流域內伏流區面積占比較大水庫設計洪水分析

陳恒吉，黃開文，田 海

(畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

1 基本情況

龍官橋水庫壩址以上集雨面積31 km2，其中，明流區集雨面積12.2 km2，伏流區集雨面積18.8 km2，明流區主河道長8.8 km，河道平均坡降23.2‰。設計流域屬山區雨源型河流，洪水均由暴雨形成。流域內巖溶發育，分布有巖溶洼地、落水洞、伏流等，由于伏流區的滯洪作用，導致流域洪峰流量模數比周邊流域偏小，洪水歷時比鄰近地區長，洪量主要集中在24 h內。

水庫壩址下游12.38 km處設有徐花屯水文站，控制流域面積104.8 km2。其中，流域有兩塊伏流區，1#伏流區位于龍官橋水庫壩址上游流域右側，集雨面積18.8 km2，伏流區地表水系發育，河流在白龍地進入落水洞后，于后箐的何家院子上游0.8 km處出露，出露點距下游龍官橋水庫壩址2.6 km，距徐花屯水文站10.8 km。伏流暗河長0.7 km，受伏流暗河滯洪影響，發生洪水時落水洞前基本上都會形成天然海子。2#伏流區位于流域左側，于龍官橋水庫壩址和徐花屯水文站之間漁洞塘出露，上距龍官橋水庫壩址1.5 km，下距徐花屯水文站7.3 km，集雨面積52.6 km2。2#伏流區地表水系不發育，但是地下暗河發育。

2 設計洪水計算

2.1 歷史洪水

(1)水庫壩址河段歷史洪水調查。1963年4月，畢節專署水利局(現畢節市水務局)對倒天河的歷史洪水進行調查，調查到1876年(清光緒二年)和1954年發生過的洪水，根據洪痕推算的洪水流量分別為349 m3/s和248 m3/s，分別相當于136年一遇和45年一遇的洪水。將調查的洪水比擬到徐花屯水文站得到流量分別為278 m3/s和198 m3/s。1963年以后從徐花屯水文站的實測洪峰流量看，2006年發生的洪水最大，實測流量為217 m3/s，結合調查到的歷史洪水分析，確定其重現期為68年一遇。

對龍官橋水庫壩址河段進行洪水調查，當地居民對2006年發生的洪水記憶較深，這次洪水把小旱莊河道兩邊的耕地全部淹沒，根據當地居民指認的洪痕，計算出該次洪峰流量為93.5 m3/s。徐花屯水文站2006年實測的洪水重現期為68年，壩址調查的2006年歷史洪水重現期仍然定為68年。

(2)伏流出口處歷史洪水調查。經調查，發生較大洪水的年份有1975年、2006年。根據調查到的洪痕，整理出伏流出口處歷史洪水調查成果見表1。

表1 伏流出口處洪水調查成果

本次洪水調查伏流出口未調查到1975年以前的洪水，確定洪水調查起始期為1975年，1975年洪水為本次調查到的最大洪水，從1976—2016年已有40年，因此，1975年的洪水重現期至少為40年，而2006年洪水為次大洪水。根據調查分析結果，確定1975年洪水重現期為40年，2006年洪水重現期為20年。

2.2 徐花屯水站設計洪水

徐花屯水文站有32年實測最大洪峰流量和兩年歷史洪水調查值(1876年、1954年)，實測系列中2006年洪峰作為特大值處理，以P-Ⅲ線型理論曲線適線，求得水文站的設計洪峰統計參數及設計洪峰成果。根據實測的洪峰和最大一日洪量建立相關關系：相關關系為y=13.104x0.738，相關系數R2=0.8473，相關圖見圖1，這樣就可以插補1867年、1954年的最大一日洪水總量分別為834萬m3、649萬m3，再進行頻率適線，得到最大一日洪水總量統計參數及設計頻率下的最大一日洪水總量(其中1876年、1954年、2006年洪量作特大值處理)，洪水計算見表2。

圖1 徐花屯水文站洪峰洪量相關

表2 徐花屯水文站設計洪水計算成果

2.3 伏流區設計洪水分析計算

徐花屯水文站以上有兩塊伏流區，走訪當地居民，了解到1#伏流區出露點流量基本穩定，暴雨過后出水仍較小，隨著流域內暴雨強度的不同，穩定出流歷時一般在5～30 h。當地居民對2006年6月29日和2007年7月28日發生的洪水記憶較深，出水洞過水斷面小，2006年6月29日這次洪水在落水洞處形成天然海子，歷時5 d消退完，2007年7月28日發生的洪水歷時3 d消退，根據白龍地雨量站實測資料，6月29日暴雨量達到220.8 mm，7月28日暴雨量達到125.5 mm。2#伏流區受流域內地形地貌的影響，2006年6月29日這次洪水歷時超過兩周，根據徐花屯水文站實測洪水過程，總歷時為14 d，本次計算按14 d，2007年7月28日這次洪水歷時10 d。

采用伏流區洪峰流量計算公式計算，如式(1)[1]：

Qp=0.0231×(CΦ×H24p×A閉)/T

(1)

式中：Qp為地下洪水洪峰流量，m3/s；CΦ為洪峰徑流系數，根據暴雨洪水手冊相關值確定；H24p為設計最大24 h降雨量，mm；A閉為伏流區集雨面積，km2；T為一次洪水歷時，d。

