付雯琪，安占剛

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 研究背景

設(shè)計洪水是確定河道開發(fā)治理方案的基礎(chǔ),也是涉水工程規(guī)劃設(shè)計、防洪減災(zāi)規(guī)劃的核心技術(shù)環(huán)節(jié)[1][2]。近年來,隨著江河的治理與開發(fā),流域上中游主要干支流分布著調(diào)蓄作用較大已建成或近期即將建設(shè)的梯級水庫,對下游斷面設(shè)計洪水的影響越來越突出[3][4]。我國《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL 144—2006）中規(guī)定：“當(dāng)設(shè)計斷面上游有調(diào)蓄作用較大的水庫或水庫對下游有防洪任務(wù)時,應(yīng)對大洪水的地區(qū)組成進(jìn)行分析,并擬定設(shè)計斷面以上或防洪控制斷面以上設(shè)計洪水的地區(qū)組成”[5]。目前計算受上游水庫調(diào)蓄影響的設(shè)計洪水計算方法主要有地區(qū)組成法、頻率組合法、隨機(jī)模擬法等[6][7]。但是在無資料地區(qū),受水庫影響的下游設(shè)計洪水計算難以用以上方法進(jìn)行分析計算。為此,本文提出削峰影響量法,通過計算上游水庫消峰對下游設(shè)計斷面天然洪峰的影響量來推求設(shè)計洪水,為研究受水庫調(diào)蓄影響的設(shè)計洪水分析計算提供新途徑。

2 研究方法

削峰影響量是上游水庫調(diào)蓄對下游設(shè)計斷面天然洪峰產(chǎn)生的削減量,則下游斷面設(shè)計洪峰流量為該斷面天然洪峰流量與上游水庫對該斷面的消峰影響量之差,即：

式中：Q設(shè)，設(shè)為下游設(shè)計斷面設(shè)計洪峰流量,m3/s；Q設(shè)，天為下游設(shè)計斷面天然洪峰流量,m3/s；Q影響量為上游水庫調(diào)蓄對設(shè)計斷面的消峰影響量,m3/s。

削峰影響量是設(shè)計洪水分析研究的關(guān)鍵,主要與上游水庫消峰流量、區(qū)間洪水補(bǔ)償、水庫天然洪峰與設(shè)計斷面天然洪峰比值等因素有關(guān),具體分析如下：

（1）上游水庫消峰流量：水庫消峰流量代表水庫本身對洪水的調(diào)蓄能力,其值越大,表明該水庫對洪水的削減能力越強(qiáng),則對下游設(shè)計斷面天然洪峰產(chǎn)生的削減量就越大,反之亦然。

（2）區(qū)間洪水補(bǔ)償影響：上游水庫的消峰作用對下游斷面的影響大?。聪鞣逵绊懥浚┡c水庫與下游斷面的距離有關(guān),距離越近,影響越大,距離越遠(yuǎn),影響越小。這是因為區(qū)間洪水對下游斷面洪峰流量有補(bǔ)償作用,是由流域洪水自然特性決定的。

（3）水庫天然洪峰與下游斷面天然洪峰的比值：在上游水庫削峰流量一定的情況下,若水庫壩址天然洪峰在下游設(shè)計斷面天然洪峰流量中所占的比例越高,則削峰影響量在下游設(shè)計斷面保持的比例越高,對設(shè)計斷面的消峰影響量越大,反之亦然。

基于以上分析可知,當(dāng)下游斷面與上游水庫壩址天然洪峰流量越接近時,下游斷面受到水庫調(diào)蓄影響就越顯著,削峰影響量越大,則上游水庫消峰流量在下游設(shè)計斷面保持的比例越高,反之亦然。即上游水庫天然洪峰占下游設(shè)計斷面天然洪峰比例與上游水庫消峰流量在下游設(shè)計斷面保持的比例同向變化,表達(dá)式如下：

式中：K1為上游水庫消峰流量在下游設(shè)計斷面保持的比例,%；K2為上游水庫天然洪峰占下游設(shè)計斷面天然洪峰比例,%；C為削峰影響系數(shù)；Q庫，削為上游水庫消峰流量,m3/s；Q庫，天為上游水庫天然洪峰流量,m3/s；其他參數(shù)意義同前。

