陰宇宙

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

微流域蓄水工程設計洪水分析計算淺析

陰宇宙

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

小微流域上的蓄水工程采用天然設計洪水時有一定的風險。當蓄水工程建成后，形成一定面積的人工水面，流域產(chǎn)匯流條件發(fā)生明顯變化，暴雨在庫面蓄水的部分下滲損失可以忽略不計，降雨全部成為洪水。設計洪水總量比天然條件下明顯增大，確定工程規(guī)模時，須對工程蓄水前后設計洪水的變化進行比較，合理確定相應的設計洪水成果。結(jié)合陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程建成前后流域下墊面的變化，計算不同下墊面產(chǎn)流量，對其影響進行評價，結(jié)果表明：一遇設計洪量的絕對值增加了7.7萬m3，增幅達31.2%。當工程規(guī)模較小的時候，設計洪水增加后，則有可能對泄洪設施規(guī)模帶來比較大的影響。

微流域；蓄水工程；設計洪水；計算

1 微流域的定義初探

匯集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域，流域分水線包圍區(qū)域的平面投影面積，稱為流域面積。流域面積、河網(wǎng)密度、流域長度和平均寬度、平均高度和平均坡度等均為流域的基本特征參數(shù)，地理位置、氣候特征、下墊面條件等為流域的自然地理特征。流域如何分級，尚未查到有明確的劃分標準。

上世紀八十年代，陜西省編制了《中小流域設計暴雨洪水圖集》（以下簡稱“暴雨圖集”）。關(guān)于“暴雨圖集”的使用范圍，有如下規(guī)定：控制使用的流域面積范圍一般應在1000 km2以下；推理公式法適用面積范圍為300 km2以下，300 km2~500 km2供參考使用；瞬時單位線法適用面積范圍為300 km2~1000 m2，1000 km2~1500 km2供參考使用?！皥D集”使用說明中提出“特小流域”1小時以內(nèi)設計點雨量的計算方法，但未定義明確的劃分標準。在進行潛流的回加計算時，陜北地區(qū)和渭北地區(qū)的黃土溝壑區(qū)，流域面積50 km2以下均不扣潛流。與“圖集”同期完成的《渭南地區(qū)暨銅川市實用水文手冊》規(guī)定：對于面積小于10 km2的特小流域，面平均雨量是直接采用流域中心的點暴雨量。由此可見，“暴雨圖集”定義的中小流域上限為1500 km2，下限應為50 km2；流域面積小于10 km2時，可稱之為特小流域。

尚未正式施行的國家水利行業(yè)標準《小流域劃分及編碼規(guī)范》（征求意見稿）對小流域定義如下：小流域通常是指二、三級支流以下以分水嶺和下游河道出口斷面為界集水面積在50 km2以下的相對獨立和封閉的自然匯水區(qū)域。小流域的基本組成單位是微流域，是為精確劃分自然流域邊界并形成流域拓撲關(guān)系而劃定的最小自然集水單元。

水土保持行業(yè)的相關(guān)規(guī)范中，小流域一般是指面積小于300 km2的流域。根據(jù)其面積大小又可分為四級：一級小流域，流域面積50 km2~300 km2；二級小流域，流域面積10 km2~50 km2；三級小流域，流域面積5 km2~10 km2；四級小流域，流域面積小于5 km2。

從陜西省的工程水文實踐看，特小流域可初步定義為流域面積小于10 km2以下的流域，對應于水保行業(yè)的標準，則為三級以下的小流域。依照《小流域劃分及編碼規(guī)范》（征求意見稿），流域面積小于5.0 km2的特小流域，可稱之為微流域。本文探討的陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程提升改造項目擬建的陡溝蓄水池，位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)東南方向的白于山北麓一獨立的集水單元，其壩址斷面的集水面積為1.78 km2，應為微流域。

2 問題的提出

2016年10月，陜西省水利電力勘測設計研究院承接了陜甘寧鹽環(huán)定引黃工程提升改造項目可研階段設計工作。該工程是為解決革命老區(qū)陜西定邊、甘肅環(huán)縣和寧夏鹽池、同心等縣部分地區(qū)人畜飲水困難，防治地方病，發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉，改善生態(tài)而興建的一項揚水工程，是國家“八五”重點項目，工程包括三省共用工程和三省專用工程。1990年7月，陜西專用工程開工建設，1997年試通水至定邊縣城。2016年，啟動了提升改造工程設計，其主要任務有四項：改造分水口處的泵站，改造部分輸水管線，新建輸水管線至靖邊縣，新建一座調(diào)蓄池，即陡溝調(diào)蓄池。

陡溝調(diào)蓄池位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)東南約5.8 km處的陡溝灘灘村南側(cè)陡溝和泉子溝之間，屬白于山北麓黃土丘陵溝壑區(qū)。壩址斷面以上集水面積1.78 km2，流域形狀近似呈半圓形，無明確的主匯流河槽。經(jīng)調(diào)查，該溝無日常徑流，僅在遭遇暴雨時產(chǎn)生洪水。調(diào)蓄池采用全攔全蓄的運用方式，設計標準為五十年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核，設計洪水采用相應的洪量控制。

