曲鳳垚

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州450045）

秀水河是遼河中下游右側(cè)的一條支流，從上游到下游是從低山丘陵區(qū)逐漸過渡到平原地區(qū)。本流域既不屬于東部山區(qū)，也不屬于西部干旱區(qū)，根據(jù)工程設(shè)計的需要，對秀水河上下游的設(shè)計洪水進行了分析計算，在分析計算的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些問題，本文就發(fā)現(xiàn)的問題進行一些分析和探討。

1 流域基本概況

秀水河發(fā)源于內(nèi)蒙古科爾沁左翼后旗的四河鄉(xiāng)，流經(jīng)遼寧省四個縣區(qū)，于新民縣關(guān)家窩堡村附近注入遼河。秀水河全河流域面積1994．2km2，秀水河干流下游有彭家堡水文站，本站從1951年開始有流量觀測資料，觀測到1995年，1996年開始水文站下移，改為公主屯水文站，有觀測資料到2010年。這樣彭家堡水文站有1951—2010年實測水位、流量等觀測資料［1］。

流域內(nèi)有中型水庫5座，分別為秀水河干流上游的花鼓窩堡水庫、獾子洞河支流尖山子河上的尖山子水庫、獾子洞河干流的獾子洞水庫以及獾子洞水庫上游的兩個支流上的拉馬章水庫、三合成水庫。秀水河流域內(nèi)還有小型水庫多座。秀水河流域地勢起伏不平，整個地形呈現(xiàn)北高南低。秀水河流域特性見表1。秀水河流域水系、工程和水文測站分布如圖1。

表1 秀水河流域特性表

2 設(shè)計洪水推求

2．1 流域上下游設(shè)計洪水成果

2．1．1 暴雨洪水特性

流域暴雨期比較集中，大部分在7、8月份發(fā)生暴雨，暴雨持續(xù)時間一般不到24h。流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，一次洪水的歷時，大約在24h左右，屬于陡漲陡落的山區(qū)性河流，峰型多是單峰型式，雙峰或多峰的型式也時有發(fā)生。連續(xù)兩次洪水的歷時，一般為3～5d。流域上游山區(qū)洪水陡漲陡落，下游洪水經(jīng)過平原河道的調(diào)蓄，洪峰變緩。

圖1 秀水河流域水系工程和水文測站分布圖

2．1．2 秀水河上游各中型水庫原設(shè)計洪水

秀水河中上游花鼓窩堡水庫、尖山子水庫、獾子洞水庫、三合成水庫4座中型水庫在2008年進行除險加固，各水庫的設(shè)計入庫洪水都采用《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》（簡稱圖表法）計算，圖表法計算的設(shè)計洪水成果一般都偏大，見表2。經(jīng)水庫洪水調(diào)節(jié)計算，除險加固階段水庫各頻率最大泄流量成果見表3，4座水庫中只有花鼓窩堡水庫的削峰作用最小，以50a標(biāo)準(zhǔn)為例，獾子洞與尖山子水庫合起來最大泄量163m3／s，而花鼓水庫的泄量就達到317m3／s［2］。

2．1．3 秀水河彭家堡水文站本次計算的設(shè)計洪水

（1）彭家堡水文站建庫后系列的設(shè)計洪水

秀水河最大洪水發(fā)生在1951年、1953年、1954年，與遼河干流大洪水年份基本一致，近幾年較大的洪水年份為1991年、1998年和2010年。秀水河上先后修建了多座中型水庫，1951—2010年洪峰系列有修建水庫前的，也有修建水庫后的，是一個混合系列，不具備資料系列的一致性［2－5］。

表2 秀水河上各中型水庫原設(shè)計洪水成果表

表3 秀水河上各中型水庫洪水調(diào)節(jié)最大泄量成果表 m3·s－1

秀水河上游的各中型水庫基本都建成于1959年之前，考慮到資料的一致性，選用水庫修建以后1959—2010年的實測洪峰系列進行設(shè)計洪水頻率分析計算。由于1959年以后的系列中排在前三位的1951年、1953年與1954年洪水均被排除在外，即使換算成經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)后的洪峰值，仍排在系列的前3位。因此，計算出的設(shè)計洪水成果偏小。

為了避免這一問題，本次在連續(xù)系列頻率分析計算時，1959—2010年系列中最大洪水是1991年，排在連續(xù)系列中的第一位，其前空3位，其重現(xiàn)期采用55a的第4位，后面年份洪峰依次類推。在繪線時，參考3a較大的洪水，頻率線在其下部通過。

