大型水庫(kù)對(duì)葛溝水文站年最大洪水削峰作用淺析

董西芳

一、引言

2020年8月13日至8月14日，受副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流和冷空氣共同影響，沂河葛溝水文站以上流域平均降水量231.2mm，葛溝水文站實(shí)測(cè)最大流量6320m3/s，為1960年以來(lái)最大（1960年實(shí)測(cè)最大流量8620m3/s，當(dāng)時(shí)水庫(kù)未攔蓄）。本次強(qiáng)降雨前，臨沂市防指統(tǒng)籌考慮水庫(kù)安全和下游河道承洪能力，對(duì)大中型水庫(kù)水量提前預(yù)泄，對(duì)骨干河道攔河閘壩依次提閘或落壩；強(qiáng)降雨期間，實(shí)施庫(kù)河洪水統(tǒng)籌調(diào)度，充分發(fā)揮水庫(kù)的攔洪、削峰、錯(cuò)峰作用，最大限度減輕下游河道防洪壓力。為進(jìn)一步探究上游水庫(kù)在本次洪水中所發(fā)揮的作用，量化防洪效益，本文從洪水還原的角度，對(duì)上游大型水庫(kù)的削峰作用進(jìn)行分析，并拓展到葛溝水文站歷年年最大洪水，以期為未來(lái)大洪水防御工作提供參考。

二、流域水庫(kù)概況

葛溝水文站是沂河干流重要控制斷面，流域面積5533.4km2，河道干流長(zhǎng)182.5km，干流平均坡度1.14‰，流域形狀呈扇形。流域內(nèi)地勢(shì)西北高東南低，山區(qū)面積約占65%，丘陵平原區(qū)面積約占35%。

葛溝水文站以上流域建有3 座大型水庫(kù)（田莊、跋山、岸堤）及7 座中型水庫(kù)（紅旗、寨子山、寨子、高湖、黃土山、朱家坡、張莊），總控制面積3602.39km2，總庫(kù)容14.9678 億m3，總興利庫(kù)容8.4552 億m3。流域內(nèi)建有小（一）型水庫(kù)12 座，控制流域面積106km2，總庫(kù)容0.2041 億m3，興利庫(kù)容0.1198 億m3；小（二）型水庫(kù)57 座，控制流域面積112km2，總庫(kù)容0.1433 億m3，興利庫(kù)容0.0783億m3。其中田莊、跋山、岸堤3 座大型水庫(kù)的調(diào)洪庫(kù)容之和為7.9919 億m3，占大中型水庫(kù)總調(diào)洪庫(kù)容8.3663 億m3的95.5%，7 座中型水庫(kù)的調(diào)洪庫(kù)容之和僅占4.5%，說(shuō)明對(duì)洪水的調(diào)蓄作用主要體現(xiàn)在大型水庫(kù)。小型水庫(kù)及攔河閘壩對(duì)洪水的調(diào)蓄能力更低，故本文只分析大型水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)蓄影響，不考慮中小型水庫(kù)及攔河閘壩工程對(duì)洪水的調(diào)蓄影響。

三、年最大洪水還原方法

洪水還原分析首先基于水量平衡原理計(jì)算出其上游各水庫(kù)攔蓄流量過(guò)程，再利用馬斯京根分段連續(xù)流量演算法將上游各水庫(kù)攔蓄流量過(guò)程匯流演算到葛溝水文站，與葛溝站實(shí)測(cè)流量過(guò)程疊加，即得到其天然洪水流量過(guò)程，原理如式（1）所示。

式中，Q還表示設(shè)計(jì)斷面t 時(shí)刻天然洪水流量，m3/s；Q實(shí)表示設(shè)計(jì)斷面t 時(shí)刻實(shí)測(cè)洪水流量，m3/s；ΔQi表示設(shè)計(jì)斷面上游水庫(kù)i 匯流演算到設(shè)計(jì)斷面的計(jì)算時(shí)段內(nèi)攔蓄流量，m3/s；n 表示設(shè)計(jì)斷面上游水庫(kù)個(gè)數(shù)。

（一）水量平衡原理

由水量平衡原理可知，在某一時(shí)段內(nèi)（Δt=t2-t1），進(jìn)入水庫(kù)的水量與水庫(kù)下泄水量之差，應(yīng)等于該時(shí)段內(nèi)水庫(kù)蓄水量的變化值，轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮?kù)攔蓄流量的表達(dá)形式，如式（2）所示。

式中：Q1、Q2表示水庫(kù)計(jì)算時(shí)段初、末入庫(kù)流量，m3/s；q1、q2表示水庫(kù)計(jì)算時(shí)段初、末出庫(kù)流量，m3/s；ΔQ表示水庫(kù)計(jì)算時(shí)段攔蓄流量，m3/s。

（二）馬斯京根分段連續(xù)流量演算法

上游水庫(kù)攔蓄流量向下游演進(jìn)采用馬斯京根分段連續(xù)流量演算法。其主要原理如下：

1.在Kl=Δt的前提下，用式（3）計(jì)算匯流參數(shù)：

式中：n為上下游兩站間單元河段數(shù)；K為上下游兩站間穩(wěn)定流傳播時(shí)間（h）；Δt為河道匯流演算時(shí)段長(zhǎng)（Δt=1h）；Kl為單元河段穩(wěn)定流傳播時(shí)間（h）；L為上下游兩站間河段長(zhǎng)（km）；Ll單元河段長(zhǎng)（km）；Xl為單元河段流量比重因數(shù)；l為上下游兩站間特征河長(zhǎng)（km）。

