地區組成法在水庫設計洪水計算中的應用研究

焦營營

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州450003）

1 研究背景

在江河流域治理開發中， 設計斷面上游有調蓄作用較大的水庫或分洪、蓄洪等工程，對洪水具有調節作用，改變了天然洪水的狀況，直接影響下游設計斷面的設計洪水[1]。SL 144—2006《 水利水電工程設計洪水計算規范》規定：“ 當設計斷面上游有調蓄作用較大的水庫或水庫對下游有防洪任務時， 應對大洪水的地區組成進行分析， 并擬定設計斷面以上或防洪控制斷面以上設計洪水的地區組成”。

推求設計斷面受上游水庫調蓄影響的設計洪水計算方法主要有地區組成法、頻率組合法和隨機模擬法[2]。 地區組成法研究當設計斷面發生設計標準的天然洪水時，上游水庫及區間洪水地區組成情況。 頻率組合法頻率曲線為基礎，計算各種組合下水庫的調洪對設計斷面洪水的影響。 隨機模擬法通過建立設計斷面及各分區洪水過程線的模擬模型， 利用隨機生成任意長洪水資料系列進行調洪計算， 得出設計斷面洪水的頻率曲線及設計值。 地區組成法是推求設計斷面受上游水庫或其他工程調節影響后的設計洪水的一種常用的簡便方法。本文基于同頻率地區組成法， 以甘肅省崇信縣廟臺水庫為研究對象，推求受上游水庫調節后的設計洪水，為工程設計提供依據。

2 研究方法

地區組成法包括典型年法和同頻率地區組成法[3]。 典型年法是從實測資料中選取有代表性、 對防洪不利的大洪水作為典型，以設計斷面的設計洪量為控制，按典型年各區洪量占設計斷面設計洪量的比例，計算各區相應的洪量，實際計算中選擇恰當的典型年是關鍵。 同頻率地區組成法是根據防洪要求，選定某一分區出現與下游設計斷面同頻率的洪量， 其余分區相應洪量按水量平衡原則推求。

A 為上游水庫，C 為設計斷面，A 和C 之間為無控制的區間B。研究以C 斷面為設計斷面，上游A 斷面與區間B 2 部分洪水的地區組成。 研究以下2 種同頻率地區組成：（ 1）當下游設計斷面發生設計頻率P的洪水量WC，P時，上游水庫也發生頻率P的洪水量WA，P，區間B發生相應的洪水量WB，即WB=WC，P-WA，P。（ 2）當下游設計斷面發生設計頻率P的洪水量WC，P時，區間B 也發生頻率P的洪水量WB，P，上游水庫發生相應洪水量WA，即WA=WC，P-WB，P。

3 實例應用

3.1 工程概況

汭河是涇河上中游右岸的一級支流，發源于六盤山、隴山分水嶺的東麓，流經華亭、崇信，于涇川縣城西側匯入涇河，干流全長117km，縱坡0.527%，流域面積1 645km2。 汭河中游建有銅城水庫， 壩址以上控制流域面積1 146km2， 主河道長度59.9km，河床比降12.5‰。 廟臺水庫位于汭河干流上，距崇信縣城約16.5km，壩址以上控制流域面積1 152.7km2。

3.2 水文基本資料

汭河干流自上而下設有安口、袁家庵水文站，上游南北汭河交匯口設有華亭水文站。 廟臺水庫距上游安口水文站約7.6km，距下游袁家庵水文站約51.1km。其中，安口水文站建于1975 年1 月，控制流域面積1 129km2，具有1975 年至今的資料。 廟臺水庫距安口水文站較近，二者在植被、地質、氣象、水文等特征具有較好的相似性，采用安口水文站為參證站。

