李衛(wèi)東，周 宏，陳睿星，尹洋洋，曹宇航，徐向陽(yáng)

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

灰場(chǎng)是火力發(fā)電廠的重要組成部分之一，就貯存方式而言，相比于歷史悠久、技術(shù)成熟的濕灰場(chǎng)而言，干灰場(chǎng)憑借著建設(shè)周期短、成本低、便于貯存和耗水量低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐步被大眾所認(rèn)可并在建設(shè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)用地變得尤其緊張。為了更好地滿足城市用電的需求，越來(lái)越多的火力發(fā)電廠選擇建在山谷型地區(qū)。就國(guó)內(nèi)而言，西南地區(qū)山谷型干灰場(chǎng)所占比例已經(jīng)達(dá)到95%以上，并且針對(duì)此類灰場(chǎng)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法并不完善[1]。受當(dāng)?shù)氐匦蔚孛埠退臍庀髼l件的影響，灰場(chǎng)主要威脅來(lái)源于汛期高強(qiáng)度持續(xù)集中降雨。為減少灰場(chǎng)事故安全隱患，確?；鹆Πl(fā)電廠正常運(yùn)行，有效預(yù)防汛期高重現(xiàn)期暴雨給灰場(chǎng)帶來(lái)的威脅，充分防止灰水滲漏，保護(hù)地下水不受污染，下游居民不受破壞，做好干灰場(chǎng)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與校核尤為關(guān)鍵。根據(jù)新編制定《火力發(fā)電廠干式貯灰場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，干灰場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)取決于灰場(chǎng)的總體積和最終的壩高[2]。相應(yīng)的，干灰場(chǎng)的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)是排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)前提，更是決定著灰場(chǎng)的建設(shè)規(guī)模和投資成本。因此，規(guī)范的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)可保障灰場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，為干灰場(chǎng)提供合理性的建設(shè)意見。重點(diǎn)研究適用于山谷型干灰場(chǎng)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法有著重要的參考和指導(dǎo)意義。

1 基本原理

由于山谷型干灰場(chǎng)所處計(jì)算區(qū)域積水面積較小，并且所在的特小流域?qū)贌o(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)，所以這類地區(qū)干灰場(chǎng)的暴雨洪水計(jì)算需采用多種計(jì)算方法進(jìn)行比較，并采用當(dāng)?shù)卣{(diào)查估算的歷史洪水進(jìn)行校核[3]。常用的特小流域計(jì)算方法有推理公式法、林平一法和經(jīng)驗(yàn)公式法等[4]。林平一法最大的特色是針對(duì)坡地匯流特點(diǎn)，專門研究提出了坡地的洪峰計(jì)算方法。該方法的不足在于在匯流計(jì)算過(guò)程中將流域內(nèi)的河道假定為單一對(duì)稱的矩形河道，與山谷型灰場(chǎng)實(shí)際的地形有一定的差別，吻合程度存在差異；地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式是在缺乏資料的情況下計(jì)算洪峰流量所常用的一種簡(jiǎn)易方法，不足之處在于未充分考慮下墊面影響因素且公式中降雨的損失沒(méi)有充分考慮各個(gè)頻率的不同[5]； 相比于上述兩種方法，推理公式法的優(yōu)勢(shì)在于方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)稀少，對(duì)資料條件要求不高，特別適用于小流域的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。公式中共有三類參數(shù)，除流域特征參數(shù)外，還有暴雨參數(shù)及洪水經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。通過(guò)對(duì)由實(shí)測(cè)資料推求的后兩類參數(shù)進(jìn)行分區(qū)、分類綜合，可以使得參數(shù)更加符合小流域暴雨洪水特性。

1.1 推理公式法

推理公式是基于暴雨形成洪水的基本原理推求設(shè)計(jì)洪水的一種方法，是在對(duì)流域上產(chǎn)匯流條件均化(全面產(chǎn)流、凈雨強(qiáng)度不變、流域概化為矩形)的基礎(chǔ)上，按線性的徑流成因理論，直接推算出口斷面處最大洪峰流量的一種計(jì)算方法[6]。北京水科院對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)tc?τ時(shí)，全面匯流；tc<τ時(shí)，部分匯流，且形式如下所示：

(1)

式中：Qmp為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Sp為設(shè)計(jì)頻率的雨力，mm/h；τ為匯流時(shí)間，h；n為暴雨衰減指數(shù)，查地區(qū)暴雨參數(shù)等值線圖或采用公式計(jì)算；F為流域面積，km2；τc為產(chǎn)流歷時(shí)，h；μ為平均入滲率，mm/h；m為匯流參數(shù)；L為自分水嶺沿主河道至出口斷面的流程，m。

