沈桂環(huán)

(陜西省安康水文水資源勘測(cè)局，陜西 安康 725000)

1 概況

安康水文站為漢江上游干流控制站，始建于1934年，原斷面位于安康市漢濱區(qū)金川街。受“83.8”漢江安康特大洪水影響，1989年1月上遷1.7 km至漢濱區(qū)吉河鎮(zhèn)觀新村馬坡嶺，改為安康(二)站至今。安康水文站是安康城區(qū)防汛指揮依據(jù)站，控制流域面積38625 km2，距河口距離1018 km。該站多年平均徑流量160億m3，多年平均輸沙率1601萬(wàn)t，多年平均降水量830.9 mm。建站以來(lái)實(shí)測(cè)最大洪水為“83.8”，洪峰流量31000 m3/s、相應(yīng)水位257.25 m；調(diào)查最高水位257.54 m，出現(xiàn)時(shí)間1583年6月12日，相應(yīng)流量33500 m3/s。

1989年12月26日，在安康水文站上游約17 km處安康水電站(水庫(kù))建成下閘蓄水，控制流域面積35600 km2，總庫(kù)容33.4億m3，調(diào)洪庫(kù)容3.6億m3，水庫(kù)以千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核。安康水庫(kù)具有較強(qiáng)消峰、滯洪作用，對(duì)下游洪水有較大調(diào)節(jié)作用。安康水文站與安康水庫(kù)大壩區(qū)間主要有支流月河匯入，月河下游有長(zhǎng)槍鋪水文站控制。

2 水文資料收集

(1)實(shí)測(cè)水文資料

本次收集到安康水文站1943年～2019年最大流量系列，安康水庫(kù)1990年～2019年最大入庫(kù)系列及月河長(zhǎng)槍鋪水文站相關(guān)資料。

(2)歷史洪水調(diào)查資料

漢江安康段洪水歷史文獻(xiàn)、文物極為豐富，洪水記載歷史十分悠久。為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，1953年以來(lái)，長(zhǎng)江水利委員會(huì)、(原水電部)水電第三工程局、陜西省水文水資源勘測(cè)局、安康水文水資源勘測(cè)局等單位先后組織對(duì)漢江干流安康段歷史洪水情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、考證工作，并在陜西省水利廳的領(lǐng)導(dǎo)下，于1984年組織專家對(duì)歷次調(diào)查成果進(jìn)行了分析論證，編印了《陜西省洪水調(diào)查資料》匯編成果，調(diào)查洪水成果見(jiàn)表1。

表1 漢江安康水文站歷史洪水調(diào)查成果表

根據(jù)歷史文獻(xiàn)和《陜西省洪水調(diào)查資料》《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》等有關(guān)文獻(xiàn)資料收集成果，漢江安康水文站河段調(diào)查歷史洪水有很多場(chǎng)，但最大洪水為1583年，其次為1867年。1583年推算為34000 m3/s，1867年洪峰流量為30000 m3/s，歷史排位為第三；安康水文站1934年建站，建站以來(lái)實(shí)測(cè)系列中特大洪水有1983年，洪峰流量為31000 m3/s，加入歷史洪水排位為第二位；歷史洪水考證時(shí)間從1583年算起，考證期為437 a。

3 安康水文站設(shè)計(jì)(天然)洪水計(jì)算

(1)水文資料“三性”分析

漢江安康水文站自1934年建站以來(lái)，從1943年至今具有連續(xù)的實(shí)測(cè)洪水資料，本次計(jì)算收集1943年～2019年共77 a實(shí)測(cè)資料系列。年最大流量過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 安康水文站歷年最大流量過(guò)程線圖

①資料的可靠性分析

安康水文站自1943年～2019年具有連續(xù)77 a實(shí)測(cè)洪水資料，均為水文年鑒整編成果。該站測(cè)驗(yàn)河段順直，斷面基本穩(wěn)定，中、低水采用流速儀法測(cè)流，高水采用均勻浮標(biāo)或中泓浮標(biāo)測(cè)流。經(jīng)抽樣檢查，洪水過(guò)程控制完整，中泓浮標(biāo)個(gè)數(shù)符合規(guī)范要求，浮標(biāo)系數(shù)采用合理，年最大流量系列資料連續(xù)。通過(guò)繪制本站歷年高洪水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線，經(jīng)綜合比較其變化趨勢(shì)穩(wěn)定、合理，說(shuō)明該站洪水流量資料可靠。

②資料的一致性分析和資料還原處理

安康水文站上游自1934年建站以來(lái)至1989年，在資料系列年限中無(wú)較大水利工程投入使用，有幾處規(guī)模較小水電站工程，但基本無(wú)調(diào)蓄能力，對(duì)天然洪水無(wú)較大改變，因此人類活動(dòng)對(duì)洪水資料影響很小。1990年以后由于安康水電站建成投入運(yùn)行，由于庫(kù)容較大，水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)下游天然河道洪水過(guò)程具有較大影響，需要進(jìn)行還原處理。

