劉依松 聶其兵

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌市黃柏河流域管理局，湖北 宜昌 443000）

在病險(xiǎn)水庫(kù)安全鑒定和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)洪水復(fù)核是關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，直接影響到工程的安全、投資及效益.在進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，要求補(bǔ)充收集并延長(zhǎng)水文和氣象資料，充分運(yùn)用水庫(kù)運(yùn)行期實(shí)測(cè)水文資料，考慮建庫(kù)后上游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的影響和大壩工程現(xiàn)狀，開(kāi)展設(shè)計(jì)洪水的復(fù)核分析計(jì)算，為水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算和大壩工程現(xiàn)狀抗洪能力評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)依據(jù).

在國(guó)外，設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算主要有兩條途徑：一是數(shù)理統(tǒng)計(jì)途徑，也稱(chēng)頻率計(jì)算法；二是水文氣象途徑，推求可能最大暴雨P(guān)MP，或可能最大洪水PMF，亦稱(chēng)水文氣象法.頻率計(jì)算法推求設(shè)計(jì)洪水常有兩種方法：一種是由實(shí)測(cè)流量資料推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，另一種是由暴雨資料推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，用流域水文模型進(jìn)行產(chǎn)、匯流計(jì)算，從而推求出設(shè)計(jì)洪水過(guò)程.

在國(guó)內(nèi)常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法［1]，大部分洪水的一種較優(yōu)分布均呈P－Ⅲ型［2－3]曲線形態(tài)，并獲得了廣泛應(yīng)用.在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算中，大型水庫(kù)主要先采用流量法、暴雨法計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)洪水，再經(jīng)對(duì)比分析后，一般推薦采用實(shí)測(cè)流量法成果.中型水庫(kù)由于缺乏實(shí)測(cè)流量，一般采用實(shí)測(cè)暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，針對(duì)流域資料情況在設(shè)計(jì)面雨量分析時(shí)常采用點(diǎn)面折減、算術(shù)平均、加權(quán)平均等方法進(jìn)行計(jì)算.面雨量資料不足時(shí)，多通過(guò)點(diǎn)面關(guān)系推求流域面平均雨量.可能最大降水或可能最大洪水這一水文氣象法分析設(shè)計(jì)洪水避免了頻率分析計(jì)算的某些不足.

由實(shí)測(cè)暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的暴雨法，與通過(guò)流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水相比較，是一種間接方法，其最大優(yōu)點(diǎn)在于能充分利用暴雨資料，特別是當(dāng)流量資料不足時(shí)，往往成為主要的途徑.計(jì)算時(shí)假定設(shè)計(jì)暴雨與相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水同頻率，然后通過(guò)暴雨資料頻率分析確定設(shè)計(jì)暴雨，再通過(guò)產(chǎn)流分析確定設(shè)計(jì)凈雨，最后通過(guò)匯流分析確定設(shè)計(jì)洪水［4－5].本文以龍脈水庫(kù)為背景，通過(guò)論證分析采用實(shí)測(cè)暴雨資料的方法進(jìn)行研究，確定設(shè)計(jì)洪水，為水庫(kù)除險(xiǎn)方案和加固措施提供決策依據(jù).

1 龍脈水庫(kù)簡(jiǎn)況

龍脈水庫(kù)位于湖北省隨州市曾都區(qū)尚市鎮(zhèn)龍脈村，距離隨州市城區(qū)40km，水庫(kù)攔截漢江水系利河流域支流，承雨面積42km2，多年平均年降雨量960 mm，多年平均年徑流量1 397萬(wàn)m3.設(shè)計(jì)總庫(kù)容2 216.1萬(wàn)m3，是一座以灌溉為主兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合水利用的Ⅲ等中型水庫(kù).水庫(kù)于1974年10月動(dòng)工，1975年5月工程基本竣工，主要建筑物為3級(jí)，水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位140.60m，校核洪水位141.1m，正常蓄水位138.30m，死水位126.00m.

水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等建筑物組成，設(shè)計(jì)灌溉面積1 467萬(wàn)hm2，實(shí)灌800萬(wàn)hm2，保護(hù)下游人口5萬(wàn)人，耕地1 601萬(wàn)hm2，同時(shí)保護(hù)下游隨州城區(qū)、尚市鎮(zhèn)、厲山鎮(zhèn)、漢渝鐵路、316國(guó)道、隨岳高速公路、漢丹高壓輸變電線路等重要城鎮(zhèn)和交通干線.

漢江水系利河流域水支流主河道長(zhǎng)19.35km，平均坡降4.96‰，沿程洪水主要由暴雨形成，洪水與當(dāng)?shù)乇┯暌粯泳哂忻黠@的季節(jié)性，主要集中在6月下旬～8月下旬，7月份是暴雨發(fā)生最多的月份.

龍脈水庫(kù)以上無(wú)實(shí)測(cè)水文和雨量測(cè)站，但周?chē)那嗵φ?、吳山站水文站有降雨資料，青苔站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1979～2003年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年；吳山站收集了1970～2003年共34年的降水量系列，其中1h雨量系列為1977～2002年共25年，6h、24h雨量系列為1970～2003年共34年.

2 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

設(shè)計(jì)洪水復(fù)核一般主要采取瞬時(shí)單位線法、推理公式法和地區(qū)綜合法3種，然后通過(guò)分析比較選擇最大設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì).