同一流域,由于氣候、下墊面等條件相似,可認(rèn)為削峰影響系數(shù)為常數(shù)。則由公式（1）～（4）可推算得受上游水庫調(diào)蓄影響時,下游設(shè)計斷面的設(shè)計洪峰流量為：

3 研究實例

3.1 流域概況

禿尾河地處陜西省北部的神木市,是黃河流域的重要一級支流,也是神木市重要飲用水源地和產(chǎn)業(yè)園區(qū)所在地,沿線蘊(yùn)含悠久的歷史文化與陜北特色景觀風(fēng)貌,具有重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位。禿尾河上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成,匯合口烏雞灘以下為禿尾河干流,自西北向東南流經(jīng)錦界鎮(zhèn)、高家堡,大保當(dāng),在萬鎮(zhèn)的河口岔村注入黃河。河流全長133.9 km,總面積3373 km3,水系呈羽狀發(fā)育。禿尾河在1966 年設(shè)立了高家堡水文站,在1955 年設(shè)立了高家川水文站,分別位于流域的中游和下游,是流域的控制性水文站。

禿尾河上游依次坐落瑤鎮(zhèn)、采兔溝兩座水庫,是陜北能源重化工基地供水的骨干水源工程,對下游洪水有一定調(diào)蓄作用。本文重點(diǎn)研究上游水庫調(diào)蓄對下游高家堡水文站設(shè)計洪峰流量的影響。

圖1 禿尾河流域圖

3.2 上游水庫設(shè)計洪水計算

（1）瑤鎮(zhèn)水庫

瑤鎮(zhèn)水庫壩址以上斷面主要為風(fēng)沙草灘地貌,以鄰近海流兔河韓家峁水文站作為參證站,依據(jù)其設(shè)計洪水成果按面積比擬法推算得到瑤鎮(zhèn)水庫壩址設(shè)計洪水成果。將韓家峁水文站1966 年8 月13 日典型洪水過程線按1 日及3 日洪量設(shè)計成果放大,得到瑤鎮(zhèn)水庫各頻率設(shè)計洪水過程線；再依據(jù)水庫水位-庫容關(guān)系曲線、水庫泄流曲線,對瑤鎮(zhèn)水庫各頻率洪水進(jìn)行調(diào)洪演算,得到相應(yīng)下泄流量,其成果見表1?，庢?zhèn)水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰分別為79 m3/s、62 m3/s、36 m3/s和14 m3/s,水庫削峰流量分別為58.5 m3/s、46.1 m3/s、28.5 m3/s和8.6 m3/s。

表1 瑤鎮(zhèn)水庫各頻率設(shè)計洪水成果表

（2）采兔溝水庫

瑤鎮(zhèn)水庫—采兔溝水庫區(qū)間主要為沙漠區(qū),壩址附近有少部分黃土溝壑地貌。由于兩種地貌的產(chǎn)匯流條件不同,因此計算采兔溝水庫壩址的洪水時,需按不同的下墊面情況分別計算,將流域分為風(fēng)沙區(qū)和黃土溝壑區(qū)兩種。

根據(jù)采兔溝水庫初步設(shè)計報告等相關(guān)資料,水庫壩址30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分別為272 m3/s、228 m3/s、166 m3/s和97 m3/s,考慮上游瑤鎮(zhèn)水庫調(diào)蓄影響后的洪峰流量分別為231 m3/s、197 m3/s、148 m3/s和91 m3/s。依據(jù)采兔溝水庫調(diào)洪原則和水位-庫容關(guān)系曲線、水庫泄流曲線,對水庫各頻率洪水進(jìn)行調(diào)洪演算,得到相應(yīng)頻率的下泄流量分別為57.1 m3/s、57.1 m3/s、57.0 m3/s和57.0 m3/s,水庫削峰流量分別為174 m3/s、140 m3/s、91.0 m3/s和34 m3/s。

