郝鋒平

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，太原 030024）

張家莊水庫應(yīng)急除險加固設(shè)計洪水計算

郝鋒平

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，太原 030024）

張家莊水庫所在流域?qū)儆跓o資料地區(qū)。利用《山西省水文計算手冊》中的瞬時單位線法對張家莊水庫進行設(shè)計洪水計算，通過調(diào)查歷史洪水，與以往設(shè)計成果比較進行洪水合理性分析，最終認為瞬時單位線法計算成果是合理的。

張家莊水庫；設(shè)計洪水計算；瞬時單位線法；合理性分析

1 水庫概況

張家莊水庫位于孝義市舊城西2．5km的孝河上，壩址以上河流長達45km，縱坡約1．27%，流域平均寬10．14km，控制流域面積465．1km2。

張家莊水庫是孝河干流上以防洪、工業(yè)、灌溉、生態(tài)旅游、供水為主的綜合利用水庫。水庫于1959年10月1日開工，1960年6月攔洪蓄水，1963年完成大壩填筑及輸水管工程，1964年10月至1965年7月完成溢洪道一期泄槽開挖與護砌工程，1970年建成溢洪道節(jié)制閘，1980年將大壩加高1m，形成19．40m的壩高。1990年及2005年水庫先后兩次進行了除險加固。水庫防洪標準原為100年一遇洪水設(shè)計，1980年加高大壩后防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核；2005年除險加固后，大壩防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核；2013年根據(jù)山西省水利廳要求對張家莊水庫進行應(yīng)急除險加固設(shè)計，對設(shè)計洪水進行計算。

2 流域概況

孝河發(fā)源于孝義縣以西的棋盤山，屬黃河流域汾河水系文峪河的支流，河流全長56．5km。

本流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，冬季受蒙古高壓控制，寒冷、風大、雪少；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，炎熱且雨量集中；春季溫度回升快，干旱多風；秋季天高氣爽。流域多年平均年降水量468mm，降水量年內(nèi)、年際分布不均，最大年降水量為1964年的857．2mm，最小年降水量為1965年的283mm，其中最大日降水量發(fā)生于1977年8月5日，日降水量達132．5mm。汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的60%～80%。本區(qū)年平均氣溫9．3 ℃，最低氣溫在1月份，平均-6．8 ℃，最高氣溫在7月份，平均22．9℃。流域多年平均水面蒸發(fā)量1152mm，多年平均風速3．4m/s，最大風速可達18．7m/s。

3 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)《山西省歷史洪水調(diào)查成果》，近幾十年來發(fā)生過4次大洪水，分別為1907，1922，1937，1958年。其中以1937年最大，洪峰流量1760m3/s，因此1937年發(fā)生洪水的標準為100年一遇。

4 設(shè)計洪水

張家莊水庫上游無水文站或入庫站，因此沒有入庫流量資料系列。張家莊水庫入庫洪水計算采用《山西省水文計算手冊》（以下簡稱《手冊》）計算。

在1∶50000地形圖上，勾繪流域分水線，并量算流域面積、河長及河流縱坡比降，量算結(jié)果如表1。

表1 流域特征值

通過實地查勘，并結(jié)合《手冊》流域下墊面劃分圖，劃分流域產(chǎn)、匯流地類，如表2。

表2 產(chǎn)匯流地類 單位:km2

4.1 設(shè)計面暴雨

在山西省暴雨分區(qū)中，該計算流域?qū)儆谥袇^(qū)，根據(jù)設(shè)計流域面積及形狀，結(jié)合《手冊》歷時暴雨等值線圖的等值分布梯度選擇4個定點，采用泰森多邊形法則計算每個定點各自控制的面積。該流域各定點暴雨均值及Cv值，如表3，通過設(shè)計暴雨的時—深關(guān)系及點面折減系數(shù)求得設(shè)計面暴雨。

表3 設(shè)計流域定點雨量查圖成果 單位:mm

4.2 產(chǎn)流計算

4.2.1 設(shè)計凈雨深

計算采用雙曲正切模型，該模型結(jié)構(gòu)計算公式為:

式中 tanh為雙曲正切運算符；tz為設(shè)計暴雨的主雨歷時（h）；Hp，A（tz）為設(shè)計暴雨的主雨面雨量（mm）；FA（tz）為主雨歷時內(nèi)的流域可能損失（mm）。

流域可能損失用式（2）計算:

式中 Sr，A為流域包氣帶充分風干時的吸收率，反映流域的綜合吸水能力（mm/h1/2）； KS，A為流域包氣帶飽和時的導水率（mm/h）；B0，p為設(shè)計頻率的流域持水度。