2.1 瞬時(shí)單位線法

2.1.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨

龍脈水庫(kù)位于湖北省水文分區(qū)第Ⅵ區(qū)，設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨可采用兩種方式推求：一是根據(jù)鄰近的青苔站和吳山站實(shí)測(cè)資料，利用最大1h、6h、24h降雨量資料系列移置龍脈水庫(kù)，采取矩法計(jì)算洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值，按P－Ⅲ型分布，考慮CS／CV值的地區(qū)規(guī)律，經(jīng)適線后進(jìn)行暴雨分析；二是利用2008年出版的湖北省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集（新圖集）降雨量參數(shù)計(jì)算暴雨.兩種方法分析成果詳見(jiàn)表1.

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨設(shè)計(jì)成果表

顯然，青苔和吳山兩站的移置均值小于新圖集的均值，主因是新圖集綜合考慮了省內(nèi)有據(jù)可查的歷史大暴雨及近鄰省份發(fā)生的大暴雨，資料可靠，代表性好，因此，龍脈水庫(kù)遇到暴雨可能與采用新圖集設(shè)計(jì)成果一致.本著從實(shí)際出發(fā)，多種方法比較，綜合分析，合理選定的原則，選用新圖集中的暴雨參數(shù)計(jì)算成果.

2.1.2 設(shè)計(jì)面暴雨

由1h、6h、24h的面深系數(shù)，確定不作形狀改正的設(shè)計(jì)面雨量成果見(jiàn)表2.

表2 設(shè)計(jì)面雨量成果表

產(chǎn)流過(guò)程是通過(guò)扣損法求得凈雨實(shí)現(xiàn)的.凈雨過(guò)程是由設(shè)計(jì)面雨量按扣除初損和穩(wěn)損而得.雨型分配采用降雨徑流相關(guān)法，建立起相應(yīng)區(qū)域的降雨～徑流相關(guān)查算圖.采用圖表中的雨型作為設(shè)計(jì)雨型，設(shè)計(jì)凈雨按扣除初損和穩(wěn)損的方法推求，其它歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量，通過(guò)1h、6h、24h的設(shè)計(jì)面雨量間接推求.由相鄰歷時(shí)的面雨量之差，可得各設(shè)計(jì)頻率不同降雨時(shí)段的面雨量過(guò)程，根據(jù)設(shè)計(jì)雨型，對(duì)各時(shí)段面雨量重新進(jìn)行排列，以確定設(shè)計(jì)面雨量時(shí)程分配.

2.1.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

匯流包括地表徑流和地下徑流兩部分.流域匯流參數(shù)取第Ⅵ水文分區(qū)的綜合公式；當(dāng)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)超過(guò)10mm／h或一般大、中洪水參數(shù)的綜合公式用于稀遇設(shè)計(jì)洪水，需對(duì)匯流參數(shù)作非線性改正，將所得各頻率的設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程按上述時(shí)段單位線進(jìn)行匯流計(jì)算，確定各設(shè)計(jì)頻率的地面徑流過(guò)程.設(shè)計(jì)洪水即將地面徑流與地下徑流進(jìn)行匯流疊加，相應(yīng)成果見(jiàn)表3.

表3 設(shè)計(jì)洪水成果比較表

2.2 推理公式法

根據(jù)瞬時(shí)單位線法計(jì)算成果，確定特征參數(shù)、各歷時(shí)的面雨量及暴雨遞減指數(shù)n1、n2值，依照?qǐng)D表，在凈雨歷時(shí)tc＝12h，確定龍脈水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水見(jiàn)表3.

2.3 地區(qū)綜合法

地區(qū)綜合法分別按暴雨途徑設(shè)計(jì)洪水地區(qū)綜合法、實(shí)測(cè)年最大流量設(shè)計(jì)洪水地區(qū)綜合法進(jìn)行分析，按當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定其設(shè)計(jì)洪水見(jiàn)表3.

3 洪水成果合理性分析

3.1 瞬時(shí)單位線法與推理公式、地區(qū)綜合法成果比較

與推理公式、地區(qū)綜合法成果相比，100年、1000年一遇洪水單位線法大于推理公式、地區(qū)綜合法成果，但推理公式法與單位線法成果很接近.三種方法設(shè)計(jì)洪水基本合理，但由于瞬時(shí)單位線法比較成熟，設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線可以體現(xiàn)流域特性，且瞬時(shí)單位線法成果較其它方法為大，考慮上游砂河口水庫(kù)運(yùn)行可靠性的影響，從偏于安全計(jì)，本次設(shè)計(jì)洪水成果采用瞬時(shí)單位線法成果.

3.2 瞬時(shí)單位線法與原成果比較

在暴雨資料采用上，原成果受當(dāng)時(shí)條件限制，暴雨資料系列短，且僅采用了24h的設(shè)計(jì)暴雨，未進(jìn)行時(shí)程分配.本次依據(jù)新圖集暴雨資料系列較長(zhǎng)，且采用了歷時(shí)1h、6h、24h的設(shè)計(jì)暴雨，因此本次成果更為合理.龍脈水庫(kù)經(jīng)過(guò)除險(xiǎn)加固投入運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)歷了2次洪水季節(jié)的考驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)洪水與實(shí)際情況吻合較好.

［1]王燕生.工程水文學(xué)［M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1992.

［2]李元章.擬優(yōu)數(shù)學(xué)模型及在水文頻率計(jì)算中的應(yīng)用［D].南京：華東水利學(xué)院，1981.

［3]李松任.幾種頻率分布線型對(duì)我國(guó)洪水資料適應(yīng)的研究［D].南京：華東水利學(xué)院，1981.

［4]水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，水利部南京水文水資源研究所.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算手冊(cè)［M].北京：水利電力出版社，1995.

［5]中華人民共和國(guó)水利部.SL44－2006.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范［S].北京：中國(guó)水利電力出版社，2006.