表2 采兔溝水庫各頻率設(shè)計洪水成果表

3.3 設(shè)計斷面天然設(shè)計洪水

禿尾河流域瑤鎮(zhèn)水庫2001 年9 月29 日開工建設(shè),2003 年10 月底全面竣工,采兔溝水庫于2005 年9 月1 日開工建設(shè),2008 年11 月底完工,2009 年10 月下閘試運(yùn)行蓄水。因此選擇高家堡水文站1966 年～2002 年37 年實測最大流量作為天然洪水系列進(jìn)行經(jīng)驗頻率計算,并用P-Ⅲ曲線適線確定統(tǒng)計參數(shù),計算成果見表3。高家堡站30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分別為1410 m3/s、1280 m3/s、1040 m3/s和790 m3/s。

表3 設(shè)計斷面天然設(shè)計洪峰流量成果表

3.4 受上游水庫調(diào)蓄影響的設(shè)計洪水

（1）瑤鎮(zhèn)水庫調(diào)蓄對采兔溝壩址洪水的消峰影響

對于30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水而言,瑤鎮(zhèn)水庫壩址天然洪峰占采兔溝水庫壩址天然洪峰的比例（K2）平均為23.1%。而瑤鎮(zhèn)水庫削峰流量在采兔溝水庫保持的比例（K1）為66%,即瑤鎮(zhèn)水庫若對某一頻率洪水的消峰流量為100 m3/s,則采兔溝水庫天然洪峰流量消減66 m3/s。根據(jù)公式（2）推算得到瑤鎮(zhèn)水庫調(diào)蓄對采兔溝水庫設(shè)計洪水的削峰影響系數(shù)C為2.85。

由表4可知：瑤鎮(zhèn)水庫消峰流量在下游采兔溝壩址斷面保持的比例（K1）為66%；瑤鎮(zhèn)水庫天然洪峰占采兔溝壩址天然洪峰的比例（K2）為23.1%；消峰影響系數(shù)（C）為2.85。

表4 瑤鎮(zhèn)水庫調(diào)蓄對采兔溝壩址設(shè)計洪水的消峰影響量表

（2）受采兔溝水庫調(diào)蓄影響的高家堡水文站設(shè)計洪水

采兔溝水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇天然洪峰流量平均是高家堡站相應(yīng)頻率天然洪峰流量的16.3%（K2）。根據(jù)削峰影響系數(shù)2.85 推算,采兔溝水庫消峰流量在高家堡站保持的比例為46.5%（16.3%×2.85）,即采兔溝水庫30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水的消峰流量在高家堡站的保持量分別為80.9 m3/s、65.1 m3/s、42.3 m3/s和15.8 m3/s。從高家堡站天然洪峰流量中減去此消減量,得到受上游水庫調(diào)蓄后的高家堡站設(shè)計洪峰流量分別為1330 m3/s、1220 m3/s、998 m3/s和774 m3/s,見表5。

表5 高家堡站受上游調(diào)蓄后的設(shè)計洪峰流量成果表

4 結(jié)論

水庫調(diào)蓄對下游防洪斷面設(shè)計洪水計算、流域規(guī)劃、工程設(shè)計等有較大影響。針對無資料地區(qū)難以采用常規(guī)方法推求受上游水庫影響的設(shè)計洪水計算問題,本文提出削峰影響量法進(jìn)行分析計算,初步結(jié)論如下：

（1）削峰影響量是上游水庫調(diào)蓄對下游設(shè)計斷面天然洪峰流量產(chǎn)生的削減量,斷面天然洪峰流量與上游水庫對該斷面的消峰影響量之差即為設(shè)計洪峰流量；

（2）上游水庫對下游設(shè)計斷面的消峰影響量與上游水庫天然洪峰占下游設(shè)計斷面天然洪峰比例間同向變化；

（3）本方法的關(guān)鍵是推求消峰影響系數(shù),在有本地區(qū)類似水庫資料反推的情況下,方法是可行的。不同地區(qū)間的借用和水庫調(diào)洪機(jī)制不同情況下的使用,有待進(jìn)一步研究。