陳亞健,瞿蘭蘭

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局,湖北 武漢 430010)

0 引 言

水庫設(shè)計洪水成果在工程的除險加固階段至關(guān)重要,可為工程的加固建設(shè)規(guī)模以及后續(xù)運行管理方案的制訂提供參考。無實測流量資料的水利工程一般采用雨量資料計算暴雨參數(shù)進(jìn)行暴雨設(shè)計,再用設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水[1-3]。

云溪水庫位于陸水上游支流菖蒲港分支云溪港上,是一座以灌溉為主,兼有防洪、供水、發(fā)電等任務(wù)的中型水庫。主壩壩址坐落在通城縣關(guān)刀鎮(zhèn)上游12 km處,距通城縣城18 km。水庫控制流域面積48.3 km2,總庫容4 621萬m3。云溪水庫地理位置重要,水庫下游保護(hù)通城縣城、106國道等重要城鎮(zhèn)及基礎(chǔ)設(shè)施,保護(hù)耕地0.33萬hm2(5萬畝),保護(hù)人口8萬。云溪水庫于1970年1月經(jīng)湖北省水利廳及咸寧地區(qū)水利局批準(zhǔn),由通城縣水電局設(shè)計,于1970年7月23日正式開工,1971年6月基本建成,后經(jīng)1973～1983年和2003年兩次加固形成現(xiàn)有規(guī)模。云溪水庫于2004年開展除險加固工程,該次設(shè)計洪水計算首先通過查詢《湖北省暴雨徑流查算圖表》和《湖北暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》來確定暴雨設(shè)計參數(shù),同時采用通城站1958～2003年1,6,24 h實測暴雨資料進(jìn)行頻率分析,后續(xù)采用推理公式法和瞬時單位線法推求設(shè)計洪水,最終采用瞬時單位線法成果。水庫投入運行以來,為通城縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。2015年8月,水利部大壩安全管理中心對云溪水庫三類壩安全鑒定成果進(jìn)行了書面核查和現(xiàn)場核查,同意云溪水庫大壩為三類壩的結(jié)論,提出需要進(jìn)行除險加固。除險加固需要對水庫設(shè)計洪水進(jìn)行計算,分析最不利情況下的工程安全情況[4]。茹浚威[5]通過流域暴雨資料和設(shè)計洪水參數(shù)對李夫田水庫除險加固工程設(shè)計洪水復(fù)核計算,并進(jìn)行調(diào)洪分析。代超等[6]通過鄰近站的暴雨資料確定暴雨參數(shù),并對比分析了查圖法、推理公式法和水文比擬法的設(shè)計洪水結(jié)果。柴揚[7]在對渠首工程除險加固工程洪水分析計算時,采用P-Ⅲ曲線確定參證站的統(tǒng)計參數(shù)并計算了洪峰流量。樊孔明等[8]在對棉花灘水庫設(shè)計洪水復(fù)核計算時,修正了洪水資料的一致性再計算洪水頻率。由于云溪水庫沒有流量資料系列,本文根據(jù)暴雨資料推算設(shè)計洪水[9-10],通過查圖和實測資料兩種方法推求設(shè)計暴雨,采用推理公式法和瞬時單位線法分別計算洪水,并與原除險加固成果進(jìn)行對比,旨在為云溪水庫除險加固工程提供參考。

1 流域水文氣象特性

陸水流域氣候溫和,平均氣溫16.1 ℃,實測最高氣溫39.1 ℃,最低氣溫-15.2 ℃,多年平均最大風(fēng)力10級,風(fēng)向為東南。云溪河屬雨洪河流,水量豐沛,多年平均降雨量為1 600 mm,多年平均雨日為120 d,實測最大年降雨量達(dá)2 600 mm,最小年降雨量1 100 mm。云溪水庫多年平均入庫徑流量為4 070萬m3,徑流年內(nèi)分配不均,3～8月徑流量占年徑流總量的80%,5～6月最為集中,占40%。云溪河洪水多發(fā)生在6～7月,系梅雨期大暴雨形成。根據(jù)本次對云溪水庫降雨洪水統(tǒng)計資料分析,云溪水庫建庫前后,流域暴雨洪水特征基本一致。

2 設(shè)計暴雨

根據(jù)2008年的《湖北省暴雨徑流查算圖表》《湖北暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》(簡稱“《圖表》《圖集》”),查出1,6,24 h暴雨設(shè)計參數(shù),同時采用通城站1958～2021年1,6,24 h實測暴雨資料進(jìn)行頻率計算,頻率曲線見圖1～3,成果見表1。本次將系列延長至2021年后,其中1999年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為234.6,384.6 mm;2011年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為250.0,276.5 mm;2016年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為227.5,263.5 mm。這3 a最大24 h暴雨均達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn),相當(dāng)于20～100 a一遇,結(jié)合實測洪水對比分析,1999,2011,2016年洪水量級只相當(dāng)于20 a一遇洪水,因此本次暴雨頻率計算中不作特大值處理。

