楊彥龍，李 健，鄭子祥

(1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

小流域除集水面積小之外，在暴雨洪水產(chǎn)匯流方面也具有獨(dú)特的特點(diǎn)[1- 4]。我國大部分小流域水文測站多于20世紀(jì)60年代甚至更晚才開始設(shè)站[5- 6]，在早年水利水電工程設(shè)計(jì)中，由于測站水文資料系列長度不足或者無水文測站等原因，設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水一般根據(jù)省(自治區(qū)、直轄市) 水文手冊、水文圖集中繪制的暴雨參數(shù)等值線圖推求[7- 10]。我國各省市目前采用暴雨參數(shù)等值線圖大部分是20世紀(jì)80年代、90年代繪制，對無水文資料地區(qū)中、小型水利水電工程的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算起到了關(guān)鍵性的作用。隨著小流域測站水文資料系列增加，有些地區(qū)又增加了一些新的測站，對產(chǎn)流、匯流參數(shù)的確定提供了更多的信息[11- 12]，特別近年來極端特大暴雨頻發(fā)，對小型水庫原設(shè)計(jì)洪水成果和防洪安全有一定的影響。

抽水蓄能電站上水庫一般位于小流域，大多無降雨和洪水資料，設(shè)計(jì)階段采用查地區(qū)暴雨等值線圖計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。以張河灣抽水蓄能電站上水庫為例，通過投運(yùn)后積累的降雨資料，對原設(shè)計(jì)采用暴雨等值線圖計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的不確定性進(jìn)行分析，復(fù)核水庫防洪安全性。

1 研究區(qū)概況及水庫設(shè)計(jì)洪水成果

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河上，距井陘縣城公路里程45km，距山西昔陽縣約66km，位于兩省交界處，電站裝機(jī)容量為1000MW，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。樞紐建筑物由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面出線場及下水庫工程等組成。上水庫為一封閉的庫盆，集雨面積約0.3km2，總庫容770萬m3，死庫容55萬m3。正常蓄水位810.00m，死水位779.00m，設(shè)計(jì)洪水位(P=1%)810.32m，校核洪水位(P=0.1%)810.50m?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?12.00m，防浪墻頂高程813.20m，最大壩高57m。

由于下張河灣水庫雨量站資料系列不夠，設(shè)計(jì)時采用《河北省石家莊市水文水資源手冊》[13]推求上水庫設(shè)計(jì)洪水?？紤]到該手冊采用的資料系列為1956—1991年，在手冊出版后1996年8月發(fā)生大洪水和暴雨[14]，設(shè)計(jì)計(jì)算時考慮該暴雨對設(shè)計(jì)洪水的影響。通過手冊查得該區(qū)的多年平均最大24h暴雨量為80mm，暴雨變差系數(shù)Cv=0.75，Cs=3.5Cv，根據(jù)P- III型頻率曲線計(jì)算24h暴雨量設(shè)計(jì)值。由于庫盆外降水不會進(jìn)入庫內(nèi)，故上水庫設(shè)計(jì)洪量即為庫盆內(nèi)24h降水量。

2 特大暴雨對原設(shè)計(jì)洪水的影響

2.1 “7.19”特大暴雨

2016年7月19日發(fā)生的“7·19”暴雨是河北省中南部地區(qū)近幾十年來發(fā)生的較為罕見的特大暴雨[15- 18]。根據(jù)張河灣壩址附近雨量站資料統(tǒng)計(jì)，“7·19”降雨主要集中在7月19日8：00至20日8：00，最大24h降雨量占次降雨量的94%，降雨過程均為單峰型，1、3、6、12h降雨量分別占最大24小時的12%、27%、41%、70%。

