%以上，多年平均徑流深800 mm～900 mm之間。

1.2 設計降水

根據測站的分布情況，選擇江口氣象站作為石寶巖水庫流域降水分析計算的參證站。經統計江口縣氣象站歷年降雨資料，按P-Ⅲ曲線進行適線計算，得到江口氣象站多年平均降水量均值為1334.5 mm，變差系數Cv=0.16，Cs=2Cv。

根據測站降水量統計均值及變差系數，流域降水分布規律與《貴州省地表水資源》上的有關等值線圖相吻合[1]。結合“貴州省1956年～2000年降水量均值等值線圖”和“貴州省1956年～2000年降水量變差系數等值線圖”，設計流域多年平均降水量在1300 mm～1400 mm等值線之間，年降水變差系數在0.16左右，結合參證站長系列降水統計成果以及地表水資源相關等值線圖，確定設計流域多年平均降水量為1334.5 mm，降水變差系數Cv=0.16，Cs/Cv=2。設計流域不同頻率降水量計算成果見表1。

表1 設計流域各時段不同頻率降水量計算成果表 （單位：mm）

1.3 壩址徑流計算

1.3.1 流量計算

項目所在流域屬無資料地區，以江口氣象站作為降雨徑流年內分配參證站，壩址徑流采用“降雨徑流同頻率相應法”計算。

根據降水量分析成果，設計流域多年平均降水量為1334.5 mm，經查“貴州省1956～2000徑流系數均值等值線圖”，該流域多年平均徑流系數為0.62，則設計流域多年平均徑流深y=1334.5 mm×0.62=827.4 mm。

石寶巖水庫壩址控制集水面積4.18 km2，壩址處年均徑流量根據公式W=0.1·y·F計算，經計算得壩址多年平均徑流量為346萬m3，多年平均流量Q=0.11 m3/s。

1.3.2 年徑流變差系數的確定

根據貴州省經驗公式：

式中：Cv為年降水量變差系數（0.16）；F為流域面積（小于100 km2按100 km2計算）；α 為多年平均徑流系數（0.62）；r、β、m 為地區性經驗系數，取 r=1.1、β=0.04、m=0.7。

經計算得到年徑流變差系數Cv=0.22。

查《貴州省地表水資源》中，“貴州省1956年～2000年年徑流變差系數等值線圖（集雨面積F＜300 km2）”，水庫所在流域徑流變差系數在0.25～0.30之間，結合等值線圖走勢以及小流域徑流特性，確定水庫年徑流變差系數Cv=0.28，偏態系數Cs=2Cv=0.56。

1.3.3 枯水分析計算

石寶巖水庫所在流域無長系列實測枯水流量資料，因此枯水只能通過調查和實測確定。2014年5月設計單位進行枯水調查和測量。采用三角堰測流，壩址處流量為12.5 L/s，反推枯水模數約2.99 L/s·km2，通過調查走訪當地村民知該河流從未斷流，水量最小的時候有實測的三分之二左右，發生在2010年2月份。通過測流以及調查，推算最枯日流量模數2.0 L/s·km2左右。

查《貴州省枯水調查等值線圖》，并結合臨近的蘆家洞水文站枯水分析，設計流域最枯月枯水模數為3.5 L/s·km2左右，Cv取0.30，Cv/Cs=2.5，則石寶巖水庫壩址以上流域P=95%最枯月枯水模數為2.02 L/s·km2左右，與前面枯水控制模數2.0 L/s·km2相當，取值合理。設計流域最枯月枯水模數按2.0 L/s·km2控制。

1.3.4 徑流計算成果

根據水庫壩址徑流的統計參數，計算不同頻率下的徑流量、流量。如下，表2為壩址徑流計算成果表，圖1為石寶巖水庫壩址年徑流量頻率曲線圖。

表2 石寶巖水庫壩址徑流計算成果表

圖1 石寶巖水庫壩址年徑流量頻率曲線圖

2 洪水計算

2.1 暴雨特性

設計流域屬貴州省暴雨低值區，一般4月份進入汛期，9月份結束，大暴雨集中在5月～8月份，歷時一天左右，24小時降水量可達100 mm以上，冷鋒低槽和兩高切變是形成這種天氣的主要原因。歷年最大一日降水量發生月份統計表如表3所示。

表3 歷年最大一日降水量發生月份統計表

2.2 洪水特性

設計流域屬山區雨源性河流，洪水由流域內暴雨產生，洪水特性與暴雨特性基本一致，洪水具有漲峰歷時短，陡漲陡落等特點，洪水多發生在每年的5月～8月，以7月份發生洪水的機率最大。設計流域面積小，主河道短，洪水匯流時間較短，洪峰出現時間較早，一般在1.5 h之內，退水時間一般在1天左右，漲、退水歷時主要取決于降雨在時空上的分布。

