楊菊香

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

杜河水電站位于晉城市郊區(qū)和陽(yáng)城縣交界處的沁河干流上，壩址以上河長(zhǎng)329km。電站為徑流引水式電站，總裝機(jī)12 800 kW，樞紐大壩為漿砌石重力壩，最大壩高36 m，控制流域面積8 797 km2，水庫(kù)總庫(kù)容0.28億m3，水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。[1]

張峰水庫(kù)位于沁水縣張峰村西北的沁河干流上，壩址以上干流長(zhǎng)度為224km，控制流域面積4990km2，水庫(kù)總庫(kù)容3.94億m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為2 000年一遇。水庫(kù)下游灘地和村鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，允許安全泄量為800 m3/s。

杜河水電站樞紐大壩工程于2001年7月全部竣工，位于杜河電站上游約105 km的張峰水庫(kù)建成于2012年并蓄水運(yùn)用，將直接影響杜河水電站的設(shè)計(jì)洪水，為此杜河水電站設(shè)計(jì)洪水需要考慮上游張峰水庫(kù)的影響后進(jìn)行重新復(fù)核計(jì)算。

2 雨洪特性分析

沁河流域暴雨一般以局部暴雨為主，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，大面積、長(zhǎng)歷時(shí)的暴雨發(fā)生次數(shù)不多。暴雨持續(xù)時(shí)間一般小于24 h，超過(guò)3天的比較罕見(jiàn)。據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，1日雨量占3日雨量的60%左右，24 h雨量約占3日雨量的75%左右。

沁河流域洪水多由暴雨形成，主要集中在6～9月，最大洪峰多發(fā)生在7月、8月，而最大3日洪量多發(fā)生在8月份。洪峰出現(xiàn)時(shí)間最早為7月上旬，最遲到9月下旬。沁河洪水的年際變化較大，據(jù)潤(rùn)城站實(shí)測(cè)洪水資料統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)測(cè)洪峰流量最大為2 716 m3/s（1982年），最小為8.01m3/s（1997年），相差339倍，3日洪量最大為2.13億m3（1971年），最小為0.018 8億m3（1997年），相差113倍。

3 杜河水電站天然設(shè)計(jì)洪水

本次洪水分析計(jì)算涉及到沁河干流上的張峰、潤(rùn)城、五龍口3個(gè)水文測(cè)站。張峰、潤(rùn)城水文站天然洪水采用張峰水庫(kù)工程審定成果。五龍口水文站根據(jù)1950～2001年共52年洪水系列，并加入歷史洪水后進(jìn)行頻率分析，采用P-Ⅲ型分布曲線適線，推求出不同頻率的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果。張峰～五龍口區(qū)間流域面積4 255 km2，區(qū)間設(shè)計(jì)洪水根據(jù)面積指數(shù)法推算，利用沁河流域張峰、潤(rùn)城、五龍口水文站設(shè)計(jì)洪水資料，在雙對(duì)數(shù)紙上點(diǎn)繪洪峰、洪量與集水面積的關(guān)系，綜合分析確定該地區(qū)的洪水面積指數(shù)，并參照以往研究成果中該地區(qū)面積指數(shù)的分析，洪峰面積指數(shù)采用0.65，洪量面積指數(shù)采用0.9[2]。 計(jì)算公式為：

式中：Q設(shè)——設(shè)計(jì)斷面洪峰流量或洪水總量，m3/s或億m3；

F設(shè)——設(shè)計(jì)斷面控制流域面積，km2；

F參——參證站控制流域面積，km2；

Q參——參證站洪峰流量或洪水總量，m3/s或億m3；

n——面積指數(shù)。

杜河水電站控制流域面積8 797 km2，五龍口水文站控制流域面積9 245 km2，兩者流域面積相差在5%以內(nèi)，且區(qū)間無(wú)較大支流匯入，因此杜河水電站天然洪水直接采用五龍口天然洪水成果[3]。由表1可見(jiàn)，500年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量為8 269 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量為4 593 m3/s。各控制站天然設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1。