計算出1#伏流區兩次洪峰流量分別為12 m3/s和11.8 m3/s，兩次計算的洪峰流量相差較小，出流能力較為穩定；2#伏流區兩次洪峰流量分別為19.2 m3/s和15.2 m3/s，兩次計算結果相差較大，出流能力變化較大。一般情況伏流區出流小頻率洪水時的洪峰流量比大頻率洪水略大，基于此原則擬定不同頻率的洪峰流量，成果見表3。

表3 伏流區洪峰流量成果表 m3·s-1

2.4 水庫壩址洪水計算

(1)雨洪法計算壩址明流區設計洪水。水庫壩址以上集雨面積31.0 km2，其中：明流區集雨面積12.2 km2，1#伏流區18.8 km2(2#伏流區不在壩址以上的集雨面積內)。由于伏流區有明顯的阻洪作用，采用雨洪法計算壩址明流區洪峰流量，再與伏流區洪峰疊加，即得到全流域設計洪水。

明流區集雨面積12.2 km2，流域幾何特征值為16.5，依據《貴州暴雨洪水計算綜述》相關公式計算，如式(2)[2]：

(2)

式中：Qp為洪峰流量，m3/s；γ1為匯流系數，取0.35；f為流域形狀系數；J為坡降；F為設計流域匯水面積，10 km2

洪水計算中產匯流參數在《貴州暴雨洪水計算綜述》中查得。

明流區洪水總量計算，如式(3)[2]：

W總=0.1×F×(H24p-Hs-ΔHs)

(3)

式中：W總為明流區洪水總量，萬m3；F為水庫壩址以上流域面積，km2；Hs為穩定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。

經計算，水庫壩址洪峰流量成果見表4。

表4 水庫壩址設計洪峰流量成果(雨洪法)

(2)水文比擬法計算壩址設計洪水。龍官橋水庫壩址以上集雨面積31.0 km2，其中伏流區集雨面積18.8 km2，占壩址以上集雨面積的60.6%；徐花屯水文站控制流域集雨面積104.8 km2，其中伏流區集雨面積71.4 km2，占水文站集雨面積的68.1%。采用集雨面積比擬，洪峰流量、一日洪量面積影響指數取0.8、0.9，由于伏流區所占的比重較大，并且各斷面伏流區所占的比重不同。壩址伏流區所占全流域比重小于徐花屯水文站，計算得到的結果偏小，需要根據伏流區面積影響進行修正。

洪峰流量修正系數計算，如式(4)

k峰=((1-k壩伏)/(1-k水伏))0.8

(4)

洪水總量修正系數計算，如式(5)：

k量=((1-k壩伏)/(1-k水伏))0.9

(5)

式中：k峰為洪峰流量修正系數；k壩伏為壩址伏流區占壩址集雨面積的比重；k水伏為水文站伏流區占水文站控制集雨面積的比重。

指數是依據水文比擬法的指數來確定，徐花屯水文站實測洪峰系列統計得到的均值42.1 m3/s，Cv值為1.08，一日洪量均值206萬m3，Cv值為0.66。

考慮到壩址集雨面積小于徐花屯水文站集雨面積，壩址洪峰、洪量的變差系數Cv應比徐花屯水文站的洪峰、洪量Cv偏大，經綜合取值，壩址洪峰、洪量變差系數Cv分別為1.09、0.67。壩址不同頻率設計洪水成果見表5。

表5 壩址洪峰流量成果表(水文比擬法)

(3)水庫壩址洪水成果分析。 壩址設計洪水分別采用雨洪法和水文比擬法計算，見表6。在校核洪峰流量P=0.1%情況下，水文比擬法成果比雨洪法成果大22.6%；在設計洪峰流量P=0.2%情況下水文比擬法成果比雨洪法成果大18.8%；在P=1%情況下兩種計算成果基本一致。雨洪法成果為自成系統，水文比擬法采用了伏流區修正，兩種計算方法是可行的，成果是合理的。調查到的水庫壩址2006年洪峰流量為93.5 m3/s，重現期為68年，與雨洪法計算成果68年一遇洪水93.3 m3/s基本一致，與水文比擬法成果67年一遇洪水93.4 m3/s也基本一致。結合調查的歷史洪水，設計洪峰采用兩種計算成果的平均值。同樣洪水總量也采用兩種計算成果的平均值[3]。

表6 壩址洪峰流量洪水總量成果

3 洪水成果合理性分析

以徐花屯水文站作為參證站計算得到的洪水成果，較鄰近流域其他工程稍小一些。設計流域巖溶發育，所以洪峰模數較小，設計洪水考慮了流內伏流區的影響，成果符合流域特性，洪水成果基本合理。水庫壩址采用水文比擬法和雨洪法兩種方法計算，結合調查的歷史洪水，設計洪水采用兩種計算成果的均值可靠。

4 結 論

在巖溶發育地區，以水文比擬法和雨洪法對流域內設計水庫進行洪水計算，水文比擬法考慮伏流區修正，雨洪法結合流域內伏流區歷史洪水調查成果，經分析對比，兩種計算成果基本一致，精度較好，也符合地區洪水的地區分布規律，為巖溶發育地區設計洪水分析計算提供參考。