1.2 MIKE模型HD模塊

MIKE11水動(dòng)力模塊的構(gòu)建主要包括河網(wǎng)文件(.nwk11)，斷面數(shù)據(jù)(.xns11)，邊界條件 (.bnd11)，模型參數(shù)文件(.hd11)四部分，再由這幾部分共同生成模擬文件(.sim)。水動(dòng)力學(xué)模塊參數(shù)：河道長(zhǎng)度、斷面尺寸、斷面形狀、河道糙率、水面率、水工建筑物規(guī)模和調(diào)度方式等。HD模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)[7]。具體方程如下：

質(zhì)量守恒(連續(xù)性)方程：

(2)

動(dòng)量守恒(動(dòng)量)方程：

(3)

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

本次研究區(qū)距電廠廠址約為18.15 km，位于老龍脊的西面，周圍是標(biāo)高110～300 m的群山，是一個(gè)較典型的山谷灰場(chǎng)?；覉?chǎng)內(nèi)沒(méi)有市級(jí)以上重點(diǎn)文物保護(hù)單位，也不壓覆重要礦產(chǎn)資源。場(chǎng)區(qū)周邊山坡均為巖質(zhì)自然斜坡，從地質(zhì)報(bào)告看，地層巖性以灰?guī)r為主，第四系覆蓋層較薄，一般小于1.0 m，以粉質(zhì)黏土為主?；覉?chǎng)所在流域春季太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，溫度回升快，日較差大，多偏東風(fēng)，降水較冬季增多。秋季降溫快，涼爽，氣溫日較差大，常刮偏東北風(fēng)。夏季受海洋性氣候影響，氣溫為全年最高，降水多且集中，多偏南風(fēng)。冬季受西伯利亞冷空氣的影響，天氣寒冷，雨雪稀少，以北偏風(fēng)為主。

研究區(qū)域的洪水主要由東側(cè)三條沖溝組成，分別為主河道和兩側(cè)的小支流。根據(jù)規(guī)劃排洪溝布置線路以及實(shí)地踏勘情況，確定了A(東側(cè)北沖溝)、B(東側(cè)主沖溝)、C(東側(cè)南沖溝)有明顯沖槽的特征點(diǎn)，并將每個(gè)點(diǎn)以上劃分成不同的小流域。匯水區(qū)域劃分見圖1。匯水分區(qū)河道特性統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 研究區(qū)匯水分區(qū)劃分圖Fig.1 The division map of the catchment in the study area

2.2 排水方案

研究區(qū)域常處于小流域的洪水威脅下，擬在山谷灰場(chǎng)環(huán)山修建截洪溝，將攔截的山洪直接排至山谷下游河道中；并在灰場(chǎng)的東側(cè)建設(shè)攔水壩，將灰場(chǎng)東側(cè)三條沖溝的來(lái)水通過(guò)場(chǎng)內(nèi)的排水盲溝排出。灰渣場(chǎng)內(nèi)敷設(shè)排水盲溝、集水井將場(chǎng)內(nèi)雨水集中排放至場(chǎng)外集水池，經(jīng)沉淀、加酸處理后用于灰渣場(chǎng)噴灑。遇特大暴雨時(shí)，集水池有部分雨水外溢。

表1 匯水分區(qū)河道特性統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of the channel characteristics in catchment partition

灰場(chǎng)東側(cè)共有3條沖溝，且它們所在的山區(qū)匯水區(qū)域分別匯至攔水壩的上中下端(即A，B，C處)，在沿?fù)跛畨吻芭潘疁辖y(tǒng)一匯流至暗渠入口處，通過(guò)設(shè)于灰場(chǎng)底部且貫穿灰場(chǎng)的排洪暗溝將水引入灰場(chǎng)下游原有溝道。

2.3 設(shè)計(jì)暴雨分析計(jì)算

表2 灰場(chǎng)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表Tab.2 Ash field design storm calculation results table

2.4 不同方法計(jì)算結(jié)果

(1)推理公式法推求設(shè)計(jì)洪峰流量?？紤]到特小流域的雨洪特性及參數(shù)變化規(guī)律與中小流域不同，特別反映在匯流條件的變化上，所以下墊面特征很大程度上決定了特小流域設(shè)計(jì)洪峰流量值。本次研究根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)水文手冊(cè)查算出推理公式相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，匯流參數(shù)m的選取參考華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)m分類綜合表(θ=L/J1/3)[8]。根據(jù)實(shí)測(cè)勘察資料顯示該山谷型灰場(chǎng)壩址以上集水區(qū)域樹木稠密、雜草叢生，沖溝兩岸巖石裸露、來(lái)水陡漲緩落[8]。灰場(chǎng)流域下墊面特征基本屬Ⅱ-3類，匯流參數(shù)m=0.510θ0.092。徑流系數(shù)α值根據(jù)研究區(qū)域所在地的地形、土壤及設(shè)計(jì)降雨量查表可得。暴雨衰減指數(shù)n根據(jù)地區(qū)最大10 min、最大60 min和最大6h的暴雨綜合成果求得。