2.3 歷史洪水

根據實際走訪和洪痕調查，1995年油房溝曾發生較大洪水。經分析，將1995年洪水重現期定為60年，根據曼寧公式及實測縱橫斷面資料，計算歷史洪水水面線時糙率取值為0.055，比降為0.015，得出石寶巖水庫壩址的歷史洪水成果，如表4所示。

表4 歷史洪水成果表

2.4 設計暴雨

設計流域無水文測站和雨量站，采用江口氣象站作為暴雨計算參證站。統計江口縣氣象站1959年～2014年56年最大一日降雨資料，按P-Ⅲ曲線進行適線計算，得到江口氣象站多年平均最大一日暴雨量為92.9 mm，變差系數Cv=0.55，Cs=3.5Cv。將最大一日降雨換算成最大24 h暴雨：H24 h=1.12*H1日，計算得年最大24 h降水量均值為104 mm。

查《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》上“貴州省年最大24 h點雨量均值等值線圖”、“貴州省年最大24 h點雨量Cv值等值線圖”、“貴州省年最大1 h點雨量均值等值線圖”、“貴州省年最大1h點雨量Cv值等值線圖”，設計流域最大24 h暴雨在110 mm～120 mm等值線之間，變差系數在0.50以上；設計流域最大24 h暴雨在45 mm等值線左右，變差系數為0.40左右。暴雨統計成果表見表5.

表5 暴雨統計成果表 （單位：mm）

由于本次設計未收集到測站最大1 h暴雨資料，故其最大1 h暴雨統計資料參照相關等值線圖進行取值。根據《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》上“貴州省年最大1 h點雨量均值等值線圖”以及“貴州省年最大1 h點雨量Cv值等值線圖”，設計流域最大1 h點雨量均值為45 mm左右，變差系數0.40左右。根據相關等值線圖成果，確定設計流域最大1 h暴雨統計參數為H1h=45 mm，Cv=0.4，CS/CV=3.5。根據最大24 h、1 h暴雨統計參數，計算不同頻率下設計暴雨，成果見表6和圖2。

表6 設計流域最大24h、最大1h暴雨設計成果表 （單位：mm）

圖2 最大一日降水量頻率曲線圖

2.5 設計洪水

2.5.1 壩址設計洪水計算

由于設計流域內無實測水文資料，因此采用“雨洪法”計算壩址洪水[2]。根據確定的暴雨參數(H24h=115 mm，Cv=0.52，Cs/Cv=3.5；H1h=45 mm，Cv=0.4，Cs/Cv=3.5)和量算的流域參數，按《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》和《貴州省特小流域暴雨洪水計算手冊》(修訂稿)規定，水庫流域面積小于10 km2，其計算公式如下：

式中：Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數，r1=0.38(設計流域為高山間山丘區，植被一般，屬Ⅱ2區)；f為流域形狀系數，f=F/L2；L為主河道河長；J為分水嶺至出口斷面的河道平均比降，m/m；F為流域面積，km2；C1為洪峰徑流系數，（0.845～0.4967，P=0.33%～20%）；Sp為設計最大 1 h 點雨量，mm。

壩址設計洪量采用貴州省暴雨洪水計算實用手冊推薦的扣損法計算，計算公式為：

式中：Wp為設計一次洪水過程洪量,以萬m3計；H24p為設計洪水徑流深, 以 mm 計，H24p=φ×H24p-(35+ΔHs)，ΔHs=Δ（24-T），Δ=1.0 mm/h。

將流域參數代入以上計算公式，計算得石寶巖水庫壩址處不同頻率天然設計洪水，成果見表7。

表7 石寶巖水庫壩址設計洪水成果表

2.5.2 壩址設計洪水過程線

根據《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中的入庫洪水概化線坐標，同時結合本流域的特點，推求石寶巖水庫（天然）設計洪水過程線，結果見圖3。

2.5.3 洪水成果合理性分析

從暴雨統計參數來看，以江口氣象站作為參證站，暴雨統計參數與《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中相關暴雨等值線圖是吻合的；從區域綜合分析角度看，以石寶巖水庫壩址（天然洪水）為例，本次設計洪水P=0.33%～20%洪峰模數為21.9 m3/s·km2～13.1 m3/s·km2（洪峰面積影響指數 n=0.89），符合貴州省特小流域洪峰流量模數分布規律。另外，1995年調查歷史洪水洪峰流量為86 m3/s，重現期為60年一遇，根據雨洪法計算石寶巖水庫壩址P=1.67%洪水洪峰流量為88 m3/s，設計洪水與歷史調查洪水接近，本次設計洪水成果是合理的。

3 結語

本文以江口氣象站作為暴雨參證站，采用降雨徑流同頻率相應法計算以壩址徑流，采用雨洪法計算壩址洪水，對石寶巖水庫洪水進行分析計算，得到合理的洪水成果。通過對石寶巖水庫洪水進行研究，為水庫工程提供了設計依據的同時，對確保水庫功能和效益充分發揮和下游防洪安全也起到重要作用。