烏蘇市小型水庫工程設計洪水分析計算

靳 磊

（新疆維吾爾自治區塔城水文勘測局，新疆 塔城 834700）

1 引言

中小型水庫設計的關鍵在于對工程水文的分析計算[1]。大部分規劃設計的中小型水庫位于無資料地區，其工程水文設計較為困難。近些年來，有不少學者針對中小型水庫的洪水設計展開相關研究，并取得一定的研究成果[2～8]。其中主要可以歸納為兩種方法:第一種方法為水文比擬法[9]，按照流域特性相似的原則，將有資料地區的設計洪水成果按照同倍比的方法進行典型設計，得到設計洪水成果；第二種為采用推理公式方法[10]，結合設計暴雨成果來推算區域的設計洪水。本文同時探討以上兩種方法在新疆中型水庫工程水文計算中的應用性。

2 中型水庫工程水文計算方法

2.1 水文比擬法

水文比擬法是按照流域特性相似的原則，將有資料地區的設計洪峰流量按照同倍比的方法進行典型設計，得到設計區域洪峰流量。

2.1.1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法：

該方法用洪水調查法推求小流域設計洪水，為無資料地區洪水計算的常用方法之一。該方法首先要求出一條洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線，即將水文分區內（常以頻率曲線的接近程度來分區）各水文站各種頻率的流量換算為模比系數并點繪在同一張概率格紙上，合理選配P-Ⅲ型頻率曲線，繪出一條綜合的頻率曲線，這條頻率曲線就是地區的綜合頻率曲線。并根據各河溝計算斷面相關的歷史洪水調查成果，計算其設計洪峰流量。

設歷史洪峰流量為Q1，其發生的頻率為PD；設計頻率為P，設計洪峰流量為QP。由PD及P在綜合頻率曲線上查出相應的模比系數為KD及KP，則設計洪峰流量可按下式計算:

式中:QP為設計洪峰流量，m3/s；KP為設計洪峰流量模比系數；KD為調查洪水洪峰流量模比系數；QD為調查洪水洪峰流量，m3/s。

2.1.2 參證站面積比擬法

選用區域內水文站為參證站，移用其設計洪峰流量，計算水庫壩址各種頻率設計洪峰流量，計算公式如下:

式中:QP設、QP參為水庫壩址及參證水文站的設計洪峰流量，m3/s；F設、F參為水庫壩址及參證水文站所控制的流域面積，km2；n為洪峰流量指數，在新疆地區該值為1。

2.2 推理公式法

推理公式法是根據暴雨資料計算設計洪水。根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）中推薦的推理公式分析計算設計洪水，基本公式如下:

式中:Qm為洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數；Sp為設計頻率的雨力，mm/h；τ為匯流時間，h；m為匯流參數；l為沿主河出口斷面至分水嶺的最長距離，km；J為沿流程l的平均比降；F為流域面積，km2；n為暴雨衰減指數。

3 應用實例

3.1 水庫概況

研究水庫為山區攔河水庫，該工程是以灌溉、供水為主，兼顧防洪等綜合利用功能。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞組成。水庫總庫容990萬m3，正常蓄水位1039 m，壩高75 m，壩長254 m。水庫建成后可改善灌溉面積數萬畝，削減河流洪峰流量、提高下游防洪能力。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000），該水庫屬小型工程，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。水庫工程設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準1000年一遇。

3.2 參證站面積比擬法

選擇四棵樹河吉勒德水文站為參證站，該站為國家基本水文站，二類精度站。該站位于烏蘇市西大溝鎮紅山村，吉勒德水文站以上集水面積921 km2，河長63 km，多年平均年徑流量3.058×108m3。吉勒德水文站有1954年～2015年共62年的實測洪水系列資料，實測資料經過審查、考證、刊印，具有較好的連續性、一致性及代表性，可用作為頻率計算。

