甘肅省涇河流域某小型水庫工程設計洪水分析計算

王奕萌

（甘肅水務平涼供水有限責任公司，甘肅 平涼 744000）

關鍵字：中小型水庫；設計洪水；水文站參證法；推理公式法；涇河流域

1 概述

涇河為黃河十大水系之一[1]，甘肅省境內涇河流域面積占流域總面積的三分之二，由西北向東南流經平涼、慶陽等地，流域內礦產資源豐富，是國家重要的能源基地。由于水資源時空分布極不均勻，工程型缺水問題突出，水資源調蓄能力不強，難以滿足區域內社會各業日益增長的用水需求[2]。為解決這一問題，需修建調蓄水庫工程。在中小型水庫設計和施工的過程中，設計洪水的分析與計算有著十分重要的意義[3-4]，本文以甘肅省涇河流域某小型水庫工程項目為研究對象，采用水文站參證站法[5-6]和推理公式法[7-8]來對設計洪水進行分析計算，并探討以上兩種方法的適用性，以期為其他同類型中小型水庫工程的設計提供參考。

2 工程概況

研究水庫為北楊澗水庫，位于平涼市崆峒區，該水庫是一座以農村生活供水和川臺地灌溉為主，兼有抗旱應急任務的水源工程。修建北楊澗水庫，可對北楊澗河河川徑流進行蓄積、調節利用，為受水區15200 人農村生活和492hm2畝川臺地灌溉提供正常供水，提高受水區用水保證率，改善用水現狀，并且在干旱期保障受水區基本用水，滿足抗旱應急之需。

本工程水源為涇河一級支流北楊澗河，根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288－1999）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252－2000）的規定，北楊澗水庫屬Ⅴ等?。?）型工程，主要建筑物級別為5 級，次要建筑物和臨時性建筑物級別為5級。由此確定水庫工程按10 年一遇洪水設計，20 年一遇洪水校核，施工期洪水采用5 年一遇。

3 設計洪水計算

北楊澗河洪水采用窯峰頭水文站參證站法，《甘肅省暴雨洪水圖集》推理公式法(時段暴雨參數采用2003 年《甘肅省暴雨特性研究》的成果)分析計算，并相互驗證。

3.1 水文站參證站法

窯峰頭水文站設在大路河出口上游1.5km 處，控制流域面積219 km2?！陡拭C省洪水調查資料》中已整編刊印了窯峰頭水文站1935 年、1950 年、1953年、1966 年的4 次大洪水，調查洪水成果較為可靠。窯峰頭水文站歷史洪水調查成果見表1。

表1 窯峰頭水文站歷史洪水調查成果表

根據歷史文獻記載，結合鄰近流域歷史洪水發生情況分析，窯峰頭水文站歷史特大洪水重現期按最遠調查考證年份至今的年數確定，最遠調查考證年份為1935 年，故歷史特大洪水重現期按80 年考慮。

窯峰頭水文站洪水分析依據1975-2014 年的歷年實測年最大洪峰流量資料系列，并加入調查到的該站四場歷史洪水。在頻率分析計算中，將實測資料系列中的1996 年洪峰流量605m3/s、1991年洪峰流量341m3/s、1992年洪峰流量310m3/s 提出，作為特大值處理，用矩法初估參數，采用P-Ⅲ型曲線適線求得。窯峰頭水文站設計洪峰流量成果見表2。

表2 窯峰頭水文站設計洪峰流量成果表

北楊澗河與大路河同屬涇河左岸一級支流，具有相近的氣候因素及下墊面條件，且控制流域面積接近，故以窯峰頭水文站為參證站，采用面積指數換算法推求各控制斷面不同頻率設計洪峰流量。

式中：Qm——設計斷面洪峰流量m3/s；

Qn——參證站洪峰流量m3/s；

F1——設計斷面控制流域面積km2；

F0——參證站控制流域面積km2；

n——指數，取0.67。

經計算，各控制斷面不同頻率洪峰流量計算成果見表3。

表3 各控制斷面不同頻率洪峰流量成果表

3.2 推理公式法

按照流域面積大小選取暴雨控制時段分別為1h、3h、6h、24h。查2003 年《甘肅省暴雨特性研究》，得流域重心處最大1h、6h、24h 的點雨量分別為23mm、39mm、60mm，對應的Cv 分別為0.58、0.55、0.46，Cs=3.5Cv，根據皮爾遜Ⅲ（P-Ⅲ）曲線的模比系數Kp 值求得1h、6h、24h 各頻率的點雨量，3h 點雨量按公式（2）內插求得：