彭家堡水文站設(shè)計洪峰，按繪線讀點補矩法進行頻率計算，線型為皮爾遜Ⅲ型，CS采用2．5CV，CV值經(jīng)綜合平衡后確定，適線較好。彭家堡水文站計算成果見表4。

表4 彭家堡水文站實測設(shè)計洪峰流量成果表 m3·s－1

（2）彭家堡水文站混合系列的設(shè)計洪水

為了分析秀水河彭家堡水文站建庫后系列計算的設(shè)計洪水成果的合理性，對彭家堡水文站混合系列進行設(shè)計洪峰頻率計算作為參考。從水文學(xué)原理上說，不能計算混合系列的設(shè)計洪峰流量，由于混合系列包含建庫前年份的天然洪峰，也包含建庫后經(jīng)水庫調(diào)節(jié)彭家堡位置的實測組合洪峰，比單一的建庫后的實測組合洪峰系列計算的設(shè)計洪峰肯定是偏大的，因此，對混合系列的設(shè)計洪峰流量進行頻率計算。采用1951—2010年資料，按連續(xù)系列矩法補矩進行頻率計算，得出彭家堡水文站混合系列洪峰計算成果見表4。

（3）彭家堡水文站還原系列的設(shè)計洪水

為了分析彭家堡水文站混合系列成果的合理性，對彭家堡站1951—2010年還原系列進行了分析計算，對建庫后各年最大洪峰值（1959—2010年）進行了還原計算，得到?jīng)]修建水庫條件下的系列，根據(jù)此系列，按連續(xù)計算設(shè)計洪水，其計算成果見表4。

表5中1號為基準(zhǔn)樣，2號、3號、4號、5號分別為高嶺土替代率為10%，20%，30%，40%的低碳混凝土試樣.

從表4可以看出，三個系列計算的成果相互關(guān)系合理，計算成果均值還原系列洪峰最大，混合系列次之，建庫后系列成果最?。籆V值混合系列最大，建庫后系列最小。因此，建庫后52a系列的設(shè)計洪峰成果是相對合理的，彭家堡水文站的設(shè)計洪水可以采用建庫后的資料系列計算的成果，見表4。

2．2 設(shè)計洪水成果比較及4座水庫設(shè)計洪水的重新計算采用

對比秀水河上下游設(shè)計洪水成果，上游各水庫除險加固階段（采用圖表法）的設(shè)計洪水成果，以花鼓窩堡水庫為例，與下游彭家堡站相比，50a一遇花鼓窩堡水庫的洪峰流量是897m3／s，洪峰模數(shù)達到3．49m3／s／km2，大于彭家堡站的洪峰流量799m3／s，洪峰模數(shù)0．52m3／s／km2，同一個流域上下游相差懸殊。

從經(jīng)驗上看，圖表法計算的設(shè)計洪水成果一般系統(tǒng)偏大，為了使設(shè)計洪水成更加合理，不出現(xiàn)上游（花鼓窩堡）洪峰大于下游站（彭家堡）的情況，本次對上游各水庫的設(shè)計洪水重新計算。

拉馬章河位于秀水河左側(cè)，與秀水河緊鄰，同為遼河右側(cè)支流，拉馬章河上游建有尚屯中型水庫。拉馬章河尚屯水庫控制面積249．9km2，其所處的位置、流域自然概況、產(chǎn)匯流概況與秀水河上的五座中型水庫比較接近。尚屯水庫有長系列的水文資料，所以重點分析尚屯水庫的設(shè)計洪水成果，本次秀水河上游各水庫設(shè)計洪峰、洪量用尚屯水庫推求。

以花鼓水庫為代表，用尚屯水庫設(shè)計洪水成果推求的結(jié)果見表5。花鼓水庫洪水調(diào)節(jié)最大泄洪量見表5。

本次上游各水庫設(shè)計洪峰、洪量采用尚屯水庫的設(shè)計洪水成果推求。

表5 花鼓水庫洪水成果以及洪水調(diào)節(jié)成果表

2．3 秀水河各控制斷面設(shè)計洪峰的分析采用

秀水河斷面控制流量變化較大的控制點，上游從花鼓窩堡－康法縣界－獾子洞河匯入口－新開河下斷面彭家堡水文站，見圖1。中間各控制斷面的設(shè)計洪峰，從原理上分析是花鼓窩堡水庫放流加上區(qū)間的洪水過程的最大值。在計算中進行了這樣的簡化計算，上游用水庫最大放流控制，下游用彭家堡水文站設(shè)計洪峰控制，中間各控制地點洪峰按上下游洪峰值內(nèi)插求得。內(nèi)插的方法是按照小區(qū)間面積占上下游大區(qū)間面積的比例分配上下游流量的差值。秀水河從上游到下游各控制斷面的洪峰流量成果見表6。