根據(jù)《井陘縣“7·19”暴雨洪水調(diào)查分析報(bào)告》，井陘縣境內(nèi)綿河、甘陶河、小作河和臺頭溝流域，最大24小時點(diǎn)暴雨重現(xiàn)期分別為357—667年一遇、106～667年一遇、100年一遇和100—200年一遇。以上分析均是在原有設(shè)計(jì)暴雨基礎(chǔ)上分析“7·19”暴雨及洪水的重現(xiàn)期，未對“7·19”暴雨及洪水重現(xiàn)期進(jìn)行考證，但從以上分析及電站附近雨量站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，“7·19”暴雨最大24小時暴雨強(qiáng)度比 “96·8”和 “63·8”暴雨明顯偏大，“7·19”暴雨其重現(xiàn)期應(yīng)大于實(shí)測系列的長度，無法對其暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行量化。如圖1—2所示。

圖1 張河灣水庫附近雨量站分布及“7·19”降雨量

圖2 各雨量站“7·19”暴雨降雨—?dú)v時關(guān)系圖

2.2 設(shè)計(jì)暴雨及洪水復(fù)核

張河灣水庫 “7·19”暴雨實(shí)測最大24h降雨量達(dá)到465mm，超過1996年實(shí)測最大降雨量，接近上庫校核工況(1000年一遇)降雨量482mm。國家能源局組織的張河灣抽水蓄能電站大壩安全首次定期檢查時，為評估“7·19”特大暴雨對上水庫大壩防洪安全影響，加入“7·19”降雨資料對上水庫進(jìn)行了防洪復(fù)核分析。

2.2.1降雨資料系列

張河灣抽蓄上水庫2004年設(shè)立了上庫氣象站觀測降雨，期間有缺測(資料系列為2004—2008年和2017—2018年)，資料系列不足，僅作為參考。張河灣下水庫于1983年設(shè)有壩址雨量站，觀測至今，其上游設(shè)有泉口雨量站，有1958—2018年共61年最大24h降水量系列。通過建立了張河灣水庫壩址雨量站與泉口雨量站1983—2018年同期最大24h雨量相關(guān)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)出張河灣水庫壩址站1958—1982年系列，相關(guān)系數(shù)為0.93。如圖3所示。

圖3 張河灣水庫壩址站與泉口站最大24h雨量相關(guān)關(guān)系圖

2.2.2設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)插補(bǔ)延長的張河灣水庫壩址站1958—2018年61年降雨量系列，按連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨。由于2016年“7·19”暴雨，張河灣水庫周邊雨量站均出現(xiàn)了實(shí)測系列的最大值，加入該次暴雨，原設(shè)計(jì)根據(jù)《河北省石家莊市水文水資源手冊 1996年》查得的Cv值0.75增加到1.20，使稀遇暴雨、洪量設(shè)計(jì)值增加較多。復(fù)核計(jì)算上水庫100年一遇24h洪水洪量為16.7萬m3，1000年一遇24h洪水洪量為29.6萬m3，分別較原設(shè)計(jì)值增加71.6%和98.7%。見表1。

表1 張河灣上水庫設(shè)計(jì)洪水成果表

2.2.3設(shè)計(jì)暴雨合理性分析

計(jì)算降雨系列中包括了“63·8”、“96·8”、“7·19”等特大暴雨，因無法對特大暴雨進(jìn)行重現(xiàn)

期考證，直接按連續(xù)系列對暴雨進(jìn)行頻率計(jì)算，這樣計(jì)算出的設(shè)計(jì)暴雨成果是偏安全的。上水庫位置與下游的蒼巖山、柏山巖同處于太行山的迎風(fēng)區(qū)，該兩站24h暴雨量均已超過壩址處的24h暴雨量，達(dá)到600mm以上，考慮小區(qū)域暴雨的可移置性，上水庫位置也可能發(fā)生同等量級的暴雨。另外，張河灣水庫壩址站設(shè)計(jì)成果與距離上水庫較近的測魚站成果接近，大于上游泉口站設(shè)計(jì)成果，小于下游的胡家灘站、柏山巖站。將各雨量站實(shí)測點(diǎn)據(jù)與采用的成果綜合在一張頻率曲線圖上，加入了蒼巖山2016年“7·19”暴雨值619.2mm，周邊多站的設(shè)計(jì)暴雨綜合頻率曲線顯示，計(jì)算成果是合理的。見表2和圖4。