一般情況下，水文設計成果為天然狀態(tài)下的設計洪水。但對特小流域、尤其是小微流域上的蓄水工程而言，采用天然設計洪水時有一定的風險。當蓄水工程建成后，形成一定面積的人工水面。人工水面和天然的流域下墊面不同，即產(chǎn)流、匯流條件不同。當工程蓄水后形成的水面所占的比例達到一定程度時，和天然條件下相比，蓄水后的設計洪水比明顯增大。

因此，在特小流域或微流域進行蓄水工程設計時，確定水工建筑物的規(guī)模時必須對工程蓄水前后設計洪水的變化進行比較，合理確定相應的設計洪水成果，確保建筑物安全。

3 陡溝調(diào)蓄池設計洪水分析計算

陡溝調(diào)蓄水池位于紅柳溝鎮(zhèn)東南方向賀圈村和張興莊之間，距紅柳溝鎮(zhèn)約5.8 km，為一低洼地，壩軸線高程約1476 m,最高的分水嶺海拔高程1631 m，相對高差約160 m。壩址以上集水面積1.78 km2，河長2.48 km，平均比降0.045，屬無資料地區(qū)。水庫采用全攔全蓄的運用方式，設計洪水僅需提供設計洪水總量。依據(jù)《榆林地區(qū)實用水文手冊》（以下簡稱“榆林手冊”），通過暴雨公式進行計算。

3.1 建庫前天然條件下產(chǎn)流量

3.1.1 設計暴雨

調(diào)蓄池地處白于山北麓，按照榆林手冊，屬白于山河源梁澗區(qū)，即暴雨分區(qū)Ⅲ。該區(qū)域設計暴雨歷時一般不超過24 h，考慮到該水庫工程的重要性及該地區(qū)暴雨的特殊性，出于工程安全考慮，本次設計暴雨時采用24 h，計算時段Δt取1 h。CS/CV取3.5，由皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)查得設計頻率為P的模比系數(shù)KP，得到設計頻率不同歷時的點暴雨量；通過點面關(guān)系，求得設計流域不同頻率的面暴雨量,點面系數(shù)取1.0。以1 h、3 h、6 h、12 h、24 h設計面雨量為控制，采用手冊中確定的“24小時暴雨概化雨型”，得到陡溝流域設計面雨量時程分配結(jié)果。

按照榆林地區(qū)實用水文手冊，調(diào)蓄池位于產(chǎn)匯流分區(qū)為Ⅳ區(qū),以超滲產(chǎn)流為主。設計工況下，土壤最大蓄水量Im=100 mm，前期影響雨量Pa=1/3Im。當前期影響雨量S＜80 mm時，土壤入滲率f=14.83S-1.08mm/min；當S≥80 mm時，f=0.13 mm/min。

計算結(jié)果如下：P=0.1%，凈雨量138.8 mm，相應的洪水總量為24.7萬m3；P=2%，凈雨量58.1 mm，相應的洪水總量為10.3萬m3；P=20%，凈雨量12.1mm，相應的洪水總量為2.24萬m3。

不同頻率面雨量及洪水總量計算結(jié)果見表1。

3.2 水庫蓄水運用后產(chǎn)流量

表1 調(diào)蓄池不同頻率的面雨量及洪水總量計算成果表

陡溝調(diào)蓄池建成后，正常蓄水位1510m，總庫容為963萬m3，水面面積67.4萬m2，占流域總面積的的37.9%。水庫蓄水運用后，降雨在水面部分全部形成產(chǎn)流，產(chǎn)流系數(shù)為1.0；水面之外的天然流域，產(chǎn)流計算時仍需考慮下滲量。

蓄水后的產(chǎn)流計算結(jié)果見表2。

表2 陡溝水庫蓄水后產(chǎn)流量計算成果表

3.3 推薦采用的設計成果

水庫蓄水運用后，產(chǎn)流條件發(fā)生了明顯改變，產(chǎn)流量也較天然條件下有明顯增大。以千年一遇暴雨計算結(jié)果看，水庫蓄水前天然條件下，產(chǎn)流量為24.7萬m3，水庫蓄水后增加到32.4萬m3，增幅為31.2%。五年一遇時變化最大，產(chǎn)流量增幅為166%。

從安全角度考慮，推薦采用建庫運用后的計算結(jié)果作為設計依據(jù)。

水庫建成前后產(chǎn)流量計算結(jié)果及變化情況見表3。

表3 陡溝水庫蓄水前后產(chǎn)流量計算成果對比表

4 結(jié)語

在本例中，工程蓄水運用后，產(chǎn)流條件將發(fā)生明顯改變。反映到設計洪水成果上，千年一遇設計洪量的絕對值增加了7.7萬m3，增幅達31.2%。當工程規(guī)模較小的時候，設計洪水增加后，則有可能對泄洪設施規(guī)模帶來比較大的影響。

陜西是一個水利大省，有眾多的小型水利工程，尤其在陜北地區(qū)，建有數(shù)以千計的小型水庫和淤地壩。近年來，隨著水資源開發(fā)力度的加大，一些地方和單位在特小流域、微流域修建小型水庫、蓄水工程，同時對小型水庫、淤地壩進行除險加固，將其改造為水源工程。本文探討的問題，具有一定的現(xiàn)實意義，其分析方法可供同行借鑒參考。

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1673-9000（2017）03-0145-02

2017-03-10

陰宇宙（1965-），男，陜西渭南人，高級工程師，主要從事水利水電工程水文設計研究工作。