付雯琪，安占剛

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 研究背景

設(shè)計(jì)洪水是確定河道開(kāi)發(fā)治理方案的基礎(chǔ),也是涉水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)規(guī)劃的核心技術(shù)環(huán)節(jié)[1][2]。近年來(lái),隨著江河的治理與開(kāi)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(jí)水庫(kù),對(duì)下游斷面設(shè)計(jì)洪水的影響越來(lái)越突出[3][4]。我國(guó)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 144—2006）中規(guī)定：“當(dāng)設(shè)計(jì)斷面上游有調(diào)蓄作用較大的水庫(kù)或水庫(kù)對(duì)下游有防洪任務(wù)時(shí),應(yīng)對(duì)大洪水的地區(qū)組成進(jìn)行分析,并擬定設(shè)計(jì)斷面以上或防洪控制斷面以上設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成”[5]。目前計(jì)算受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響的設(shè)計(jì)洪水計(jì)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(wú)資料地區(qū),受水庫(kù)影響的下游設(shè)計(jì)洪水計(jì)算難以用以上方法進(jìn)行分析計(jì)算。為此,本文提出削峰影響量法,通過(guò)計(jì)算上游水庫(kù)消峰對(duì)下游設(shè)計(jì)斷面天然洪峰的影響量來(lái)推求設(shè)計(jì)洪水,為研究受水庫(kù)調(diào)蓄影響的設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算提供新途徑。

2 研究方法

削峰影響量是上游水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)下游設(shè)計(jì)斷面天然洪峰產(chǎn)生的削減量,則下游斷面設(shè)計(jì)洪峰流量為該斷面天然洪峰流量與上游水庫(kù)對(duì)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(jì)斷面設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；Q設(shè)，天為下游設(shè)計(jì)斷面天然洪峰流量,m3/s；Q影響量為上游水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)設(shè)計(jì)斷面的消峰影響量,m3/s。

削峰影響量是設(shè)計(jì)洪水分析研究的關(guān)鍵,主要與上游水庫(kù)消峰流量、區(qū)間洪水補(bǔ)償、水庫(kù)天然洪峰與設(shè)計(jì)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(kù)消峰流量：水庫(kù)消峰流量代表水庫(kù)本身對(duì)洪水的調(diào)蓄能力,其值越大,表明該水庫(kù)對(duì)洪水的削減能力越強(qiáng),則對(duì)下游設(shè)計(jì)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(kù)的消峰作用對(duì)下游斷面的影響大?。聪鞣逵绊懥浚┡c水庫(kù)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?yàn)閰^(qū)間洪水對(duì)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(kù)天然洪峰與下游斷面天然洪峰的比值：在上游水庫(kù)削峰流量一定的情況下,若水庫(kù)壩址天然洪峰在下游設(shè)計(jì)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(jì)斷面保持的比例越高,對(duì)設(shè)計(jì)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(kù)壩址天然洪峰流量越接近時(shí),下游斷面受到水庫(kù)調(diào)蓄影響就越顯著,削峰影響量越大,則上游水庫(kù)消峰流量在下游設(shè)計(jì)斷面保持的比例越高,反之亦然。即上游水庫(kù)天然洪峰占下游設(shè)計(jì)斷面天然洪峰比例與上游水庫(kù)消峰流量在下游設(shè)計(jì)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(kù)消峰流量在下游設(shè)計(jì)斷面保持的比例,%；K2為上游水庫(kù)天然洪峰占下游設(shè)計(jì)斷面天然洪峰比例,%；C為削峰影響系數(shù)；Q庫(kù)，削為上游水庫(kù)消峰流量,m3/s；Q庫(kù)，天為上游水庫(kù)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(kù)調(diào)蓄影響時(shí),下游設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量為：

3 研究實(shí)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(jí)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(wàn)鎮(zhèn)的河口岔村注入黃河。河流全長(zhǎng)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(kù),是陜北能源重化工基地供水的骨干水源工程,對(duì)下游洪水有一定調(diào)蓄作用。本文重點(diǎn)研究上游水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)下游高家堡水文站設(shè)計(jì)洪峰流量的影響。

