管 一，龍 巖，康愛卿，王繼選

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；3.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038）

我國幅員遼闊，江河湖海眾多，洪澇災(zāi)害頻繁。為了有效地預(yù)防和減輕洪澇災(zāi)害的影響，可采取一系列措施[1]，其中，設(shè)計(jì)洪水是保證工程安全最重要的設(shè)計(jì)依據(jù)之一[2]，推求出不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水過程線可以為工程的防洪規(guī)劃工作提供重要依據(jù)。九灣潭水庫是廣州市內(nèi)一座集防洪、灌溉、發(fā)電、供水、旅游于一體的多功能多年調(diào)節(jié)水庫，也是花都區(qū)內(nèi)第二大水庫，主要擔(dān)負(fù)著防洪、灌溉任務(wù)，對(duì)廣州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著重要影響。因此，本文以九灣潭水庫為例，研究在缺乏實(shí)測(cè)流量資料下中型水庫的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。選用《廣東省暴雨徑流查算圖表》[3]（以下簡(jiǎn)稱《查算手冊(cè)》）中的綜合單位線法和推理公式法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；并選用計(jì)算結(jié)果較好的方法進(jìn)行九灣潭水庫不同頻率的設(shè)計(jì)洪水推求，為以后九灣潭水庫的防洪調(diào)度工作提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為廣州市缺乏實(shí)測(cè)流量資料的水庫進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供參考。

1 工程概況

九灣潭水庫位于廣州市花都區(qū)東北部花東鎮(zhèn)網(wǎng)頂河上游，距河口約9 km處。網(wǎng)頂河干流發(fā)源于花都區(qū)雞枕山，于港頭村匯入流溪河，河流全長(zhǎng)16.3 km，縱坡0.0052。水庫集雨面積42 km2，最大庫容3709萬m3，設(shè)計(jì)正常庫容3283 萬m3，死庫容300 萬m3?；ǘ紖^(qū)多年平均降雨量為1761 mm，最大年降雨量2633 mm，最小年降雨量1074.8 mm。洪水由暴雨產(chǎn)生，且洪水具有漲落較快、歷時(shí)短的特點(diǎn)，每年的4—9 月為洪水期。九灣潭水庫為中型水庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇洪水設(shè)計(jì)、1000 a一遇洪水校核。

2 推求設(shè)計(jì)暴雨

推求設(shè)計(jì)暴雨一般有2 種方式：①當(dāng)庫區(qū)雨量站較多且實(shí)測(cè)資料充足時(shí)，可直接選取每年指定統(tǒng)計(jì)時(shí)段的最大面暴雨量，通過頻率計(jì)算求得，這種方法被稱為直接法；②當(dāng)庫區(qū)雨量站稀少或缺乏實(shí)測(cè)資料、無法直接求得設(shè)計(jì)面暴雨量時(shí)，就可先求設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量，然后通過暴雨點(diǎn)面關(guān)系，求相應(yīng)的設(shè)計(jì)面暴雨量，這種方法稱為間接法[4]。由于九灣潭水庫缺少短歷時(shí)降雨量資料，所以采用間接法由各歷時(shí)點(diǎn)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖查算九灣潭水庫中心點(diǎn)的各歷時(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)暴雨量，按暴雨定點(diǎn)定面關(guān)系換算為相應(yīng)的面設(shè)計(jì)暴雨量，其設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)選取及計(jì)算采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》[5]與《查算手冊(cè)》中有關(guān)數(shù)據(jù)和公式。

根據(jù)九灣潭水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，本文將對(duì)P=1%的設(shè)計(jì)洪水和P=0.1%的校核洪水分別進(jìn)行計(jì)算。由《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》查得九灣潭水庫所在區(qū)域中年最大1、6、24、72 h暴雨均值，由Cv等值線圖和Cs/Cv的分區(qū)數(shù)值表查得九灣潭水庫的各歷時(shí)暴雨均值Ht和Cv，Cs= 3.5Cv。同時(shí)，在《查算手冊(cè)》中查出各歷時(shí)暴雨P(guān)=1%、P=0.1%的Kp值，則可求得九灣潭水庫不同頻率的最大1、6、24、72 h 的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨值。九灣潭水庫各歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)查算結(jié)果詳見表1，計(jì)算成果詳見表2。

表1 九灣潭水庫各歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)查算結(jié)果

表2 九灣潭水庫各歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

在九灣潭水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中，選用《查算手冊(cè)》中的推理公式法、綜合單位線法2種推求設(shè)計(jì)洪水方法分別進(jìn)行100 a 一遇設(shè)計(jì)洪水和1000 a 一遇校核洪水的計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，并選擇出合適的方法推求九灣潭水庫20 a 一遇、50 a 一遇、100 a 一遇的設(shè)計(jì)洪水。

3.1 計(jì)算方法

3.1.1 推理公式法

采用迭代法聯(lián)解推理公式的基本公式推求設(shè)計(jì)洪峰流量Qm以及相應(yīng)的τ值[6]。該方法采用下列公式進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算：

3.1.2 綜合單位線法

廣東省綜合單位線是分析了50個(gè)水文站、639場(chǎng)雨洪數(shù)據(jù)而綜合形成的。產(chǎn)流分析使用初損后損法，采用線性系統(tǒng)辨識(shí)最小二乘法求解經(jīng)驗(yàn)單位線進(jìn)行匯流分析，并全面給出分區(qū)分類無因次單位線ui～xi表述的經(jīng)驗(yàn)線型和由設(shè)計(jì)條件確定分區(qū)內(nèi)集水區(qū)域特征參數(shù)θ=L/J1/3與穩(wěn)定單位線滯時(shí)m1的關(guān)系[7]。