表6 秀水河各控制斷面組合洪峰成果表 m3·s－1

3 成果合理性分析

尚屯水庫本次計算設(shè)計洪量包括1d、3d、5d的設(shè)計洪量，各時段洪量均值、設(shè)計值與歷時的關(guān)系，長時段洪量大于短時段洪量，曲線圓滑無突變、趨勢合理，見圖2。各時段洪量Cv與歷時的關(guān)系，長時段洪量Cv小于短時段洪量Cv，見圖3。將尚屯水庫各時段洪量頻率曲線點繪在同一坐標(biāo)圖上，見圖4，曲線走向一致、且沒有交叉現(xiàn)象，并保持了合理的差距。點繪了同一流域以頻率2%為代表的集水面積與設(shè)計洪峰雙對數(shù)關(guān)系圖，設(shè)計洪峰隨著面積增大而增大，且在雙對數(shù)曲線上基本呈線性關(guān)系，見圖5。故可以認為本次設(shè)計洪水計算成果基本合理。

圖2 尚屯水庫站洪量－歷時（日）關(guān)系圖

圖3 尚屯水庫站各時段設(shè)計洪量Cv－歷時（日）關(guān)系圖

圖4 尚屯水庫各時段洪量頻率曲線圖

4 問題及解決方法

（1）秀水河流域?qū)儆谶|河中下游右側(cè)支流，上游到下游從低山丘陵區(qū)、逐漸過渡到平原地區(qū)，上游沒有水文站，按照常規(guī)方法（圖表法）計算，很容易導(dǎo)致上游設(shè)計洪水成果偏大。與下游用實測資料系列計算的設(shè)計洪水成果矛盾，為了使上下游的洪水成果一致，修改了上游洪水，采用鄰近站的實測資料成果進行合理推求，達到了流域內(nèi)的成果趨向于合理。

圖5 秀水河各站2%洪峰－面積雙對數(shù)關(guān)系圖

（2）在彭家堡站的洪水頻率分析中，系列年限達到了60a，在系列中包含上游水庫建成前與建成后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)條件不同，對4座中型水庫進行數(shù)據(jù)還原計算，由于中型水庫的觀測條件和資料精度有限，水庫洪量還原不準(zhǔn)確，同時建庫前的大水年暴雨洪水資料很寶貴，于是計算了3個系列的設(shè)計洪水，互相驗證，互為分析，得到了工程需要采用的成果。

（3）上游有水庫，下游有控制站，區(qū)間洪水的簡易求法為中間各控制斷面的設(shè)計洪峰，從原理上分析是上游水庫放流加上下游區(qū)間的洪水過程的最大值。簡化計算為上游用水庫最大放流控制，下游用彭家堡水文站設(shè)計洪峰控制，中間各控制地點洪峰按上下游洪峰值根據(jù)區(qū)間面積內(nèi)插求得。

5 思考與結(jié)論

流域設(shè)計洪水分析計算中常遇到的問題是計算的設(shè)計洪水成果與上下游及鄰近流域成果不一致、發(fā)生矛盾，應(yīng)找到成果矛盾的水文成因，并采用多種方法分析計算互相驗證，在水文分析計算時，對于具體情況，應(yīng)靈活分析，對資料進行合理性的分析和甄別，對已有的資料盡量合理利用，盡量達到流域成果的平衡，從中找到最合理的解決方案。

［1］遼寧省水利廳．遼寧省水利普查成果［M］．北京：中國水利水電出版，2014．

［2］詹道江，徐向陽，陳元芳．工程水文學(xué)［M］．北京：中國水利水電出版社，1987．

［3］葉守澤．水文水利計算［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社出版，2013．

［4］金光炎．水文統(tǒng)計原理與方法［M］．北京：中國工業(yè)出版社，1959．

［5］中華人民共和國水利部．SL 44－2006水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2006．