4 考慮張峰水庫(kù)影響的設(shè)計(jì)洪水

杜河水電站設(shè)計(jì)洪水會(huì)受到上游張峰水庫(kù)的調(diào)洪影響，采用同頻率洪水組成法進(jìn)行洪水地區(qū)組成分析。不同組合方式的張峰水庫(kù)入庫(kù)洪水經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)洪下泄，下泄洪水過(guò)程與區(qū)間洪水過(guò)程疊加，計(jì)算得到杜河水電站的入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水。按照對(duì)工程不利原則，選擇洪峰較大的洪水組合方式作為杜河水電站設(shè)計(jì)洪水。

表1 天然設(shè)計(jì)洪水成果表

4.1 張峰水庫(kù)洪水調(diào)度方式

張峰水庫(kù)的防洪調(diào)度按三級(jí)運(yùn)行：入庫(kù)洪水不超過(guò)20年一遇洪水且水庫(kù)水位已達(dá)到防洪限制水位時(shí)，為保護(hù)下游村鎮(zhèn)和灘地，水庫(kù)下泄量不超過(guò)800 m3/s，由導(dǎo)流泄洪洞下泄；當(dāng)入庫(kù)洪水超過(guò)20年一遇洪水且洪水位超過(guò)防洪高水位時(shí)，泄洪洞全部開(kāi)啟，并開(kāi)啟兩孔溢洪道閘門(mén)；當(dāng)入庫(kù)洪水超過(guò)100年一遇洪水且洪水位超過(guò)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，溢洪道閘門(mén)全部開(kāi)啟。以上任何一種情況下，最大泄流量不得超過(guò)入庫(kù)洪峰流量。

4.2 同頻率洪水組成法

杜河水電站上游為張峰水庫(kù)，根據(jù)同頻率洪水組成法，采用以下兩種組合方式：（1）水庫(kù)同頻，區(qū)間相應(yīng)，即杜河水電站與張峰水庫(kù)發(fā)生同頻率洪水時(shí)，張峰水庫(kù)～杜河區(qū)間相應(yīng)，（2）區(qū)間同頻，水庫(kù)相應(yīng)，即杜河水電站與張峰水庫(kù)～杜河區(qū)間發(fā)生同頻率洪水時(shí)，張峰水庫(kù)相應(yīng)。根據(jù)水量平衡原則，相應(yīng)洪水洪量為杜河水電站設(shè)計(jì)頻率洪量與同頻率洪量相減而得，相應(yīng)洪水洪峰取為與相應(yīng)洪量同樣頻率時(shí)的洪峰。[4]計(jì)算公式為：

式中：W相應(yīng)——張峰水庫(kù)～杜河區(qū)間相應(yīng)洪水洪量或張峰水庫(kù)相應(yīng)洪水洪量，億m3；

W杜設(shè)——杜河水電站設(shè)計(jì)頻率洪量，億m3；

W同頻——張峰水庫(kù)同頻率洪量或張峰水庫(kù)～杜河區(qū)間同頻率洪量，億m3。

杜河水電站設(shè)計(jì)洪水即是根據(jù)以上兩種組合方式，分別將張峰水庫(kù)下泄洪水過(guò)程與區(qū)間洪水過(guò)程疊加，取兩種組合方式中的較大者作為杜河水電站的入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。洪水地區(qū)組成成果見(jiàn)表2。

表2 洪水地區(qū)組成成果

4.3 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

根據(jù)峰高量大、峰型集中、主峰偏后的原則[5]，從張峰站實(shí)測(cè)資料中，經(jīng)分析比較選取1993年8月5日0:00～8月8日0:00洪水作為張峰水庫(kù)典型洪水。經(jīng)過(guò)對(duì)張峰站、五龍口站實(shí)測(cè)資料的分析，1962、1971、1982、1992、1996年洪水主體均在區(qū)間形成，采用五龍口站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程與張峰站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程錯(cuò)12 h相減后，得到區(qū)間洪水過(guò)程，最終選得1996年8月3日20:00～8月6日20:00區(qū)間洪水過(guò)程作為區(qū)間典型洪水。