該方法采用下列公式計(jì)算：

式中：ui為無因次單位線縱坐標(biāo)；xi為無因次單位線橫坐標(biāo)；qi為時(shí)段單位線縱坐標(biāo)（m3/s）；ti為時(shí)段單位線橫坐標(biāo)（h）；tp為單位線上漲歷時(shí)（h）；W=F/3.6相當(dāng)于1 mm 凈雨所形成的時(shí)段單位的總洪量，W為總洪量（m3），F(xiàn)為流域面積（km2）。

3.2 參數(shù)確定

（1）集水區(qū)域下墊面情況。九灣潭水庫屬于低山丘陵區(qū)，植被良好，土壤大多數(shù)為黏土，透水性弱。

（2）集水區(qū)域特征參數(shù)。流域面積F為42 km2，干流河長(zhǎng)L為16.3 km，河道干流坡降J為0.0052。

（3）暴雨、產(chǎn)流、匯流參數(shù)確定。本水庫集水區(qū)域處于《查算手冊(cè)》分區(qū)中的“Ⅶ珠江三角洲”，亞區(qū)為Ⅶ2流溪河，故采用珠江三角洲設(shè)計(jì)雨型，設(shè)計(jì)暴雨定點(diǎn)定面關(guān)系選自暴雨低區(qū)的αt-t-F關(guān)系圖，查附表1選定產(chǎn)流分區(qū)為內(nèi)陸。推理公式法的匯流參數(shù)查大陸低區(qū)m-θ關(guān)系圖選定為0.98，廣東省綜合單位線的匯流參數(shù)可以直接按工程集水區(qū)域特征參數(shù)公式θ=L/J1/3= 94.08 算出，查廣東省綜合單位線滯時(shí)m1-θ關(guān)系圖上的大陸高區(qū)關(guān)系線（即A 線）選定m1= 3.89。由于本水庫集水面積小于500 km2，所以單位線采用Ⅱ號(hào)無因次單位線um= 0.905。本水庫采取內(nèi)陸產(chǎn)流參數(shù)，集水面積小于100 km2，所以平均后損率=5 mm/h，3 d平均損失率f3d=2.5 mm/h。

（4）適宜計(jì)算時(shí)段Δt的確定。查《查算手冊(cè)》中廣東不同集水面積適宜計(jì)算時(shí)段Δt表，本研究區(qū)域集水面積為42 km2，適宜計(jì)算時(shí)段Δt=1 h。

4 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述所得參數(shù)，利用綜合單位線法和推理公式法2 種方法進(jìn)行計(jì)算，分別求出九灣潭水庫頻率為P=1%、P=0.1%的設(shè)計(jì)洪水成果，詳見表3。

表3 九灣潭水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

采用綜合單位線法與推理公式法推求九灣潭水庫頻率為P=1%、P=0.1%的設(shè)計(jì)洪水過程線，如圖1—2所示。

圖1 綜合單位線法推求九灣潭水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水過程線

圖2 推理公式法推求九灣潭水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水過程線

由表3可知，采用綜合單位線與推理公式法2種方法計(jì)算的洪峰流量差值均低于20%，無論是在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)還是在校核洪水標(biāo)準(zhǔn)下綜合單位線法計(jì)算的洪峰流量均較大。P=1%下，綜合單位線法求得洪峰流量為310 m3/s，24 h 洪量為682.81 萬m3，72 h 洪量為789.27 萬m3；推理公式法求得洪峰流量為268 m3/s，24 h 洪量為665.06 萬m3，72 h 洪量為792.67 萬m3；2 種方法的洪峰流量差值為13.61 %。P=0.1%下，綜合單位線法求得洪峰流量為394 m3/s，24 h 洪量為958.40 萬m3，72 h 洪量為1235.43萬m3；推理公式法求得洪峰流量為379 m3/s，24 h 洪量為937.85 萬m3，72 h 洪量為1242.80 萬m3；2 種方法的洪峰流量差值為3.73 %。從圖1—2 可以看出，綜合單位線法與推理公式法這2 種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量相近，但綜合單位線法的成果比推理公式法成果略大一些。在考慮防洪安全因素后，選擇綜合單位線法推求九灣潭水庫設(shè)計(jì)洪水。

5 不同頻率設(shè)計(jì)洪水推求

根據(jù)上述理論，采用綜合單位線法計(jì)算九灣潭水庫20 a 一遇、50 a 一遇、100 a 一遇設(shè)計(jì)洪水過程，計(jì)算成果詳見表4，設(shè)計(jì)洪水過程線如圖3所示。

圖3 九灣潭水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水過程線

表4 九灣潭水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果m3/s

6 結(jié)論

（1）采用綜合單位線法和推理公式法推求九灣潭水庫P=1%和P=0.1%的設(shè)計(jì)洪水，綜合單位線法下的設(shè)計(jì)洪峰流量和洪量均較大于推理公式法，在考慮防洪安全因素的情況下，認(rèn)為綜合單位線法較優(yōu)于推理公式法，可為該地區(qū)相同情況下其他水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供一定的參考性。

（2）選用綜合單位線法推求九灣潭水庫20 a 一遇、50 a 一遇和100 a 一遇重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)洪水，設(shè)計(jì)洪峰流量分別為218、275、295 m3/s，可為該水庫后期防洪調(diào)度研究提供依據(jù)。

本文僅選取了2 種方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，存在一定偶然性和誤差，后期還可以采用多種方法例如經(jīng)驗(yàn)頻率公式、參數(shù)估計(jì)方法等進(jìn)行計(jì)算分析，選擇出更適合該地區(qū)的推求設(shè)計(jì)洪水方法，使計(jì)算結(jié)果更精確。