呂 莎
(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001)
壩河是漢江南岸一級(jí)支流,位于北亞熱帶邊緣濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),流域內(nèi)雨量充沛,多年平均降水量964mm,多年平均徑流量8.43億m3。實(shí)測(cè)資料表明,本流域降水主要集中在7月~9月,5月~10月(汛期)都有可能出現(xiàn)年最大洪水,其中5月~6月出現(xiàn)年最大洪水的頻次相對(duì)較少,量級(jí)稍低;7月~8月西太平洋副熱帶高壓西伸北躍速度較快,與西北的冷空氣交綏,形成本流域強(qiáng)度較大的降雨過(guò)程,基本特點(diǎn)是多陣性暴雨,籠罩面積較小,強(qiáng)度較大,持續(xù)時(shí)間較短,形成的洪水峰高時(shí)短,陡漲陡落;9月~10月,隨著西北冷空氣的加劇,副高壓開(kāi)始緩慢南撤東移,常在本流域上空產(chǎn)生冷暖空氣交綏,出現(xiàn)連陰雨過(guò)程,其間常伴有暴雨出現(xiàn),基本特點(diǎn)是籠罩面積較大,強(qiáng)度較小,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),造成的洪水峰型較肥,過(guò)程平緩,歷時(shí)較長(zhǎng),一次較大洪水過(guò)程歷時(shí)約3~5天。
壩河蜿蜒曲折,彎道、峽谷、急灘較多,屬典型的山溪性河流。流域南高北低,上游重山疊嶺,懸崖陡壁,河谷幽深,林草叢生,人煙較少,森林覆蓋率高,水源涵養(yǎng)條件好,對(duì)徑流具有良好的調(diào)節(jié)作用;中下游河谷開(kāi)闊,山勢(shì)較緩,河段較寬,河床多形成漫灘,人類活動(dòng)頻繁。壩河河道兩岸斷續(xù)分布有一級(jí)階地、殘留二級(jí)階地,近代新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在本區(qū)主要表現(xiàn)為地殼上升與河流下切,形成了群峰屹立、山勢(shì)雄偉的中低山剝蝕、侵蝕地貌景觀。壩河河道比降較大,產(chǎn)流匯流速度快,洪水暴漲暴落。
西河鄉(xiāng)防洪治理段位于壩河下游,流域上游建有古仙洞水庫(kù)及投洞子水庫(kù),洪水災(zāi)害頻發(fā),控制流域面積1117km2,河長(zhǎng)為95.93km,河道平均比降5.3‰,洪水主要來(lái)源于暴雨,洪水多呈單峰型,持續(xù)時(shí)間1~6天,水位流量關(guān)系呈單一線關(guān)系。壩河大洪水和特大洪水主要發(fā)生在7月、8月,桂花園站實(shí)測(cè)最大洪峰流量2210m3/s(2010年 8月 16日),次大洪峰流量1520m3/s(1982年 7月 21日)。
桂花園水文站是本流域內(nèi)唯一由陜西省水文局設(shè)立的國(guó)家基本水文站,測(cè)站位置、測(cè)站設(shè)備和測(cè)驗(yàn)精度符合國(guó)頒標(biāo)準(zhǔn),測(cè)驗(yàn)方法和資料整編質(zhì)量符合規(guī)范要求,資料可靠性和一致性較好,滿足相關(guān)規(guī)范要求。西河鄉(xiāng)和桂花園水文站屬于同一流域和同一暴雨區(qū),但流域面積略小,故將桂花園水文站作為本工程水文分析、計(jì)算的參證站。
《陜西省洪水調(diào)查資料》刊載有壩河桂花園河段2場(chǎng)歷史洪水,分別為1934年洪水和1982年洪水。1934年洪水洪峰流量為1750m3/s,成果較可靠;1982年洪水洪峰流量為1520m3/s,為實(shí)測(cè)洪水,成果可靠。根據(jù)調(diào)查,桂花園㈡水文站設(shè)立于1963年3月,自建站以來(lái)實(shí)測(cè)洪水系列中2010年7月19日洪水(洪峰流量為2280m3/s)最大,其次為1982年洪水。
4.1.1 工程概況
古仙洞水庫(kù)總庫(kù)容2835萬(wàn)m3,興利調(diào)節(jié)庫(kù)容2024萬(wàn)m3,死庫(kù)容756萬(wàn)m3,屬Ⅲ等中型工程。水庫(kù)樞紐由大壩、引水洞、排沙洞等建筑物組成。大壩為雙曲拱壩,壩頂高程516.40m,壩基底高程455.00m,最大壩高61.40m,壩體采用細(xì)石砼砌塊石。拱壩頂部設(shè)有5孔有閘門控制的溢流表孔,溢流堰頂高程510.00m,單孔孔口尺寸10×6.4m(寬×高),最大泄洪流量為1662m3/s。沖沙孔底板高程470.00m,進(jìn)口孔口尺寸1.6×1.6m(寬×高),出口孔口尺寸1.6×1.3m(寬×高)。大壩為五十年一遇設(shè)計(jì)、五百年一遇校核,相應(yīng)的洪峰流量分別為1216m3/s、1901m3/s。
由汛限水位(514.00m)起調(diào),調(diào)洪演算結(jié)果如下:
設(shè)計(jì)洪水位514.88m,入庫(kù)洪水1216 m3/s,相應(yīng)下泄流量1085m3/s,削峰流量131m3/s,削峰率 10.8%;
校核洪水位516.40m,入庫(kù)洪水1901 m3/s,相應(yīng)下泄流量1662m3/s,削峰流量2239m3/s,削峰率12.6%。
4.1.2 水庫(kù)運(yùn)行方式