表1 云溪水庫設(shè)計暴雨

注:Ex為均值,Cv為變異系數(shù),Cs為變差系數(shù)。圖1 通城站最大1 h頻率曲線Fig.1 Maximum 1 h frequency curve of Tongcheng Station

圖2 通城站最大6 h頻率曲線Fig.2 Maximum 6 h frequency curve of Tongcheng Station

圖3 通城站最大24 h頻率曲線Fig.3 Maximum 24 h frequency curve of Tongcheng Station

對暴雨資料和設(shè)計成果再次復(fù)核,對1,6,24 h的暴雨設(shè)計參數(shù)Cv進(jìn)行了調(diào)整,使不同時段的Cv之間合理協(xié)調(diào),經(jīng)復(fù)核后,采用本次暴雨設(shè)計成果。

本次1 h設(shè)計暴雨成果與《圖表》和原除險加固成果相當(dāng),6,24 h設(shè)計暴雨成果有所增加。本次暴雨設(shè)計成果比《圖表》和原除險加固成果有所增加。從設(shè)計安全角度考慮,推薦采用本次通城站設(shè)計暴雨成果作為云溪水庫設(shè)計洪水成果復(fù)核依據(jù)。

3 云溪水庫設(shè)計洪水推求

云溪水庫沒有流量資料系列,只能根據(jù)暴雨資料推算設(shè)計洪水。根據(jù)SL 44-2006《水利水電工程設(shè)計洪水規(guī)范》,《圖表》和《圖集》由相關(guān)部門審定發(fā)布,可作為計算設(shè)計洪水的一種依據(jù)。按照“一法為主、多法比較、合理選用”的原則,采用推理公式法和瞬時單位線法分別計算洪水,并綜合選用[11]。

3.1 推理公式法

《圖表》以原水科院推理公式方法為基礎(chǔ),采用湖北省編制的設(shè)計暴雨參數(shù),根據(jù)具體情況在某些計算環(huán)節(jié)上作了一些改進(jìn),推得設(shè)計條件下全面匯流的洪峰流量計算公式[12]為

(1)

3.2 瞬時單位線法

云溪水庫屬于《圖表》中瞬時單位線分片的第Ⅱ片區(qū),參數(shù)m,n的地區(qū)綜合經(jīng)驗公式[13]為

m=0.82F0.29×L0.23×J-0.2

(2)

因為J>5‰,則:

n=0.34F0.25/J-0.2

(3)

式中:m,n為與匯流有關(guān)的參數(shù);F為流域面積,km2;L為主河道長度,km;J為主河道坡降,‰。m值已參照《圖表》中所列公式及表格作了非線性改正。

由S(t)查算表,將瞬時單位線轉(zhuǎn)換成1 h 10 mm的時段單位線,再按《圖表》中給出的雨型、前期影響雨量及穩(wěn)滲、地下水計算經(jīng)驗公式即可推得各種頻率的設(shè)計洪峰流量。

3.3 成果對比分析

對不同的設(shè)計洪峰流量成果列表進(jìn)行分析,見表2。原除險加固成果中,3.33%頻率下的設(shè)計洪峰流量進(jìn)行了非線性改正,而本文計算時按照手冊要求,對頻率2%以上的成果未作線性修正。云溪水庫鄰近的百丈潭水庫集水面積為21.5 km2,千年一遇洪峰模數(shù)29.6 m3/(s·km2),云溪水庫千年一遇洪峰模數(shù)28.9 m3/(s·km2)。兩者相比,云溪水庫洪峰模數(shù)較百丈潭水庫要小。一般情況下,隨著面積增大,洪峰模數(shù)減小,成果符合一般規(guī)律?？傮w來看,本次采用推理公式法及瞬時單位線法推求的設(shè)計洪峰流量成果與原除險加固成果基本一致。同時,利用收集的湖北省小流域設(shè)計洪水洪峰Qm與面積F關(guān)系圖(圖4)可以看出,本次計算的0.1%,1%頻率下的設(shè)計洪峰流量值位于0.1%～1%外包線之間,表明成果比較合理,故本次計算的設(shè)計洪水成果符合本地區(qū)規(guī)律。不同頻率設(shè)計洪水過程線(除險加固成果)見表3。

表2 云溪水庫設(shè)計洪峰流量對比

表3 云溪水庫設(shè)計洪水過程線

注:直、間分別表示直接法和間接法。圖4 湖北省Qm -F關(guān)系Fig.4 Qm-F relationship in Hubei Province

4 結(jié) 論

對云溪水庫除險加固進(jìn)行設(shè)計洪水分析計算,由于沒有實測流量資料,選擇用設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水,采用推理公式法和瞬時單位線法兩種方法計算設(shè)計洪水,并將計算結(jié)果與原除險加固成果進(jìn)行對比分析。0.1%～1%頻率洪水設(shè)計成果與原除險加固成果差別在5%以內(nèi),相差不大,且千年一遇設(shè)計洪峰較原除險加固成果略小,因此仍推薦采用原除險加固成果。