4.2.2 凈雨過程計算

損失率根據(jù)產(chǎn)流歷時tc及暴雨參數(shù)Sp，A、ns、λ值按式（3）計算:

時段凈雨計算公式為:

式中 Δhp為設(shè)計時段凈雨深 （mm）；Δt為計算時段（h）；j為時雨型“模板”中的序位編號；tj-1為j時段的開始時刻。

4.3 綜合瞬時單位線法匯流計算

4.3.1 納什瞬時單位線

將流域匯流過程假設(shè)為由n個等效線性水庫串聯(lián)體對水流的調(diào)蓄過程。把單位凈雨乘以瞬時匯流曲線稱為瞬時單位線。

瞬時匯流曲線的數(shù)學表達式為:

式中 n為線性水庫個數(shù)；k為一個線性水庫的調(diào)蓄參數(shù)（h）；t為時間（h）；Γ（n）為伽瑪函數(shù)。

單位強度凈雨過程在流域出口斷面形成的水體時間概率分布函數(shù)為曲線，是瞬時匯流曲線對時間的積分，無量綱。

數(shù)學表達式為:

式中 Γ（n，m）稱為n階不完全伽瑪函數(shù)。

時段單位凈雨在流域出口斷面形成的概率密度曲線稱為時段匯流曲線，數(shù)學表達式為:

流域出口斷面的洪水過程根據(jù)時段凈雨序列與時段匯流曲線采用卷積公式計算。

式中 △t為計算時段（h）；△h為時段凈雨深（mm）；A為流域面積（km2）；3．6為單位換算系數(shù)；M凈雨時段數(shù)。

4.3.2 參數(shù)計算

參數(shù)n采用式（9）、式（10）計算:

式中 A為流域面積（km2）；J為河流縱比降（%）；C1，A為復合地類匯流參數(shù)；C1，i為單地類匯流參數(shù)；β1為經(jīng)驗性指數(shù)；αi為某種地類的面積權(quán)重，以小數(shù)計。

m1采用下列經(jīng)驗公式計算:

設(shè)計洪水計算結(jié)果如表4，設(shè)計洪水過程線如表5。

表4 設(shè)計洪水計算結(jié)果

表5 入庫洪水過程線

5 成果合理性分析

5.1 歷史洪水對比

根據(jù)歷史洪水調(diào)查成果，1937年的洪水為1907年以來的最大洪水，洪峰流量1760m3/s，相當于100年一遇洪水，本次計算得100年一遇洪水洪峰流量為1851m3/s，與1937年相近，由此判斷，本次設(shè)計洪水成果是合理的。

5.2 以往設(shè)計成果對比

本次設(shè)計成果與《張家莊水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》（以下簡稱《除險加固初設(shè)》）設(shè)計成果對比如表6。

表6 張家莊洪水計算成果對比

通過比較發(fā)現(xiàn)本次計算成果與《除險加固初設(shè)》成果較為接近，因此認為本次設(shè)計成果合理。

參考文獻：

［1］山西省水利廳．山西省水文計算手冊［K］．鄭州:黃河水利出版社，2011．

［2］楊菊香．無實測水文資料地區(qū)洪水計算與分析［J］．水科學與工程技術(shù)，2014（1）:33-35．

［3］山西省水利廳．山西省歷史洪水調(diào)查成果［M］．鄭州:黃河水利出版社，2011．

［4］葉秉如．水利計算［M］．北京:水利電力出版社，1985．

［5］李英明，潘俊峰．山西河流［M］．北京:科學出版社，2004．

Design flood calculation in the emergency reinforcement of Zhangjiazhuang Reservoir

HAO Feng-ping
（Shanxi Hydroelectric Investigation ＆ Design and Research Institute,Taiyuan 030024,China）

Zhangjiazhuang reservoir basin belongs to the region without data．By the instantaneous unit hydrograph method of Shanxi Provincial Hydrological Calculation Handbook，the calculation of design flood of Zhangjiazhuang reservoir is made ．Through investigation of historical flood， and the results of previous design comparison flood rationality analysis，concluded that the instantaneous unit hydrograph method calculation result is reasonable．

Zhangjiazhuang reservoir； design flood calculation；instantaneous unit hydrograph method；the rationality analysis

TV211

B

1672-9900（2015）05-0020-04

2015-07-31

郝鋒平（1986-），男（漢族），山西臨縣人，助理工程師，主要從事水文規(guī)劃工作，（Tel）18835132705。