主汛期(5月~10月)保持低水位運(yùn)行,庫(kù)水位保持在510.00m~514.00m,即汛限水位以下;非汛期(11月~次年4月),盡量保持在高水位運(yùn)行,庫(kù)水位在494.00m~516.00m。
按照古仙洞水力發(fā)電公司編制的《2010年古仙洞水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃》規(guī)定:在主汛期,當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到514.00m時(shí),全部開(kāi)啟沖沙孔閘門和5孔表孔閘門時(shí),表孔下泄流量為810m3/s,發(fā)電引水流量為12m3/s,沖沙孔下泄流量為48m3/s,以上三項(xiàng)流量合計(jì)為870m3/s;當(dāng)水庫(kù)達(dá)到校核洪水位516.40m時(shí),全部開(kāi)啟5孔表孔閘門時(shí),表孔下泄流量為1349m3/s,發(fā)電引水流量為12m3/s,沖沙孔下泄流量為50m3/s,以上三項(xiàng)流量合計(jì)為1418m3/s;當(dāng)入庫(kù)流量大于544m3/s時(shí),除滿足發(fā)電用水外,沖沙孔和表孔閘門全部打開(kāi)敞泄。
投洞子電站位于壩河干流,壩址以上流域面積 884km2,總庫(kù)容558萬(wàn)m3,屬Ⅳ等?。?)型工程。樞紐建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì),200年一遇洪水校核,大壩的設(shè)計(jì)洪峰流量和校核洪峰流量分別為1320m3/s、1720m3/s。大壩壩型為漿砌石重力壩,由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成,溢流壩段設(shè)三孔10m×8m弧形鋼閘門擋水和泄洪。溢流壩段長(zhǎng)度38m,高度20m。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行方式,當(dāng)上游來(lái)水大于660m3/s時(shí),下泄量等于來(lái)水量。
6.2.4 不得經(jīng)營(yíng)下列國(guó)家和本市禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品、食品添加劑和食品相關(guān)產(chǎn)品:《中華人民共和國(guó)食品安全法》第三十四條規(guī)定的禁售食品、食品添加劑、食品相關(guān)產(chǎn)品; 《食用農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)銷售質(zhì)量安全監(jiān)督管理辦法》第二十五條規(guī)定的禁售食用農(nóng)產(chǎn)品;《上海市食品安全條例》第二十三條規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品;《上海市人民政府關(guān)于禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)食品品種的公告》規(guī)定的禁止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的食品。
從以上情況看,古仙洞電站和投洞子電站的消峰作用有限。偏安全起見(jiàn),進(jìn)行下游河道防洪工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí),可不考慮其調(diào)洪作用。
5.1.1 實(shí)測(cè)洪水資料
壩河桂花園水文站1963年~2010年洪水實(shí)測(cè)系列,來(lái)源于《水文年鑒》,流量資料計(jì)算方法正確,成果可靠,經(jīng)陜西省水文水資源勘測(cè)局審查批準(zhǔn)后使用。調(diào)查洪水資料來(lái)源于《陜西省洪水調(diào)查資料》,2013年4月對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了核對(duì)。桂花園水文站斷面遷移前后面積變化<1%,上游700m上建有桂花電站,從桂花園水文站累積年最大洪峰流量~歷時(shí)曲線圖(圖1)可以看出,曲線總趨勢(shì)呈直線,雖有周期性擺動(dòng),但曲線斜率沒(méi)有發(fā)生變化,人類活動(dòng)對(duì)資料的一致性產(chǎn)生影響,但影響程度較小,由于本次計(jì)算未收集到壩河桂花水電站相關(guān)資料,因此,不考慮對(duì)該站的洪峰流量資料進(jìn)行一致性處理。
5.1.2 參證站設(shè)計(jì)洪水
桂花園水文站按1963年~2010年共48年年最大洪峰流量資料,將2010年洪水作為特大洪水,其重現(xiàn)期為81年,按不連續(xù)系列對(duì)桂花園水文站年最大洪峰流量進(jìn)行頻率分析,用下列各式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
洪水經(jīng)驗(yàn)頻率采用下列期望公式計(jì)算:
采用矩法估算不連續(xù)洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù),計(jì)算公式如下:
按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-93)推薦的方法,以年最大值法選樣,按不連續(xù)系列,用矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù),選用P-Ⅲ型曲線適線,以矩法計(jì)算各站洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初始值,用離差平方和準(zhǔn)則先進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)抗肋m線和參數(shù)優(yōu)化計(jì)算相結(jié)合的辦法進(jìn)行頻率分析計(jì)算。遵循盡量使理論頻率曲線通過(guò)經(jīng)驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)的中心位置,側(cè)重考慮與上部和中部大水?dāng)?shù)據(jù)吻合的適線原則。通過(guò)人工調(diào)整均值x、Cv及Cs/Cv,盡可能使曲線擬合全部點(diǎn)據(jù),尤其側(cè)重中、高水點(diǎn)據(jù);分析經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的精度使曲線盡量靠近或通過(guò)比較可靠的點(diǎn)據(jù),使調(diào)整后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)符合壩河流域特性和在地區(qū)上的變化規(guī)律。
采用桂花園水文站洪峰流量計(jì)算成果,按照水文比擬法計(jì)算工程區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算公式如(3):
其中F工、F參分別為工程區(qū)和參證站流域面積(km2),桂花園F工=1117km2,F(xiàn)參=1275km2。計(jì)算得到西河鄉(xiāng)工程段Q工=1105m3/s。
5.1.3 由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪峰流量
根據(jù)《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》,西河鎮(zhèn)治理段屬于陜南土石林區(qū),由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)(m1i=1)0綜合圖”查算計(jì)算凈雨強(qiáng)度為 10mm 的 m1=2.12(F/J)0.268;由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線非線性改正指數(shù)(b)綜合圖”查算出非線性改正指數(shù)b=0.6906-0.1326lgF;計(jì)算造峰雨歷時(shí) tp=1.63(F/J)0.244及其平均雨強(qiáng)i=htp/tp,ik=18.75(F/J)0.181。
按m1=m1i=1(010/i)b,其中當(dāng)i大于ik時(shí),取i=ik。
查“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)(m2)綜合圖”,m2=0.882(F/J)0.197,m2大于 1,取 m2=1。
由m1=nk和m2=1/n求得n、k參數(shù)值。
以n、k查“順時(shí)單位線表”,可得時(shí)段單位線,潛流按等腰三角形過(guò)程加入,底寬為地面徑流過(guò)程線底寬的2倍?;靼凑誕0=0.31F0.5計(jì)算。計(jì)算得到西河鄉(xiāng)10年一遇洪峰流量見(jiàn)表3。
表1 壩河流域水文站基本情況表
圖1 桂花園水文站年最大洪峰流量累積曲線
表2 桂花園文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果 單位:m3/s
表3 瞬時(shí)單位線計(jì)算壩河西河鄉(xiāng)治理段設(shè)計(jì)洪水成果表
表4 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表
將上述方法計(jì)算的治理段設(shè)計(jì)洪水成果列于表4,從表中可以看出,水文比擬法計(jì)算的洪水成果小于《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》推求的洪水成果。
對(duì)于西河鎮(zhèn)段設(shè)計(jì)洪水,幾種方法的計(jì)算成果比較接近。P=10%時(shí),水文比擬法結(jié)果略大,該工程段集水面積1117km2,與桂花園水文站流域面積1275km2相差僅8%,區(qū)間無(wú)較大支流匯入,上游投洞子電站和古仙洞電站的影響較小,根據(jù)實(shí)測(cè)洪痕點(diǎn),采用明渠均勻流計(jì)算西河鄉(xiāng)實(shí)測(cè)洪痕處洪峰流量,與水文比擬法計(jì)算洪量相近,因此,推薦西河鄉(xiāng)段采用面積比擬法推求的設(shè)計(jì)洪水成果。陜西水利