王奕萌

（甘肅水務(wù)平?jīng)龉┧邢挢?zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744000）

關(guān)鍵字：中小型水庫(kù)；設(shè)計(jì)洪水；水文站參證法；推理公式法；涇河流域

1 概述

涇河為黃河十大水系之一[1]，甘肅省境內(nèi)涇河流域面積占流域總面積的三分之二，由西北向東南流經(jīng)平?jīng)?、慶陽(yáng)等地，流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，是國(guó)家重要的能源基地。由于水資源時(shí)空分布極不均勻，工程型缺水問(wèn)題突出，水資源調(diào)蓄能力不強(qiáng)，難以滿足區(qū)域內(nèi)社會(huì)各業(yè)日益增長(zhǎng)的用水需求[2]。為解決這一問(wèn)題，需修建調(diào)蓄水庫(kù)工程。在中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)和施工的過(guò)程中，設(shè)計(jì)洪水的分析與計(jì)算有著十分重要的意義[3-4]，本文以甘肅省涇河流域某小型水庫(kù)工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用水文站參證站法[5-6]和推理公式法[7-8]來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析計(jì)算，并探討以上兩種方法的適用性，以期為其他同類型中小型水庫(kù)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

研究水庫(kù)為北楊澗水庫(kù)，位于平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)，該水庫(kù)是一座以農(nóng)村生活供水和川臺(tái)地灌溉為主，兼有抗旱應(yīng)急任務(wù)的水源工程。修建北楊澗水庫(kù)，可對(duì)北楊澗河河川徑流進(jìn)行蓄積、調(diào)節(jié)利用，為受水區(qū)15200 人農(nóng)村生活和492hm2畝川臺(tái)地灌溉提供正常供水，提高受水區(qū)用水保證率，改善用水現(xiàn)狀，并且在干旱期保障受水區(qū)基本用水，滿足抗旱應(yīng)急之需。

本工程水源為涇河一級(jí)支流北楊澗河，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288－1999）及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252－2000）的規(guī)定，北楊澗水庫(kù)屬Ⅴ等?。?）型工程，主要建筑物級(jí)別為5 級(jí)，次要建筑物和臨時(shí)性建筑物級(jí)別為5級(jí)。由此確定水庫(kù)工程按10 年一遇洪水設(shè)計(jì)，20 年一遇洪水校核，施工期洪水采用5 年一遇。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

北楊澗河洪水采用窯峰頭水文站參證站法，《甘肅省暴雨洪水圖集》推理公式法(時(shí)段暴雨參數(shù)采用2003 年《甘肅省暴雨特性研究》的成果)分析計(jì)算，并相互驗(yàn)證。

3.1 水文站參證站法

窯峰頭水文站設(shè)在大路河出口上游1.5km 處，控制流域面積219 km2。《甘肅省洪水調(diào)查資料》中已整編刊印了窯峰頭水文站1935 年、1950 年、1953年、1966 年的4 次大洪水，調(diào)查洪水成果較為可靠。窯峰頭水文站歷史洪水調(diào)查成果見(jiàn)表1。

表1 窯峰頭水文站歷史洪水調(diào)查成果表

根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載，結(jié)合鄰近流域歷史洪水發(fā)生情況分析，窯峰頭水文站歷史特大洪水重現(xiàn)期按最遠(yuǎn)調(diào)查考證年份至今的年數(shù)確定，最遠(yuǎn)調(diào)查考證年份為1935 年，故歷史特大洪水重現(xiàn)期按80 年考慮。

窯峰頭水文站洪水分析依據(jù)1975-2014 年的歷年實(shí)測(cè)年最大洪峰流量資料系列，并加入調(diào)查到的該站四場(chǎng)歷史洪水。在頻率分析計(jì)算中，將實(shí)測(cè)資料系列中的1996 年洪峰流量605m3/s、1991年洪峰流量341m3/s、1992年洪峰流量310m3/s 提出，作為特大值處理，用矩法初估參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線適線求得。窯峰頭水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表2。

表2 窯峰頭水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

北楊澗河與大路河同屬?zèng)芎幼蟀兑患?jí)支流，具有相近的氣候因素及下墊面條件，且控制流域面積接近，故以窯峰頭水文站為參證站，采用面積指數(shù)換算法推求各控制斷面不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。

式中：Qm——設(shè)計(jì)斷面洪峰流量m3/s；

Qn——參證站洪峰流量m3/s；

F1——設(shè)計(jì)斷面控制流域面積km2；

F0——參證站控制流域面積km2；

n——指數(shù)，取0.67。

經(jīng)計(jì)算，各控制斷面不同頻率洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 各控制斷面不同頻率洪峰流量成果表