圖1 禿尾河流域圖

3.2 上游水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

（1）瑤鎮(zhèn)水庫(kù)

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)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(jì)洪水成果按面積比擬法推算得到瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水成果。將韓家峁水文站1966 年8 月13 日典型洪水過(guò)程線按1 日及3 日洪量設(shè)計(jì)成果放大,得到瑤鎮(zhèn)水庫(kù)各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線；再依據(jù)水庫(kù)水位-庫(kù)容關(guān)系曲線、水庫(kù)泄流曲線,對(duì)瑤鎮(zhèn)水庫(kù)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(jiàn)表1?，庢?zhèn)水庫(kù)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(kù)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(kù)各頻率設(shè)計(jì)洪水成果表

（2）采兔溝水庫(kù)

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)—采兔溝水庫(kù)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(jì)算采兔溝水庫(kù)壩址的洪水時(shí),需按不同的下墊面情況分別計(jì)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(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告等相關(guān)資料,水庫(kù)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(kù)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(kù)調(diào)洪原則和水位-庫(kù)容關(guān)系曲線、水庫(kù)泄流曲線,對(duì)水庫(kù)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(kù)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(kù)各頻率設(shè)計(jì)洪水成果表

3.3 設(shè)計(jì)斷面天然設(shè)計(jì)洪水

禿尾河流域瑤鎮(zhèn)水庫(kù)2001 年9 月29 日開(kāi)工建設(shè),2003 年10 月底全面竣工,采兔溝水庫(kù)于2005 年9 月1 日開(kāi)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(shí)測(cè)最大流量作為天然洪水系列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,并用P-Ⅲ曲線適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù),計(jì)算成果見(jiàn)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(jì)斷面天然設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3.4 受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響的設(shè)計(jì)洪水

（1）瑤鎮(zhèn)水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)采兔溝壩址洪水的消峰影響

對(duì)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(kù)壩址天然洪峰占采兔溝水庫(kù)壩址天然洪峰的比例（K2）平均為23.1%。而瑤鎮(zhèn)水庫(kù)削峰流量在采兔溝水庫(kù)保持的比例（K1）為66%,即瑤鎮(zhèn)水庫(kù)若對(duì)某一頻率洪水的消峰流量為100 m3/s,則采兔溝水庫(kù)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(kù)調(diào)蓄對(duì)采兔溝水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的削峰影響系數(shù)C為2.85。

由表4可知：瑤鎮(zhèn)水庫(kù)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(kù)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(kù)調(diào)蓄對(duì)采兔溝壩址設(shè)計(jì)洪水的消峰影響量表

（2）受采兔溝水庫(kù)調(diào)蓄影響的高家堡水文站設(shè)計(jì)洪水

采兔溝水庫(kù)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(kù)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(kù)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(kù)調(diào)蓄后的高家堡站設(shè)計(jì)洪峰流量分別為1330 m3/s、1220 m3/s、998 m3/s和774 m3/s,見(jiàn)表5。

表5 高家堡站受上游調(diào)蓄后的設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

4 結(jié)論

水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)下游防洪斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、流域規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)等有較大影響。針對(duì)無(wú)資料地區(qū)難以采用常規(guī)方法推求受上游水庫(kù)影響的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算問(wèn)題,本文提出削峰影響量法進(jìn)行分析計(jì)算,初步結(jié)論如下：

（1）削峰影響量是上游水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)下游設(shè)計(jì)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(kù)對(duì)該斷面的消峰影響量之差即為設(shè)計(jì)洪峰流量；

（2）上游水庫(kù)對(duì)下游設(shè)計(jì)斷面的消峰影響量與上游水庫(kù)天然洪峰占下游設(shè)計(jì)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(kù)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(kù)調(diào)洪機(jī)制不同情況下的使用,有待進(jìn)一步研究。