式中：H3——3h 點雨量mm；

H6——6h 點雨量mm；

H1——14h 點雨量mm。

由《甘肅省暴雨洪水圖集》查得點面折減系數1h、6h、24h分別為0.80、0.81、0.835，直線內插得3h為0.806，流域綜合改正系數1h、3h、6h、24h 分別為0.915、0.915、0.915、0.899。求得各時段內的點面雨量詳見表4。

表4 北楊澗河點、面雨量計算表

根據流域面積大小，選取北楊澗河區主雨峰為3h 的綜合雨型，按各時段內面雨量同頻率控制放大，求得面雨量過程，本流域下墊面屬黃土區，用黃土區查用表進行產流計算，經計算，P=2%時，tc=6h，Ptc=44.79mm，f=5.75mm/h；P=5%時，tc=3h，Ptc=24.18mm，f=8.51mm/h；P=10%時，tc=3h，Ptc=18.17mm，f=7.49mm/h；P=20%時，tc=3h，Ptc=12.70mm，f=6.28mm/h；P=66.7%時，tc=3h，Ptc=5.28mm，f=3.48mm/h。

流域特征參數θ 按公式（3）計算：

式中：L——主流長度，48.3km；

J——河道平均比降，10.0‰；

F——控制流域面積，237Km2；計算得θ=57.14。

用黃土區綜合公式（4）計算匯流參數m：

式中：m——匯流參數；

h——凈雨深，黃土區凈雨深小于35mm 時，按

實際值計算，當凈雨深大于35mm 時，取h=35mm 進行計算。

利用圖解法求洪峰流量Qm及匯流歷時τ，根據假設時間t，求得相應的凈雨深ht，Qt按公式計算，匯流歷時，求得P=2%、P=5%、P=10%、P=20%、P=66.7%頻率下的Qt—t曲線如圖1 所示。地表洪峰流量計算詳見表5，不同頻率洪峰流量計算成果見表6。

圖1 不同頻率下的Qt—t 曲線圖

表5 地表洪峰流量計算表

表6 不同頻率洪峰流量計算成果表

3.3 分期設計洪水

北楊澗河分期設計洪水，以窯峰頭水文站為參證站，按面積指數換算法求得。

根據施工期最大流量成因及年內不同時期洪水流量的變化，將全年分期洪水劃分為12～3 月（次年）、4 月、5 月、6 月、7～8 月、9 月、10 月～11月七個時期。主汛期（7～8 月）直接采用年最大洪峰流量成果，其余各分期洪水依據窯峰頭水文站月最大流量資料按月統計，分期選樣不跨期，各分期選樣系列組成后，用矩法初估參數，采用P-Ⅲ型曲線適線求得窯峰頭水文站各分期洪水，按面積指數換算得北楊澗河分期設計洪水。分期設計洪水成果見表7。

表7 分期設計洪水成果表

4 設計洪水成果合理性分析

由計算結果分析，兩種方法計算的洪峰流量比較接近。《甘肅省暴雨洪水圖集》推理公式法雖是經過全國及全省平衡后的成果，但它是一種經驗算法，代表性一般。而參證站法實測資料系列較長，歷史洪水調查成果可靠，精度和代表性好。故本次設計洪水采用參證站法計算結果。兩種方法計算成果對比見表8。

表8 兩種方法計算成果對比表

5 結論與建議

（1）在水庫工程項目設計和施工過程中，設計洪水通常根據流量資料和暴雨資料兩種方法來計算，若工程項目區域參考站有相對較長的實測資料時，建議首先選用水文站參證法計算，以提高水庫工程設計的合理性。

（2）在無資料地區進行小型水庫洪水設計時，結合相關實踐經驗和《甘肅省暴雨洪水圖集》采用推理公式法進行設計洪水的計算也具有一定的可行性。