采用峰量同頻率分段控制的方法分別放大張峰水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線及區(qū)間設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

4.4 設(shè)計(jì)洪水成果

張峰水庫(kù)不同組合方式的入庫(kù)洪水經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)洪下泄，下泄洪水過(guò)程與張峰-杜河區(qū)間洪水過(guò)程錯(cuò)12 h疊加，計(jì)算得到杜河水電站的入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水。按照對(duì)工程不利原則，選擇洪峰較大的洪水組合方式作為設(shè)計(jì)洪水，經(jīng)計(jì)算采用區(qū)間同頻，水庫(kù)相應(yīng)的洪水組合方式計(jì)算結(jié)果，即考慮上游水庫(kù)影響的杜河水電站設(shè)計(jì)洪水為：500年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量7 692 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量3 709 m3/s。設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見(jiàn)表3。不同頻率的洪水過(guò)程線分別見(jiàn)圖1、圖2。

表3 設(shè)計(jì)洪水成果

4.5 成果合理性分析

根據(jù)上述計(jì)算，考慮上游水庫(kù)影響和不考慮上游水庫(kù)影響兩種方法計(jì)算得到的杜河水電站設(shè)計(jì)洪峰成果對(duì)比見(jiàn)表4。

圖1 P=0.2%洪水過(guò)程線

圖2 P=2%洪水過(guò)程線

表4 上游水庫(kù)調(diào)蓄影響前后杜河水電站設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算成果對(duì)比表

從以上兩種不同計(jì)算方法所得的成果看，張峰水庫(kù)對(duì)杜河水電站設(shè)計(jì)洪峰有一定的削減作用，500年一遇洪水時(shí)，兩種工況對(duì)設(shè)計(jì)洪峰的削減分別為7.0%和10.1%，50年一遇洪水時(shí)，兩種工況對(duì)設(shè)計(jì)洪峰的削減分別為19.2%和21.4%，削減作用很為明顯。分析其原因?yàn)椋荷嫌嗡畮?kù)對(duì)下游工程洪水的削減作用與上游水庫(kù)的洪水調(diào)度方式及防洪標(biāo)準(zhǔn)有很大關(guān)系。50年一遇洪水時(shí)，由于上游水庫(kù)調(diào)蓄作用大，且對(duì)洪水限泄，從而對(duì)下游工程洪水削減作用明顯，可以達(dá)到20%左右；500年一遇洪水時(shí)，已超過(guò)上游水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，上游水庫(kù)敞泄，對(duì)下游工程洪水削減作用減弱，為7%左右。

5 結(jié)論

受上游張峰水庫(kù)調(diào)蓄影響后的杜河水電站設(shè)計(jì)洪水與天然設(shè)計(jì)洪水相比，設(shè)計(jì)洪峰有一定減小，峰現(xiàn)時(shí)間有所延后，說(shuō)明張峰水庫(kù)的削峰調(diào)洪作用是比較明顯的，因此在設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算中必須要考慮其調(diào)蓄作用對(duì)下游洪水的影響，由此杜河水電站設(shè)計(jì)洪水為：500年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量7 692 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量3 709 m3/s。

［1］侯建強(qiáng)，孛永平.杜河水電站沖沙閘混凝土質(zhì)量缺陷剖析［J］.山西水利，2003（3）:48.

［2］宋偉華，李保國(guó)等.張峰水庫(kù)對(duì)河口村水庫(kù)入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的影響［J］.人民黃河，2011，33（12）:9-11.

［3］長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文處.水利工程實(shí)用水文水利計(jì)算［M］.北京:水利出版社，1980：32-33.

［4］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版）［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2014：256-257.

［5］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，1995：101-102.