某小型水庫工程設計洪水分析計算

羅姍姍，劉慧婷

(中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 水庫概況

水庫位于貴州省黔南州龍里縣城西南部的老榜河上，屬水場鄉高溝村，距龍里縣城約21 km，距貴龍城市經濟帶中心15.6 km。水庫壩址建在老榜河上游。

水庫壩址控制集雨面積24.3 km2，多年平均徑流量1 422×104m3，多年平均流量0.45 m3/s。水庫校核洪水位1 184.31 m，總庫容515×104m3，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小(Ⅰ)型工程。水庫正常蓄水位1 181 m，對應庫容428×104m3，興利庫容419.3×104m3，水庫具有多年調節性能。

水庫的主要任務是向龍里縣的貴龍城市經濟帶、水場工業園區供水，同時滿足下游灌溉、人飲。工程建成后將向3個水廠供水：①是輸水到水廠，直接向貴龍城市經濟帶供水，P=95%的供水量574×104m3；②是輸水到水場鄉雙龍新區水廠(規劃水場工業園區水廠)，向水場工業園區供水，P=95%的供水量110×104m3；③是輸水到現已建成的水場鄉水廠，供原有用戶人飲用水，P=95%的供水量29×104m3。P=95%年供水量713×104m3，并灌溉50 hm2(全為水田)耕地，P=80%灌溉用水量為40.3×104m3；下放環境水量142×104m3。

2 設計暴雨及洪水特性

水庫所屬流域位于貴州省黔東南暴雨區的邊緣帶上，一般5月份進入汛期，10月份結束。年最大一日暴雨主要發生在5-9月份，占87.3%，形成暴雨的天氣系統主要是冷峰、低槽和兩高切變。龍里縣氣象站實測最大日暴雨為161.5 mm(2001年6月26日)，多年平均暴雨日數為2.6天。暴雨歷時一般為1～3天，以1天為多，多集中在12 h內。

流域洪水為雨源型洪水，汛期為5-10月份，年最大洪水多發生在6-7月份。流域內巖溶發育，當洪水發生時，水流受伏流、漏斗、麻窩等阻水影響，相當一部分水量滲入地下，當洪峰過后，緩緩注入河道。因此，本流域洪水峰型較胖，即峰低量大，洪峰流量模數較鄰近地區小。

3 分析方法及暴雨參數統計分析

3.1 分析方法選擇

由于水庫流域內無實測降水、流量資料，本次設計洪水推求將采用暴雨洪水法、水文比擬法和推理公式法進行對比分析計算，綜合比較后取值。

3.1.1 暴雨等產匯流參數統計分析

3.1.2 水文站統計參數分析

根據惠水水文站1930，1954年歷史洪水加上1960-2016年共56的實測洪水系列，并將1999年提出作特大值處理，構成不連序洪水系列，進行頻率計算，采用P—Ⅲ型曲線目估適線法。成果見表1。

表1 惠水水文站設計洪水成果表

3.2 歷史洪水調查

3.2.1 水文站歷史洪水

根據貴州省水電廳1983年6月刊布的《貴州省洪水調查》成果記載，惠水水文站有1930和1954年的調查歷史洪水資料，其中1930年調查洪峰流量為1 690 m3/s，1954年調查洪峰流量為1 100 m3/s。至今考證1930年洪水為調查的最大洪水，重現期可定為83年。1999年實測洪峰1 160 m3/s，提出為特大洪水，1930年以來的第二大洪水，重現期為42年。1954年洪水為1930年以來的第三大洪水，重現期為28年。

3.2.2 壩址歷史洪水

根據對高溝河流域洪水進行的前后兩次調查， 2012年5月，據當地70多歲的老人劉志軍反映，高溝河流域洪水不大，記憶中最大的是1975年，當時下壩址下游處水深約2.5 m左右，平時洪水水深1.2 m左右,其它年份可能也出現過大洪水，但未在河邊留意。

為進一步復核壩址處設計洪水，2013年6月再次至高溝河流域對2012年歷史洪水調查成果進行復核調查。據幾位老人描述，在1963、1996兩年也發生過大洪水，略大于1975年洪水，但洪痕均難以確切描述清楚位置，唯有劉志軍老人記得1975年洪痕。