對參證站進行設計洪峰流量計算，曲線采用P-Ⅲ型。洪峰流量計算成果見表1。結合參證站面積比擬法對水庫各種頻率洪峰流量進行計算，結果見表2。

表1 參證水文站各種頻率洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

表2 參證站面積比擬方法下水庫壩址各種頻率洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

3.3 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法

根據各河溝計算斷面相關的歷史洪水調查成果，調查洪水數據經過審查、考證、刊印，具有較好的連續性、一致性及代表性，可用作為計算依據。采用地區洪峰流量模比系數綜和頻率曲線法設計洪峰流量，水庫壩址調查歷史洪水洪峰流量259 m3/s，洪水重現期為63年。利用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線計算設計洪峰流量。

其中綜合曲線首先要求出一條洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線。即將水文分區內（常以頻率曲線的接近程度來分區）各水文站（本文選取四棵樹河吉勒德水文站、奎屯河將軍廟水文站、八音溝河喇嘛廟水文站為參證站）各種頻率的流量換算為模比系數并點繪在同一張概率格紙上，合理選配P-Ⅲ型頻率曲線，繪出一條綜合的頻率曲線，這條頻率曲線就是地區的綜合頻率曲線，見圖1。設計洪峰流量計算成果見表3和表4。

表3 洪峰流量模比系數地區綜合KP值表

表4 水庫壩址各種頻率洪峰流量計算表

圖1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

3.4 推理公式法計算設計洪水

點繪參證水文站最大一日降水量經驗頻率點據，P-Ⅲ線型矩法目估適線，計算出不同頻率最大一日降水量Hp，見表5。根據前面敘述的計算方法，年最大日雨量需換算成年最大24小時雨量，換算辦法是將日雨量乘以系數1.13，系數值來源于新疆《中小流域設計暴雨洪水圖集》，即:

在實際應用計算中，設計頻率的雨力Sp通常采用同頻率的年最大24小時降水量H24計算，公式為:

經量算查表，研究水庫壩址以上流域面積994.4 km2，河長32 km，主河道平均縱比降0.0625。根據《新疆可能最大暴雨圖集》，結合各河溝流域實際情況，暴雨衰減指數n1取0.56，n2取0.72，暴雨點、面折減系數取1.509，計算時段為24 h，設計點和面暴雨成果見表5。根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 144-2006），結合本流域水文特征及下墊面條件，查小流域下墊面條件分類表，m值取0.60。根據《工程水文及水利計算》及新疆《中小流域設計暴雨洪水圖集》研究成果，暴雨洪峰徑流系數在0.24～0.5之間，確定該區域洪峰徑流系數為0.25，結合設計面暴雨成果及前面所述的方程（3）和（4），對推理公式方法下的設計洪峰流量進行計算，結果見表6。

表5 參證水文站最大一日降水量頻率計算成果表

表6 水庫壩址各種頻率洪峰流量計算表

4 設計洪水成果合理性分析

三種方法中，參證站面積比擬法設計洪水成果合理性最高，也是方案審查后建議采用的批復成果，此方法選用的參證站實測資料經過審查、考證、刊印，具有較好的連續性、一致性及代表性，參證站設計洪水成果已通過區域水文設計審查；而地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法，主要采用洪水調查法來進行設計洪峰流量的推算，洪水調查數據很難接近實測數據，且該方法計算的設計洪峰流量偏小，從水庫安全角度考慮，其不適用于該水庫設計洪峰的推求；第三種方法為采用推理公式進行設計洪峰流量推求的方法，該方法一般用于無資料小流域，且附近無參考站數據，該方法一般適用于新疆地區流域集水面積在300 km2以下的無資料小流域。

5 結論與建議

（1）若設計的小型水庫集水區域內或附近區域有資料相對較長的參考站，資料符合比擬條件，建議首選參證站參考證比擬法計算，從而提高小型水庫設計的合理性。

（2）在采用洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法進行設計洪峰流量計算時，建議進一步加強對洪水資料的實測和調查，應復核歷史洪水調查的可信度。

（3）采用推理公式進行無資料小流域設計洪水推求時，應結合新疆《中小流域設計暴雨洪水圖集》及設計區域下墊面條件綜合確定其計算參數。