3.2 推理公式法

按照流域面積大小選取暴雨控制時(shí)段分別為1h、3h、6h、24h。查2003 年《甘肅省暴雨特性研究》，得流域重心處最大1h、6h、24h 的點(diǎn)雨量分別為23mm、39mm、60mm，對(duì)應(yīng)的Cv 分別為0.58、0.55、0.46，Cs=3.5Cv，根據(jù)皮爾遜Ⅲ（P-Ⅲ）曲線的模比系數(shù)Kp 值求得1h、6h、24h 各頻率的點(diǎn)雨量，3h 點(diǎn)雨量按公式（2）內(nèi)插求得：

式中：H3——3h 點(diǎn)雨量mm；

H6——6h 點(diǎn)雨量mm；

H1——14h 點(diǎn)雨量mm。

由《甘肅省暴雨洪水圖集》查得點(diǎn)面折減系數(shù)1h、6h、24h分別為0.80、0.81、0.835，直線內(nèi)插得3h為0.806，流域綜合改正系數(shù)1h、3h、6h、24h 分別為0.915、0.915、0.915、0.899。求得各時(shí)段內(nèi)的點(diǎn)面雨量詳見(jiàn)表4。

表4 北楊澗河點(diǎn)、面雨量計(jì)算表

根據(jù)流域面積大小，選取北楊澗河區(qū)主雨峰為3h 的綜合雨型，按各時(shí)段內(nèi)面雨量同頻率控制放大，求得面雨量過(guò)程，本流域下墊面屬黃土區(qū)，用黃土區(qū)查用表進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，P=2%時(shí)，tc=6h，Ptc=44.79mm，f=5.75mm/h；P=5%時(shí)，tc=3h，Ptc=24.18mm，f=8.51mm/h；P=10%時(shí)，tc=3h，Ptc=18.17mm，f=7.49mm/h；P=20%時(shí)，tc=3h，Ptc=12.70mm，f=6.28mm/h；P=66.7%時(shí)，tc=3h，Ptc=5.28mm，f=3.48mm/h。

流域特征參數(shù)θ 按公式（3）計(jì)算：

式中：L——主流長(zhǎng)度，48.3km；

J——河道平均比降，10.0‰；

F——控制流域面積，237Km2；計(jì)算得θ=57.14。

用黃土區(qū)綜合公式（4）計(jì)算匯流參數(shù)m：

式中：m——匯流參數(shù)；

h——凈雨深，黃土區(qū)凈雨深小于35mm 時(shí)，按

實(shí)際值計(jì)算，當(dāng)凈雨深大于35mm 時(shí)，取h=35mm 進(jìn)行計(jì)算。

利用圖解法求洪峰流量Qm及匯流歷時(shí)τ，根據(jù)假設(shè)時(shí)間t，求得相應(yīng)的凈雨深ht，Qt按公式計(jì)算，匯流歷時(shí)，求得P=2%、P=5%、P=10%、P=20%、P=66.7%頻率下的Qt—t曲線如圖1 所示。地表洪峰流量計(jì)算詳見(jiàn)表5，不同頻率洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表6。

圖1 不同頻率下的Qt—t 曲線圖

表5 地表洪峰流量計(jì)算表

表6 不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表

3.3 分期設(shè)計(jì)洪水

北楊澗河分期設(shè)計(jì)洪水，以窯峰頭水文站為參證站，按面積指數(shù)換算法求得。

根據(jù)施工期最大流量成因及年內(nèi)不同時(shí)期洪水流量的變化，將全年分期洪水劃分為12～3 月（次年）、4 月、5 月、6 月、7～8 月、9 月、10 月～11月七個(gè)時(shí)期。主汛期（7～8 月）直接采用年最大洪峰流量成果，其余各分期洪水依據(jù)窯峰頭水文站月最大流量資料按月統(tǒng)計(jì)，分期選樣不跨期，各分期選樣系列組成后，用矩法初估參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線適線求得窯峰頭水文站各分期洪水，按面積指數(shù)換算得北楊澗河分期設(shè)計(jì)洪水。分期設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表7。

表7 分期設(shè)計(jì)洪水成果表

4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

由計(jì)算結(jié)果分析，兩種方法計(jì)算的洪峰流量比較接近?！陡拭C省暴雨洪水圖集》推理公式法雖是經(jīng)過(guò)全國(guó)及全省平衡后的成果，但它是一種經(jīng)驗(yàn)算法，代表性一般。而參證站法實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng)，歷史洪水調(diào)查成果可靠，精度和代表性好。故本次設(shè)計(jì)洪水采用參證站法計(jì)算結(jié)果。兩種方法計(jì)算成果對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 兩種方法計(jì)算成果對(duì)比表

5 結(jié)論與建議

（1）在水庫(kù)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)洪水通常根據(jù)流量資料和暴雨資料兩種方法來(lái)計(jì)算，若工程項(xiàng)目區(qū)域參考站有相對(duì)較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)資料時(shí)，建議首先選用水文站參證法計(jì)算，以提高水庫(kù)工程設(shè)計(jì)的合理性。

（2）在無(wú)資料地區(qū)進(jìn)行小型水庫(kù)洪水設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和《甘肅省暴雨洪水圖集》采用推理公式法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算也具有一定的可行性。