通過橫斷面實測，調查到1975年洪痕高程為1 126 m，實測分析該河段洪水比降為9.06‰,因河底主要為礫石、卵石，兩岸為灌木和荒草，糙率n取為0.05，推算其洪峰流量為128 m3/s。結合周邊氣象站、雨量站最大一日暴雨資料及調查考證期等綜合分析，認為1975年歷史洪水重現期定為20年一遇較為合理。

3.3 設計洪水推求

3.3.1 暴雨洪水法

按《貴州省特小流域暴雨洪水計算手冊》(修訂本)規定，水庫流域面積當10≤F<25 km2，其計算公式如下：

(1)

式中:Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數，r1=0.335；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；C為洪峰徑流系數(0.52～0.799)；SP為設計雨力，mm。

洪水總量采用扣損法計算：

W總=0.1·F·(H24p-Hs-ΔHs)

(2)

式中：F為水庫壩址以上流域面積，km2；H24p為設計頻率最大24 h面雨量暴雨；Hs為穩定雨損；ΔHs為附加雨損。

將水庫壩址參數代入以上計算公式，成果見表2。

表2 壩址設計洪水成果表

3.3.2 水文比擬法

根據惠水水文站洪峰流量均值，采用水文比擬法計算到水庫壩址處，計算公式為：

(3)

3.3.3 推理公式法

推理公式法是推求小流域設計洪水常用方法之一，計算公式為：

(4)

(5)

m=γ1θ0.22

(6)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；ht為t時段的單一洪峰凈雨深，mm；t為流域匯流時間，h；m為匯流參數；θ為流域的幾何特征值；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。

根據貴州省暴雨多年等值線圖查得不同歷時的點暴雨量,乘以不同保證率點面折減系數計算得出面暴雨量。再根據分區降水徑流關系表查得不同徑流深ht。將不同歷時t計算的徑流深代入式(4)計算Q,將確定的各參數值帶入公式可求得壩址處設計洪水。成果見表2。

通過對以上成果比較分析，洪峰流量相差在25%以內，以雨洪法成果偏大。綜合分析認為，設計流域集雨面積較小，貴州省雨洪公式綜合考慮了流域形狀、坡降、巖溶、植被、地形等的影響，在省內其他工程廣泛應用并得到驗證，具有較好的代表性。偏安全計，本次設計采用雨洪法成果作為水庫壩址設計洪水成果。

3.4 設計洪水合理性

從表1可以看出，惠水水文站設計洪水頻率計算成果是符合隨重現期增長而增大這一規律的。洪峰流量和洪水洪量的統計參數均為Cv=0.53，洪峰流量和最大一日洪量的Cs/Cv分別為4和3.5，Cv，Cs參數比較穩定。從頻率曲線上看，點據分布均勻合理，洪峰流量和洪水總量頻率曲線上下兩端保持較合理的差數，經驗點據與“理論”線配合較好。同時，參照黔南州水利水電勘測設計研究院2006年所作的《羅甸縣石門坎水電站初步設計說明書》，其洪峰流量均值為549 m3/s，Cv=0.52，Cs=4Cv，成果較為接近。說明本次惠水水文站洪水分析成果基本合理，可作為推求壩址洪水的依據。水庫壩址以上流域巖溶較發育，伏流較多，用雨洪法計算時充分考慮流域巖溶的削峰作用，采用較小洪水徑流系數，設計洪水采用雨洪法和水文比擬法推求，兩種方法成果相互驗證，成果相差在25%以內。本次調查1975年洪水洪峰流量約為128 m3/s，重現期20年一遇，與雨洪法推求成果基本接近。因此，本次采用的雨洪法成果作為壩址設計洪水成果基本合理可靠。

4 結 語

本文以實際工程設計中無資料地區小水庫洪水計算為例，采用暴雨洪水法、水文比擬法、推理公式法推求水庫壩址設計洪水，并結合貴州省地區等值線圖和歷史洪水調查成果綜合分析取值，驗證設計洪水成果合理性，為水庫的建設以及后期的運行管理提供可靠的依據，可供貴州省無實測資料地區的小型水庫設計洪水計算借鑒。