灰場(chǎng)暗渠入口處的洪水流量由灰場(chǎng)東側(cè)三條沖溝所在的山區(qū)的洪水組成，特征點(diǎn)匯水面積取分區(qū)1、2、3的面積總和，河道比降采用三分區(qū)面積加權(quán)平均值，主干河長(zhǎng)為流域分水嶺至暗渠入口斷面的河道長(zhǎng)度。采用推理公式法結(jié)合EHP軟件推求暗渠入口處的設(shè)計(jì)洪峰流量。

(2)MIKE模型調(diào)蓄匯流演算。本次研究對(duì)灰場(chǎng)擋水壩前排水溝進(jìn)行簡(jiǎn)要概化，其中河道斷面采取梯形斷面概化，灰場(chǎng)底下暗涵采用矩形斷面概化。選用推理公式法得到東側(cè)三條沖溝的洪水過(guò)程線作為HD模塊的邊界條件(即為特征點(diǎn)A、B、C的入流過(guò)程)，并且在暗渠入口處加入一定的調(diào)蓄面積。結(jié)合MIKE模型進(jìn)行調(diào)蓄匯流演算推求暗渠入口處的設(shè)計(jì)洪峰流量。不同重現(xiàn)期下各特征點(diǎn)設(shè)計(jì)洪峰流量過(guò)程線見圖2。

圖2 不同重現(xiàn)期下各特征點(diǎn)設(shè)計(jì)洪峰流量過(guò)程線Fig.2 The design flood peak discharge process line of all feature points under the different return period

利用上述兩種方法分別計(jì)算得到暗渠入口處30年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量和100年一遇校核洪峰流量值。計(jì)算結(jié)果見表3，暗渠入口處不同重現(xiàn)期下的洪水過(guò)程線見圖3。

表3 不同重現(xiàn)期下暗渠入口處設(shè)計(jì)洪峰流量值Tab.3 The design peak flow values of the culvert's entrance under different return period

圖3 不同重現(xiàn)期下暗渠入口處設(shè)計(jì)洪峰流量過(guò)程線Fig.3 The design flood peak discharge process line of the culvert's entrance under the different return period

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，MIKE模型匯流演算的暗渠入口處最大洪峰流量值比推理公式法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果要小。在重現(xiàn)期30年一遇條件下MIKE模型計(jì)算值為54.0 m3/s，推理公式計(jì)算值為61.3 m3/s，二者相差11.9%，洪峰時(shí)間偏后約0.5 h；在重現(xiàn)期100年一遇條件下MIKE模型計(jì)算值為69.5 m3/s，推理公式計(jì)算值為78.5 m3/s，二者相差11.5%，洪峰時(shí)間偏后約0.5 h。下面對(duì)兩者方法計(jì)算結(jié)果的差異進(jìn)行分析。

(1)兩種方法中匯流參數(shù)的選取均基于華東地區(qū)特小流域特性確定，充分考慮了下墊面因素對(duì)設(shè)計(jì)洪峰的影響。方法二對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分區(qū)分類計(jì)算，考慮到山谷型灰場(chǎng)上游復(fù)雜的地理?xiàng)l件，使得計(jì)算結(jié)果更趨于實(shí)際。

(2)水科院推理公式法在計(jì)算暗渠入口設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)只考慮了主干河的河道長(zhǎng)，未能充分反映整個(gè)灰場(chǎng)流域，一定程度上加大了洪水的匯流時(shí)間，并且沒(méi)有考慮調(diào)蓄作用；而方法二是用推理公式法算出各個(gè)分區(qū)的設(shè)計(jì)洪水，在此基礎(chǔ)上結(jié)合MIKE模型對(duì)灰場(chǎng)擋水壩前洪水進(jìn)行調(diào)蓄匯流演算，充分考慮了灰場(chǎng)的壩前調(diào)蓄。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于山谷型灰場(chǎng)所在流域下墊面條件復(fù)雜，所屬特小流域洪水破壞大。為了給電廠灰場(chǎng)防、排洪提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，本文結(jié)合小流域洪水特性，在充分研究不同特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于山谷型灰場(chǎng)的計(jì)算方法。該方法選用推理公式法分析并計(jì)算出灰場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水，并結(jié)合MIKE模型進(jìn)行暗渠入口的洪水匯流調(diào)蓄演算，一定程度上提高了計(jì)算結(jié)果的可靠性與合理性。計(jì)算結(jié)果表明：相比于單一的推理公式法而言，采用模型調(diào)蓄演算后的計(jì)算結(jié)果合理，充分考慮了灰場(chǎng)上游集水區(qū)域的下墊面特性和擋水壩對(duì)洪水的調(diào)蓄作用，比較符合山谷型干灰場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水特點(diǎn)，可為電廠灰場(chǎng)建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，有一定的參考價(jià)值。不足之處在于特小流域?qū)崪y(cè)資料的缺乏，導(dǎo)致模型參數(shù)不能進(jìn)行合理的率定。

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