在安康站上游197 km處的漢江干流上設(shè)有石泉水文站，從1953年設(shè)站連續(xù)觀測(cè)至今。采用1989年以前的資料建立石泉站與安康站年最大流量相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為0.82，相關(guān)公式為Q安康=1.82Q石泉-247，通過(guò)該關(guān)系用石泉站1989年以后的資料將安康站對(duì)應(yīng)年最大流量進(jìn)行還原。但本次比對(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)此式還原后的安康站洪峰流量在安康以上流域降雨較均勻的情況下，數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確；但是如果洪水主要發(fā)生在石泉以上區(qū)域或石泉至安康之間流域，則推算的安康站洪峰流量明顯偏大或偏小，不符合流域洪水特性。安康水庫(kù)為大型水庫(kù)，建庫(kù)及運(yùn)行資料完整且精度較高。因此，采用建庫(kù)后入庫(kù)洪峰流量與月河長(zhǎng)槍鋪站相應(yīng)流量合成還原為安康站洪峰流量，還原后洪峰流量過(guò)程見(jiàn)圖1。

③資料的代表性分析

采用安康水文站1943年～2019年共77 a還原后的年最大流量資料系列，點(diǎn)繪年最大洪峰流量差積曲線圖，并繪制年最大流量累計(jì)均值過(guò)程線圖、變差系數(shù)、距平過(guò)程線圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 漢江安康站年最大流量累計(jì)均值模比系數(shù)Ki和變差系數(shù)CV過(guò)程線圖

圖3 漢江安康站年最大流量差積、距平曲線圖

從差積曲線圖來(lái)看，在77a系列中從1943年～1950年，基本上為小水年份，1951年～1958年為大水年份，1959年～1962年為小水年份，1963年～1965年為大水年份，1966年～1972年為小水年份，1973年～1975年為大水年份，1976年～1977年為小水年份，1978年～1984年為連續(xù)大水年份，1985年～1990年為波動(dòng)年份，1991年～1997年為連續(xù)小水年份，1998年～2009年為波動(dòng)年份，2010年～2015年總體為連續(xù)大水年份?？傊?7 a資料系列內(nèi)包括了連續(xù)大水時(shí)段和連續(xù)小水時(shí)段交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)15 a～20 a的周期性變化的特性；從累計(jì)均值過(guò)程線圖可以看出，從1995年以后累計(jì)均值基本集中在12300 m3/s的附近趨于穩(wěn)定，相差-2.1%～1.1%之間；變差系數(shù)CV在2010年以后基本維持在0.47左右。由此說(shuō)明安康水文站1943年～2019年洪水系列代表性較好。

(2)安康水文站設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算

①經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算

在調(diào)查考證期437 a中，有特大洪水3個(gè)，其中歷史調(diào)查洪水2個(gè)，77 a實(shí)測(cè)資料系列中將1983年最大流量作為特大值處理，組成不連續(xù)系列。因此各項(xiàng)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率以不連續(xù)系列數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算。

特大洪水計(jì)算公式：

PM=m/(N+1)，m=1，2

連續(xù)系列洪水計(jì)算公式：

式中：m為序號(hào)；N為歷史洪水調(diào)查考證期；a為特大洪水個(gè)數(shù)；n為實(shí)測(cè)系列洪水個(gè)數(shù)；l為從n項(xiàng)連序系列中抽出的特大洪水個(gè)數(shù)。

②統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中：Xj為特大洪水變量(j=1,2,…,a)；Xi為實(shí)測(cè)洪水變量(i=l+1,l+2,…,n)；其余符號(hào)意義同前。

③設(shè)計(jì)洪水流量推求

依據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)，采用離差平方和準(zhǔn)則適線，求出最優(yōu)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，再經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)適線法進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，依次計(jì)算出參證站不同頻率洪水計(jì)算成果。洪水頻率曲線圖見(jiàn)圖4，漢江安康水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 漢江安康站洪峰流量頻率計(jì)算成果表

圖4 漢江安康水文站年最大洪水頻率曲線圖

④設(shè)計(jì)洪水流量成果選用

為了安康市防洪工程設(shè)計(jì)的需要，安康水文站設(shè)計(jì)洪水多次進(jìn)行了計(jì)算，現(xiàn)將各個(gè)時(shí)期不同單位計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行匯總，與本次計(jì)算成果進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。

從表3中可以看出各次計(jì)算成果略有差異，但是總體相差不大，2002年陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編制的《陜西省漢江干流安康重點(diǎn)防洪工程可研報(bào)告》(以下簡(jiǎn)稱《安康防洪可研》)，于2003年已經(jīng)通過(guò)水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)審查；《漢江綜合整治規(guī)劃》于2012年1月陜西省人民政府第2次常務(wù)會(huì)議審議通過(guò)。本次計(jì)算成果比《安康防洪科研》偏小3.3%，與《綜合整治規(guī)劃》成果相近，究其原因主要是本次計(jì)算將資料系列延長(zhǎng)到2019年，而1998年～2010年的平均值比1935年～1997年平均值小，《安康防洪科研》計(jì)算平均值為12700 m3/s，本次計(jì)算平均值為12300 m3/s，偏小3.1%。考慮計(jì)算成果的一致性，因此采用《安康防洪可研》成果。

