李博遠(yuǎn)

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京100083）

西陽河流域李家河水電站徑流分析

李博遠(yuǎn)

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京100083）

在無資料地區(qū)徑流分析成果情況下，根據(jù)流域水文下墊面調(diào)查，流域或相近流域水文調(diào)查成果進(jìn)行比較分析后，確定設(shè)計(jì)徑流成果，既能保證成果的合理可靠性，也可滿足設(shè)計(jì)精度要求。以西陽河流域李家河水電站為例，論述了無資料地區(qū)設(shè)計(jì)徑流計(jì)算方法和過程，得出了設(shè)計(jì)徑流成果。

徑流分析；產(chǎn)流；雙曲正切模型；冪函數(shù)模型

1 流域概況

西陽河流域位于山西省中條山南麓，干流發(fā)源于山西省沁水縣下川鄉(xiāng)境內(nèi)，流經(jīng)垣曲縣歷山、英言、蒲掌、窯頭直入黃河，河道總長53km，河道縱坡1.2%，流域面積450.9km2。流域內(nèi)地勢北高南低，整個(gè)河段穿行于峽谷之中。

李家河水電站工程壩址位于山西省垣曲縣歷山鎮(zhèn)李家河村附近，控制流域面積202.2km2，河道長28km，縱坡2.3%。李家河水電站控制流域位于西陽河上游，森林茂密，植被良好，受人類活動(dòng)影響小，水土流失輕微。

西陽河流域?qū)儆跍嘏瘞О敫珊蛋霛駶櫟貐^(qū)，流域多年平均氣溫13.2℃，實(shí)測極端最高氣溫41.5℃（1966年6月22日），極端最低氣溫-14.5℃；多年平均降水量667.0mm，其中6～9月降水量站全年降水量的72.4%；多年平均蒸發(fā)量2143.5mm，在空間上蒸發(fā)量隨地形變化而變化，隨海拔高程的增加而衰減；實(shí)測最大風(fēng)速24m/s，平均風(fēng)速2.5m/s。

2 徑流分析方法

西陽河流域無水文測站，無資料地區(qū)徑流分析的一般方法有等值線法、相似流域參證站比擬法、水文模型法等。

水文模型法通過大量水文測站實(shí)測徑流數(shù)據(jù)，采用回歸分析的方法建立經(jīng)驗(yàn)水文模型，或者根據(jù)水文學(xué)原理建立數(shù)學(xué)模型后，根據(jù)水文測站實(shí)測數(shù)據(jù)率定參數(shù)，確定模型。水文模型法是建立在大量實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，模型的通用性強(qiáng)、精度較高，是無資料地區(qū)徑流計(jì)算常用的方法之一。

3 水文模型法徑流分析

3.1 水文模型

山西省地表徑流計(jì)算的水文模型主要包括冪函數(shù)和雙曲正切兩種模型，這兩種模型表達(dá)了流域不同水文下墊面條件下年降水量與地表徑流之間的變化規(guī)律。

冪函數(shù)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)如式（1）：

當(dāng)流域由多種產(chǎn)流地類組成時(shí)，流域產(chǎn)流復(fù)合參數(shù)a通過式（2）計(jì)算：

式中 A為設(shè)計(jì)流域面積 （km2）；Ai為第i類產(chǎn)流地類的面積（km2）；ai為第i類產(chǎn)流地類產(chǎn)流參數(shù)（mm）。

雙曲正切模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（3）、（4）：

山西省基流均值計(jì)算模型的的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（5）：

對于設(shè)計(jì)流域包含不同水文下墊面的基流模型的數(shù)學(xué)表達(dá)如式（6）：

式中 Ai為流域第i地類面積（km2）；ci為流域第i地類產(chǎn)流參數(shù)（mm）；K0i為流域第i類無效相對降水。

3.2 徑流分析計(jì)算

3.2.1 地表徑流計(jì)算

3.2.1.1 流域參數(shù)確定

徑流計(jì)算的流域參數(shù)包括流域面積、產(chǎn)流地類組成和流域分區(qū)等，流域面積可根據(jù)地形圖量測得出，產(chǎn)流地類組成可查《山西省水文下墊面產(chǎn)流地類圖》結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況確定。西陽河李家河水庫壩址控制流域面積202.2km2，水文下墊面產(chǎn)流地類分別為灰?guī)r森林山地30.4km2，變質(zhì)巖森林山地171.8km2。流域分區(qū)可查《山西省水文分區(qū)圖》，西陽河流域?qū)儆跂|區(qū)。

3.2.1.2 模型參數(shù)確定

徑流水文模型各參數(shù)可查 《山西省水文計(jì)算手冊》相關(guān)圖表，并結(jié)合流域現(xiàn)場調(diào)查所得植被、地形地貌資料確定。

山西省多年平均降水量507.6mm，西陽河流域降水量使用流域內(nèi)落凹、望仙2處雨量站實(shí)測降水資料計(jì)算值707.0mm，由此計(jì)算出相對降水K=1.393mm。西陽河流域西陽村以上植被條件較好，灰?guī)r森林山地和變質(zhì)巖森林山地的參數(shù)a分別取值5mm和38mm。參數(shù)b根據(jù)水文分區(qū)取2.72。

產(chǎn)流地類可能最大損失Zmi根據(jù)流域植被情況較好的實(shí)際情況，灰?guī)r森林山地取2400mm，變質(zhì)巖森林山地取1050mm。

