采兔溝水庫壩址徑流計算分析

謝 天

（渭南水文水資源勘測中心,陜西 渭南 714000）

1 引言

河流徑流作為地貌形成的外營力之一,參與了地殼中的整個地球化學過程[1],不僅如此,徑流還很大程度上影響著土壤的發(fā)育、植物的生長以及湖泊、沼澤的形成等[2]。徑流在國民經濟發(fā)展過程中發(fā)揮了極其重要的作用,河流徑流量是形成地區(qū)工農業(yè)供水的基礎條件,在一定程度上制約了地區(qū)社會經濟發(fā)展的規(guī)模[3]。影響徑流的因素眾多,主要包括河流補給、地形、流域面積、支流數量、蒸發(fā)量以及植被覆蓋率等[4]。徑流計算作為水庫工程設計的基礎,在設計水庫規(guī)模過程中起著關鍵作用。

2 工程概況

采兔溝水庫工程位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)采兔溝村附近禿尾河中游干流上,壩址距下游榆—神鐵路大橋1.0 km、距神木縣城35 km、榆林市75 km。工程的主要任務是在不影響下游生產、生活和生態(tài)用水的前提下,向大保當工業(yè)區(qū)供水。

2.1 流域概況

禿尾河是黃河一級支流,上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成,宮泊溝源自北部的宮泊海子,長23.4 km,流域面積323 km2；圪丑溝源自大海子,長19.5 km,流域面積410 km2。匯合口烏雞灘以下稱禿尾河干流,沿途匯入的較大支流有清水溝、紅柳溝、扎林川、開荒川、前青楊樹溝、洞川等,自北向南流經瑤鎮(zhèn)、野林托拉、高家堡、高家川,于神木縣萬鎮(zhèn)鄉(xiāng)河口岔村匯入黃河。禿尾河全長133.9 km,流域面積3373 km2,河道平均比降3.87‰。

禿尾河高家堡以上流域主要為風沙草灘地貌,靠近高家堡段有10%左右的黃土溝壑地貌。風沙草灘區(qū)地形平坦開闊,分布有較多的湖泊洼地,降雨入滲系數大,徑流主要是由降雨入滲到沙漠,通過地下水的形式排出。黃土溝壑區(qū),長期受流水切割,梁狀溝壑比較發(fā)育,塬面支離破碎,溝壑縱橫,丘陵起伏,植被差,水土流失嚴重。

瑤鎮(zhèn)水庫壩址位于禿尾河干流宮泊溝和圪丑溝匯合口以下3.7 km處,2003年建成,是一座以城鎮(zhèn)供水為主,兼顧灌溉、生態(tài)用水等綜合利用的中型水利工程,壩址以上流域面積770 km2。采兔溝水庫壩址位于瑤鎮(zhèn)水庫以下13 km處,距下游高家堡水文站約24 km,控制流域面積1339 km2。流域主要為風沙草灘地貌,壩址附近少量的黃土溝壑地貌,其面積約24 km2。

以上各斷面及區(qū)間面積見表1。

表1 采兔溝水庫壩址以上流域各斷面特征參數表

2.2 水文基本資料

1955年9月和1966年5月黃河水利委員會在禿尾河流域設立了高家川和高家堡兩個水文站,兩站控制的流域面積分別為3253 km2和2095 km2,觀測有建站至今的水文資料。1984年為修建瑤鎮(zhèn)水庫,地礦部908隊在禿尾河上游的宮泊溝和圪丑溝溝口設立了兩個流量觀測點,觀測了1984年8月至1994年6月共9年流量資料及1991年泥沙資料。

另外,采兔溝水庫壩址以上還設有公草灣、圪丑溝雨量站,至今已有30多年的降水觀測資料。鄰近的海流兔河1956年設立了韓家峁水文站,是風沙區(qū)唯一的水文站,該站控制流域面積2452 km2,有建站至今的水文資料。

以上資料除宮泊溝和圪丑溝溝口流量、泥沙系地礦部908隊觀測,其余各站均為水利部門實測資料整編成果,地礦部908隊觀測的水文資料在瑤鎮(zhèn)水庫設計時,對其進行了復核,認為觀測資料能夠滿足設計要求,表明以上各站點的水文資料具有可靠性。

3 徑流計算

3.1 烏雞灘徑流計算

烏雞灘僅有1984年8月至1994年6月9年實測資料,按水文計算規(guī)范進行該站徑流計算時,需對資料進行插補延長。

3.1.1 徑流資料的插補延長計算

通過分析烏雞灘9年實測徑流資料和本流域降水、本流域高家堡站徑流、鄰近相似的海流兔河韓家峁站徑流可知。烏雞灘徑流和本流域降水關系較好,本次采用流域的降水資料延長計算烏雞灘年徑流,具體方法有兩種,相關分析計算見表2和圖1。

圖1 烏雞灘斷面年徑流量-年降水相關圖

（1）烏雞灘年徑流與流域當年和前一年降水均值相關

流域面雨量：烏雞灘以上流域僅設有圪丑溝雨量站,該站基本能代表烏雞灘以上流域的面雨量,因此烏雞灘以上流域面雨量用圪丑溝站雨量資料計算。

由于風沙區(qū)的調蓄作用,徑流的形成有滯后作用,經分析,烏雞灘年徑流與圪丑溝當年和前一年降水的平均值關系較好,相關圖見圖1。

其相關方程為：

式中：W烏為烏雞灘斷面年徑流量,萬m3；P圪為圪丑溝站當年與前一年降水的平均值,mm。

相關系數為：r=0.79。

用上述相關方程,根據圪丑溝站的降水量可插補得烏雞灘斷面1969年～1984年、1994年～2000年徑流量,插補得到的年徑流和1985年～1993年實測徑流組成烏雞灘1969年～2000年徑流系列。