表3 安康水文站洪峰流量頻率計(jì)算成果分析表

4 受安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響的安康水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

(1)水庫(kù)汛期調(diào)洪原則

1999年北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編制完成了《安康水電站調(diào)度設(shè)計(jì)》確定的防洪要求和應(yīng)用原則。據(jù)此，陜西省防汛抗旱指揮部以陜汛旱[2011]29號(hào)文件下發(fā)了“關(guān)于安康水庫(kù)2011年汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃的批復(fù)”基本確定了安康水庫(kù)洪水調(diào)度運(yùn)用方式與原則，見(jiàn)表4。

表4 安康水電站水庫(kù)防洪調(diào)度規(guī)則參考表

(2)最大下泄流量

根據(jù)擬定的調(diào)洪調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)洪演算，《安康水電站調(diào)洪計(jì)算》詳細(xì)分析計(jì)算對(duì)安康水電站設(shè)計(jì)洪水及洪水調(diào)節(jié)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 安康水電站調(diào)洪計(jì)算成果表

(3)受安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響的安康水文站設(shè)計(jì)洪水

安康水庫(kù)壩址與安康水文站區(qū)間主要有支流月河、吉河，月河設(shè)有長(zhǎng)槍鋪水文站、控制流域面積2814 km2占區(qū)間面積94.0%。由于漢江洪水不同區(qū)域組成不同，月河占漢江洪水比例也不同。統(tǒng)計(jì)安康水庫(kù)下閘蓄水前1960年～1987年28 a洪水資料，成果見(jiàn)表6。

由表6可知，月河洪水洪峰流量占漢江安康站洪峰流量大部分在2%～10%之間，最大超過(guò)20%，最小僅0.2%，平均8.6%；通過(guò)統(tǒng)計(jì)兩站的3日洪水總量可知，長(zhǎng)槍鋪站平均占安康站的6.2%；長(zhǎng)槍鋪站洪峰流量、洪水總量所占安康站比例與該站占安康站面積比例7.3%比例相當(dāng)，且區(qū)間還有小支流吉河等，因此，考慮安康壩址洪水占安康站比例92.0%較為合理。本次分析結(jié)果與安康水庫(kù)原設(shè)計(jì)采用93.5%相近，為保持成果的一致性，本次沿用93.5%。

表6 月河長(zhǎng)槍鋪站洪峰占漢江安康站洪峰比例統(tǒng)計(jì)計(jì)算表 單位：m3/s

受安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響的安康水文站設(shè)計(jì)洪水為安康水庫(kù)不同頻率下泄流量與區(qū)間流量之和。安康水庫(kù)下泄流量通過(guò)安康水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算而得，安康壩址與安康站區(qū)間流量根據(jù)長(zhǎng)槍鋪占安康站天然洪水比例計(jì)算。按照上述計(jì)算，區(qū)間洪水占安康站6.5%計(jì)算，由此可得受安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響的安康站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，見(jiàn)表7。

表7 受安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響的安康水文站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

5 天然洪水與受水庫(kù)調(diào)節(jié)影響下的安康站設(shè)計(jì)流量對(duì)比分析

通過(guò)前述計(jì)算分析，天然洪水情況下計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量與考慮安康水庫(kù)調(diào)節(jié)影響下的設(shè)計(jì)洪峰流量差異較明顯，見(jiàn)表8。從表8中可以看出，安康水庫(kù)對(duì)于安康水文站洪水調(diào)節(jié)作用明顯，尤其是50 a一遇以下洪水，洪峰越小調(diào)節(jié)影響越大；調(diào)節(jié)后，50 a～5 a一遇洪峰消減6.1%～36.2%。

表8 天然洪水與受水庫(kù)調(diào)節(jié)影響下的設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比表

據(jù)安康水庫(kù)1989年蓄水運(yùn)行以來(lái)資料統(tǒng)計(jì)，安康最大入庫(kù)洪水出現(xiàn)在2010年7月18日、洪峰流量25500 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s,安康站實(shí)測(cè)21800 m3/s；次大出現(xiàn)在2005年10月2日，最大入庫(kù)洪峰流量21000 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s，安康站實(shí)測(cè)20800 m3/s。實(shí)際應(yīng)用與安康水庫(kù)調(diào)度原則計(jì)算結(jié)果基本相符。

6 結(jié)論

按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)中洪水一系列處理中，“實(shí)測(cè)洪水系列受上游已建的大中型蓄水工程、引水和提水工程等影響較大時(shí)，應(yīng)將受工程影響的洪水還原至天然狀況”，安康水文站設(shè)計(jì)洪水應(yīng)采用資料還原計(jì)算后成果。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，大型水庫(kù)建設(shè)后一般運(yùn)行周期較長(zhǎng)，洪水特別是大洪水受上游水庫(kù)調(diào)節(jié)影響是現(xiàn)實(shí)存在，因此，采用受水庫(kù)影響下的計(jì)算分析成果更加符合實(shí)際。