3.2.1.3 地表徑流計(jì)算

根據(jù)以上參數(shù)和模型方法計(jì)算西陽河李家河水庫壩址地表徑流，如表1。

表1 李家河水庫地表徑流計(jì)算 單位：mm

冪函數(shù)模型計(jì)算得出地表徑流81.4mm，雙曲正切模型計(jì)算得出地表徑流79.8mm，二者徑流結(jié)果相差2%，基本一致。從安全角度考慮，將較小徑流結(jié)果作為以興利為主要任務(wù)的水利工程徑流成果，因此確定雙切正切模型結(jié)果79.8mm作為地表徑流成果。

3.2.2 基流計(jì)算

3.2.2.1 模型參數(shù)確定

《山西省水文計(jì)算手冊》給出了基流計(jì)算的產(chǎn)流參數(shù)ci和K0的取值表，表中根據(jù)流域植被情況、地質(zhì)地貌情況列出了上限值、下限值和一般值。西陽河李家河水庫壩址控制流域計(jì)算時(shí)按一般水平取值。具體取值如表2。

表2 李家河水電站基流分析計(jì)算

3.2.2.2 基流計(jì)算

基流計(jì)算詳情如表2。流域產(chǎn)流參數(shù)c的復(fù)合值83.2mm，綜合相對無效降水參數(shù)K0為0.82。模型法計(jì)算所得流域基流48.1mm。

3.2.3 設(shè)計(jì)徑流

設(shè)計(jì)徑流由流域徑流均值、變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)3個(gè)參數(shù)計(jì)算得出。流域徑流由地表徑流和基流組成，即R=Rs+Rg，則李家河水庫徑流均值R為128.9mm。李家河水庫地表徑流量1610萬m3，基流量970萬m3，徑流總量2580萬m3。李家河設(shè)計(jì)徑流成果如表3。

表3 李家河水庫設(shè)計(jì)徑流成果

4 設(shè)計(jì)徑流成果合理性分析

選用相鄰流域泗交水文站作為參證站，分析本區(qū)域徑流計(jì)算結(jié)果的合理性。泗交水文站位于夏縣泗交鎮(zhèn)泗交村王家河上，位于本研究區(qū)域附近。從流域參數(shù)特征分析，泗交水文站控制流域面積13.9km2，與設(shè)計(jì)流域相比，流域面積相差較大，不宜作為參證站直接采用。但泗交站水文下墊面為變質(zhì)巖森林與設(shè)計(jì)流域相似，流域平均年降水量699.7mm，與設(shè)計(jì)流域接近。因此可用其驗(yàn)證設(shè)計(jì)徑流成果的合理性。

泗交水文站多年平均徑流深154.0mm，徑流系數(shù)0.22，西陽河李家河水庫徑流深128.9mm，徑流系數(shù)0.18。二者相近，考慮到灰?guī)r森林產(chǎn)流條件差于變質(zhì)巖森林，可能最大損失Zm應(yīng)大于變質(zhì)巖森林區(qū)，因此設(shè)計(jì)徑流成果的徑流系數(shù)小于泗交站，且設(shè)計(jì)流域與參證流域氣候相同，徑流相近，因此設(shè)計(jì)徑流成果是合理可靠的。

5 結(jié)語

水文模型是無資料地區(qū)徑流計(jì)算的重要途徑，采用水文模型計(jì)算時(shí)，參數(shù)選擇除依靠查各種手冊成果外，一定要進(jìn)行流域?qū)嵉卣{(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括流域植被覆蓋程度、地表巖性裂隙發(fā)育強(qiáng)度、破碎風(fēng)化程度、地形坡度、溝壑發(fā)育程度。依靠調(diào)查情況合理確定各參數(shù)取值，并應(yīng)對枯水情況進(jìn)行調(diào)查，論證徑流成果的合理性和可靠性。

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

［2］SL77—2013，小型水電站水文計(jì)算規(guī)范［S］.

［3］山西省水利廳.山西省水文計(jì)算手冊選用站水文下墊面產(chǎn)流地類圖冊［M］.鄭州：黃河水利出版社，2011.

［4］山西省水利廳.山西省水文計(jì)算手冊編制方法與技術(shù)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2011.

［5］山西省水利廳.山西省清泉水流量調(diào)查成果［M］.鄭州：黃河水利出版社，2011.

The runoff analysis of Xiyang River Lijiahe Power Station

LI Bo-yuan
（College of Water Resources and Civil Engineering ，China Agricultural University， Beijing 100083，China）

The runoff analysis achievement of area without data is one of the main gist that can be use to determine the water project scale.After we get the runoff result by different analyses method，according to the hydrologic underline investigation， watershed or similar watershed analysis and compare， design runoff achievement can not only ensure the reasonableness and reliability of the result，but satisfy the request of the design accuracy.Taking the Xiyang River Lijiahe hydropower station for an example， the paper illustrates the method and process of design runoff circulation， and draws the conclusion of the design runoff.

runoff analysis； runoff producing； hyperbolic tangent model； power function model

TV747 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9900（2017）06-0029-03

2017-10-08

李博遠(yuǎn)（1994-），男（漢族），山西太原人，碩士研究生，主要從事水利水電方向研究，（Tel）13934244069。

尹健婷）