表2 各臨近站設(shè)計(jì)暴雨成果表

圖4 設(shè)計(jì)暴雨地區(qū)綜合頻率曲線成果圖

2.3 水庫防洪復(fù)核

根據(jù)上水庫復(fù)核后24h天然洪量成果，進(jìn)行上水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，在不考慮機(jī)組發(fā)電的情況下，分別計(jì)入上水庫100年一遇和1000年24h洪水總量之后的水位，分別作為上水庫復(fù)核后設(shè)計(jì)、校核洪水位，復(fù)核計(jì)算的水位為810.56m和810.98m，分別高于原設(shè)計(jì)值0.24m和0.48m。原設(shè)計(jì)大壩為1級建筑物，設(shè)計(jì)洪水位工況為壩頂高程計(jì)算控制工況，復(fù)核計(jì)算壩頂高程813.41m，原設(shè)計(jì)壩頂高程813.20m不滿足要求。見表3。

表3 防洪安全性分析表 單位：m

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》，上水庫大壩建筑物級別可為2級，設(shè)計(jì)洪水位工況安全超高可取1.0m，計(jì)算防浪墻高程為812.91m，設(shè)計(jì)壩頂高程仍能滿足規(guī)范要求。同時，經(jīng)分析認(rèn)為，即使遇到1000年一遇的暴雨，此時上水庫水位為810.98m，上水庫壩頂高程為812.00m，防浪墻頂高程為813.20m，所有降水量全部都可以存在上水庫內(nèi)，對上水庫的安全不會產(chǎn)生影響。在遇到設(shè)計(jì)或校核暴雨時，電站可以通過發(fā)電，將上水庫部分水量放到下水庫，這樣上水庫的水位均不會超過正常蓄水位，以確保上水庫的安全。

3 結(jié)論與建議

(1)由于運(yùn)行期發(fā)生特大暴雨，導(dǎo)致張河灣上水庫設(shè)計(jì)洪水增大明顯，校核洪水增大近1倍。經(jīng)復(fù)核張河灣上水庫設(shè)計(jì)和校核洪水位分別為810.56m和810.98m，若按原設(shè)計(jì)建筑物級別，大壩防洪能力不能滿足要求?？紤]按現(xiàn)行規(guī)范大壩建筑物級別可為2級，壩頂安全超高可以降低，上水庫大壩防洪安全可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2)《河北省石家莊市水文水資源手冊1996年》及《河北省短歷時暴雨設(shè)計(jì)暴雨圖集 1984年》中暴雨參數(shù)擬定時均未包括“96·8”及“7·19”，現(xiàn)無法對暴雨參數(shù)進(jìn)行長考證期大范圍的分析，建議水文部門對地區(qū)暴雨參數(shù)及洪水參數(shù)進(jìn)行綜合分析，電站積累上水庫站、張河灣水庫壩址站足夠長的實(shí)測暴雨系列后，對設(shè)計(jì)洪量成果進(jìn)行復(fù)核。

(3)直接采用各省己審定 的《暴雨洪水圖集》計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時，也應(yīng)注意暴雨和產(chǎn)流、匯流參數(shù)的檢驗(yàn)問題?，F(xiàn)各省采用的《暴雨洪水圖集》一般編制于20世紀(jì)70年代后期，沒有包括20世紀(jì)80年代以來的雨洪資料。如有新的大暴雨發(fā)生，應(yīng)對暴雨查算成果進(jìn)行驗(yàn)證，必要時作一定調(diào)整。如有較大量級的實(shí)測洪水資料 應(yīng)充分利用其對《暴雨洪水圖集》中產(chǎn)流和匯流參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。若工程位于省界河流時，應(yīng)充分考慮鄰省暴雨洪水分析成果，并應(yīng)用鄰省(暴雨洪水圖集》進(jìn)行查算，以作進(jìn)一步的地區(qū)綜合分析和檢驗(yàn)。