2.在Kl=Δt的前提下，各單元河段間的河道匯流用式（4）計(jì)算：

式中：I1、I2分別為單元河段始、末入流量（m3/s）；O1、O2分別為單元河段始、末出流量（m3/s）；C0、C1、C2為單元河段演算系數(shù)，分別用式（5）計(jì)算：

有了Xl之后，即可用式（5）計(jì)算出C0、C1、C2。n個(gè)單元河段連續(xù)用式（6）作單元河段匯流演算，即可推導(dǎo)得上斷面在零時(shí)刻有一個(gè)單位入流量時(shí)，在第n個(gè)單元河段出口所形成的出流過(guò)程，這一出流過(guò)程數(shù)列，就是馬斯京根法河槽匯流系數(shù)：

式中：n為單元河段數(shù)；m為匯流系數(shù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)段數(shù)；P0n為單元河段數(shù)為n的零時(shí)段匯流系數(shù)；Pmn為單元河段數(shù)為n的第m段匯流系數(shù)。

3.有了馬斯京根河槽匯流系數(shù)Pmn，即可按倍比、疊加原理采用式（7）通用卷積公式將上游水庫(kù)的下泄流量過(guò)程q（i）匯流演算到下游控制斷面。

式中：Qt為下游控制斷面匯流來(lái)水過(guò)程（m3/s）；qi為上游水庫(kù)下泄流量過(guò)程（m3/s）；k為上游水庫(kù)下泄流量個(gè)數(shù)。

本文上下游兩站間的特征河長(zhǎng)、穩(wěn)定流傳播時(shí)間均采用《淮河流域沂沭泗水系實(shí)用水文預(yù)報(bào)方案》中的最新成果。

四、年最大洪水削峰作用分析

（一）多年平均削峰作用

選取水庫(kù)建成后的1961—2020年葛溝水文站歷年最大洪水資料，采用前述年最大洪水還原方法，還原得到葛溝水文站天然洪水過(guò)程，繪制歷年實(shí)測(cè)、還原最大流量比較圖，見(jiàn)圖1。

根據(jù)實(shí)測(cè)和還原后的最大流量，計(jì)算水庫(kù)的消減洪峰情況，見(jiàn)表1。

由表1 可知，1961—2020年，上游3 座大型水庫(kù)對(duì)葛溝水文站年最大洪水的多年平均削峰百分比為29.0%。

（二）典型洪水削峰作用

由圖1 可以看出，水庫(kù)建成后的1961—2020年，葛溝水文站前3 位洪水分別發(fā)生在1963年、1974年和2020年，3 場(chǎng)典型洪水大型水庫(kù)的攔蓄作用見(jiàn)表2，消減葛溝站洪峰流量情況見(jiàn)表3。

圖1 葛溝水文站歷年最大洪水還原前、后比較圖

表2 典型洪水大型水庫(kù)攔蓄作用統(tǒng)計(jì)表

表3 典型洪水大型水庫(kù)消減葛溝站洪峰流量情況表

由表2、表3 可以看出：越是大洪水，水庫(kù)的削峰作用越顯著。如：1963年7月19日洪水中，田莊、跋山、岸堤水庫(kù)的最大入庫(kù)流量分別為1603m3/s、4469m3/和6500m3/s，最大出庫(kù)流量分別為375m3/s、1100m3/和538m3/s，水庫(kù)本身削峰百分比分別為76.6%、75.4%和91.7%；消減葛溝站洪峰流量8206m3/s，削峰百分比達(dá)62.1%。

1974年8月14日洪水中，消減葛溝站洪峰流量3564m3/s，削峰百分比為40.4%。2020年8月14日洪水中，消減葛溝站洪峰流量2470m3/s，削峰百分比為28.1%。

2020年8月14日洪水中，岸堤水庫(kù)來(lái)水量最大，最大入庫(kù)流量5263m3/s，最大出庫(kù)流量1020m3/s，水庫(kù)本身削峰百分比為80.6%。岸堤水庫(kù)入庫(kù)、出庫(kù)流量過(guò)程線見(jiàn)圖2，葛溝水文站實(shí)測(cè)、還原流量過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖2 2020年8月14日洪水岸堤水庫(kù)入庫(kù)、出庫(kù)流量過(guò)程線圖

圖3 2020年8月14日洪水葛溝水文站實(shí)測(cè)、還原流量過(guò)程線圖

五、結(jié)論

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，1961—2020年，上游3 座大型水庫(kù)對(duì)葛溝水文站年最大洪水的多年平均削峰百分比為29.0%。越是大洪水，水庫(kù)的削峰作用越顯著。水庫(kù)的消峰作用減輕了下游河道的防洪壓力，保護(hù)了沿河兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全，今后隨著上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度不斷優(yōu)化，消峰效益將愈加凸顯■