3.3 設計洪水

汭河干流大洪水均由大面積暴雨形成， 汛期一般集中在6～10 月，主汛期7～9 月，一次洪水過程平均約為3d，峰型以單峰為多，洪水具有峰高量大的特點。

3.3.1 歷史洪水調查

根據《 甘肅省洪水調查資料》， 安口水文站附近共有1921 年、1940 年、1938 年、1954 年、1955 年、1966 年6 次 大洪水，成果都較為可靠。 其中，1921 年所發生的洪水為最大，調查歷史洪水流量為1 220m3/s，重現期按照1921 年以來最大取100 年。1940 年洪水也作為特大洪水，其余洪水與實測最大洪水相比量級不大，按照實測考慮。 實測洪水過程歷時一般約3d，統計1d、3d 洪量，獨立選樣挑選年最大值，建立1d 洪量與洪峰關系，插補特大洪水洪量，重現期與洪峰相同。 3d 洪量按實測系列計算。

3.3.2 參證站設計洪水

安口水文站流域內有石堡子水庫和王峽口水庫， 汛期低水位運行， 泄洪設施全開泄洪。 石堡子水庫位于策底河上，2010 年5 月建成， 調洪計算后削峰相對于安口水文站流量所占比例較小。王峽口水庫位于北汭河上，1977 年12 月建成，壩址以上控制流域面積117km2，僅占安口水文站的10.3%。 考慮區間來水較大，因此，認為兩水庫對水文站的實測洪水影響不大。 根據安口水文站1975—2017 年實測加歷史洪水資料，選取年最大洪峰流量、最大1d 洪量、最大3d 洪量，采用P-Ⅲ曲線適線，計算安口水文站的設計洪水成果。

銅城水庫初設采用1975—1999 年實測年最大洪峰資料，加入1921 年、1940 年、1938 年、1954 年歷史洪水進行頻率計算，考慮了幾場歷史調查洪水，且偏于安全，成果可靠合理。 本次延長系列至2017 年， 設計洪水成果比銅城初設階段的小（ 20%設計值除外），設計洪峰流量偏小5%以內，最大1d 洪量偏小3%～22%， 最大3d 洪量偏小10%以內。 銅城初設階段1921 年特大洪水重現期為80 年， 延長系列后2000 年以來洪水量級不大，1921 年洪水重現期變為100 年，頻率曲線上特大洪水點據左移，（ 變差系數）Cv（ 表示系列的離散程度，Cv=標準差σ/平均值x）減小，設計值相應減小。 本次設計也考慮了歷史洪水，從工程設計偏安全角度考慮，安口水文站設計洪水仍采用銅城水庫初設階段的成果。

3.3.3 考慮銅城水庫影響的設計洪水

廟臺水庫上游約1.6km 有已建成的銅城水庫，設計洪水受上游銅城水庫影響。洪水地區組成有2 種：（ 1）廟臺水庫與銅城水庫同頻率設計，廟臺—銅城區間為相應洪水；（ 2）廟臺水庫與廟臺—銅城區間同頻率設計，上游為相應洪水。 因區間面積較小，洪水不起主要作用，因此，第（ 1）種洪水組成對水庫不利。 廟臺水庫與銅城水庫同頻率設計，區間相應組合計算各分區設計洪水成果，區間相應洪量為廟臺水庫天然洪量減去銅城水庫天然洪量。選擇安口水文站峰高量大的1981年8 月21 日實測過程線為銅城水庫典型， 設計洪水過程線放大時采用峰量同頻率放大法，放大后適當修正，使得放大后的洪量和不同頻率的設計洪量相等。 銅城水庫運用方式為蓄清排渾，6 月中旬～10 月中旬空庫敞泄泄洪排沙。 按照水庫洪水調度原則進行調洪計算， 銅城水庫調洪后的下泄流量過程加上廟臺—銅城區間相應洪水即為廟臺水庫受上游水庫調蓄后的設計洪水，廟臺水庫設計洪水成果如表1 所示。

表1 1 廟臺水庫設計洪水成果表

4 結論

本文采用同頻率地區組成法，選用最不利組合“ 設計斷面與上游水庫同頻，區間相應”，計算受銅城水庫調蓄后的廟臺水庫設計洪水。 分析了銅城水庫對廟臺水庫洪水的削減作用，結果表明：500 年一遇洪水削峰率為29%，50 年一遇洪水削峰率為16%，20 年一遇以下洪水基本無削峰作用。 計算成果可為工程設計提供依據。