用烏雞灘1969年～2000年徑流系列計算的多年平均徑流量為8350萬m3。

（2）根據烏雞灘9年徑流資料計算多年平均徑流量

烏雞灘以上流域的徑流主要是由降水形成,盡管風沙區(qū)具有一定的調蓄作用,但從一個較長的時段來看,徑流應隨降水量的大小而變化,即降水量大,徑流量大,反之徑流量小,根據這一徑流特性及徑流成因,可用流域多年平均降水量與9年降水量的均值作為系數乘以烏雞灘9年的平均徑流量計算多年平均徑流量,計算得到烏雞灘斷面多年平均徑流量為8750萬m3。（烏雞灘斷面9年平均徑流量為8260萬m3,圪丑溝1968年～2000年平均降水量為345.5 mm,1985年～1993年9年平均降水量為326 mm。）

3.1.2 烏雞灘徑流延長計算成果采用

用以上兩種方法計算得到的多年平均徑流量僅相差400萬m3,差別不大,考慮到沙漠區(qū)徑流～降雨關系定量分析復雜,研究還不成熟,本次設計采用多年平均降水量與9年降水均值作為修正系數推求烏雞灘斷面的年徑流,多年平均徑流量為8750萬m3。

3.1.3 烏雞灘斷面年徑流系列

禿尾河烏雞灘斷面以上流域與海流兔河韓家峁水文站以上流域屬同一氣候區(qū),下墊面條件基本一致,徑流特性接近,通過對鄰近流域韓家峁站年徑流系列分析可知,韓家峁站1968年～2000年多年平均徑流量為9500萬m3,CV為0.13,而1957年～2000年多年平均徑流量為9900萬m3,CV為0.16,長、短系列的均值與變差系數相差不大,說明韓家峁站1968年～2000年年徑流系列能夠代表1957年～2000年年徑流系列。從而可知烏雞灘斷面1968年～2000年年徑流系列能夠代表烏雞灘斷面1957年～2000年的年徑流系列,即烏雞灘斷面1957年～2000年多年平均徑流量為8750萬m3。借用韓家峁站徑流的年際分配系數推求烏雞灘缺測年份的徑流量,從而可得出烏雞灘斷面1957年～2000年44年年徑流系列。

3.1.4 烏雞灘年徑流計算

根據烏雞灘1957年～2000年徑流系列按矩法計算統計參數得多年平均徑流量為8750萬m3,CV=0.17,采用P-Ⅲ型曲線適線,適線結果為：W=8750萬m3,CV=0.18,CS=2.5CV,計算成果見表3,頻率曲線見圖2。

圖2 韓家峁站與烏雞灘斷面1985年～1993年實測9年平均徑流年內月分配百分比圖

表3 烏雞灘年徑流成果表 單位：108m3

3.1.5 烏雞灘斷面徑流的年內月分配

經分析計算,點繪韓家峁站與烏雞灘斷面1985年～1993年實測9年平均徑流年內月分配百分比圖,從圖2～圖3中可以看出,由于兩流域的地區(qū)差別,兩者稍有差異,但差異不大,最大差值為1.47%（8月份）,在7月、8月韓家峁站百分比大些,采用韓家峁站年內月分配對調節(jié)計算不利,故本次設計烏雞灘斷面44年系列中除1985年～1993年采用烏雞灘斷面實測值外,其余年份年內月分配借用韓家峁站實測徑流年內月分配比例進行分配。

圖3 烏雞灘斷面與韓家峁站9年平均年內月分配百分比圖

3.2 瑤鎮(zhèn)水庫壩址徑流計算

3.2.1 年徑流計算

瑤鎮(zhèn)水庫壩址徑流根據烏雞灘斷面徑流用面積比擬法進行計算,計算得到瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流成果見表4。

表4 瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流計算成果表 單位：108m3

3.2.2 采兔溝水庫壩址天然年徑流計算

采兔溝水庫壩址以上徑流根據烏雞灘斷面徑流按面積比擬法計算,計算成果見表5。

表5 采兔溝水庫壩址年徑流計算成果表 單位：108m3

3.2.3 瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間徑流計算

瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間徑流為采兔溝水庫壩址天然年徑流扣除瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流得到。經計算,采兔溝水庫壩址多年平均徑流量為6790萬m3。

不同頻率徑流量見表6。

表6 瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間年徑流計算成果 單位：108m3

3.2.4 瑤鎮(zhèn)水庫建成后采兔溝水庫壩址徑流計算

瑤鎮(zhèn)水庫建成后,采兔溝水庫壩址徑流為瑤鎮(zhèn)水庫下泄過程與瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間徑流疊加而成,年徑流計算結果見表7,徑流的年內月分配見表8。

表7 采兔溝水庫壩址年徑流成果表 單位：108m3

表8 采兔溝水庫壩址徑流月、逐年分配表

4 結語

以位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)采兔溝村的采兔溝水庫工程為例,通過對流域概況和水文基本資料的分析,分別根據烏雞灘年徑流與圪丑溝當年和前一年降水的平均值關系,以及根據烏雞灘9年徑流資料對烏雞灘水文站徑流和瑤鎮(zhèn)水庫壩址徑流進行了計算。最終選取多年平均降水量與9年降水均值作為修正系數推求烏雞灘斷面的年徑流。根據烏雞灘斷面徑流用面積比擬法計算了瑤鎮(zhèn)水庫壩址徑流。本文采用的計算方法對采兔溝水庫壩址徑流計算較為適用,計算結果可靠,能夠滿足工程設計需求。