王雪婷,賈云龍,張甲棟

(咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000)

李家川水庫位于彬州市城區(qū)西南水簾河中游,屬Ⅳ小(1)型水庫,按照水利部國務(wù)院辦公廳《關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》和《國務(wù)院關(guān)于“十四五”水庫除險加固實施方案》的批復(fù),做好水庫除險加固工作,是保障水庫大壩安全運行的基礎(chǔ)性工作,能夠更好地發(fā)揮水庫效益,因此本文通過設(shè)計洪水復(fù)核計算,為李家川水庫除險加固提供科學(xué)依據(jù)。

1 概況

李家川水庫位于彬州市城區(qū)西南水簾河中游,水庫控制流域面積160.5 km2,占全流域面積87.2%,壩址以上干流河長30.65 km,河道平均比降15.3%,本流域?qū)冱S土高原溝壑區(qū),流域內(nèi)地表陡峻,溝壑縱橫,塬高溝深,植被較少,水土流失嚴(yán)重。水簾河洪水的形成,主要由流域內(nèi)暴雨特性決定,其特點是峰高、量小、歷時短、峰形尖瘦。李家川水庫建筑物級別為4級,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇,水庫正常蓄水位為961.21 m,設(shè)計洪水位963.72 m,校核洪水位964.14 m,死水位956.53 m,死庫容247 m3,興利庫容109萬 m3,泄洪庫容131萬 m3,總庫容487萬 m3。

2 設(shè)計洪水復(fù)核計算

2.1 依據(jù)

按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014);《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》(SL 44-2006);《水利工程水利計算規(guī)范》(SL 104-2015);《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)。

同時參照《陜西省咸陽市彬縣李家川水庫除險加固工程實施方案水文分析計算報告》、《陜西省咸陽市彬縣李家川水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》的洪水計算,進行了復(fù)核計算。

2.2 方法

按《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》(SL44-2006)規(guī)定,能夠精確可靠的計算項目區(qū)洪水量計算,對設(shè)計洪水計算采用“多種途徑,多種方法,綜合比較,合理選定”的原則,本次復(fù)核設(shè)計洪水,采用洪峰面積關(guān)系法、水文比擬法、推理公式法三種方法。

2.3 洪水分析計算

2.3.1 洪峰面積關(guān)系法

根據(jù)《咸陽市實用水文手冊》洪峰流量與匯水面積經(jīng)驗關(guān)系式和加入流域特征的經(jīng)驗關(guān)系式。

計算公式:

QN=KNFn

(1)

式中:QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計洪峰流量(m3/s);n、KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗參數(shù);F為設(shè)計流域面積(km2)。公式中的參、指數(shù) KN、n 值,從《咸陽市實用水文手冊》中查得。參、指數(shù),見表1。

表1 洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表

計算結(jié)果見表2。

表2 洪峰面積相關(guān)法不同頻率年最大洪峰流量成果表

2.3.2 水文比擬法

李家川水庫屬于水簾河的上游地帶,水庫控制面積以上水簾河主要由小支流而成。由于該河流未設(shè)有水文(位)站,但河流區(qū)域的下墊面與冶峪河相似,可用冶峪河上的淳化水文站作為參證站。

淳化水文站從1964-2021年58 a洪水系列進行頻率計算。按連續(xù)系列進行頻率計算,洪量統(tǒng)計參數(shù)的初值用距法計算,按P—Ⅲ型曲線實現(xiàn)計算得到淳化站洪水流量24 h、72 h統(tǒng)計數(shù)和不同頻率計算是時段洪水量。

1)可靠性分析

冶峪河淳化站1964-2021水位及大斷面資料均為水文年鑒整編成果。該站測驗河段順直,斷面沖淤變化小,中低水及部分高水均采用流速儀測流,高水采用均勻浮標(biāo)或中泓浮標(biāo)法測流。經(jīng)查閱幾場大水實測流量資料,洪水過程控制完整,中泓浮標(biāo)個數(shù)符合規(guī)范要求,浮標(biāo)系數(shù)采用合理,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2)一致性分析

冶峪河淳化站以上,干支流未建大中型水利工程,人類活動對淳化站的洪水影響較小,因此該站1964-2021年最大洪峰流量系列一致性好。

3)代表性分析

系列豐枯變化分析,從過程線圖1來看,在58年系列內(nèi)基本上包括了豐、平、枯時段和各種來水組合,連續(xù)大水時段和連續(xù)小水時段交替出現(xiàn),呈現(xiàn)周期性變化。

圖1 淳化站歷年最大洪峰流量過程線

統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定分析,均值、變差系數(shù)Cv與歷時的關(guān)系分析,順時序和逆時序分別累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點繪其與歷時t關(guān)系曲線圖見圖2,正時序計算,可以看出,系列愈短,變幅愈大,隨著系列增長,趨于穩(wěn)定,說明冶峪河流域洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值已穩(wěn)定。

圖2 淳化站均值、變差系數(shù)Cv與歷時曲線圖

差積曲線分析,點繪洪峰流量差積曲線見圖3,洪峰流量差積曲線為單峰型,表示形成系列的豐、枯歷時長,且變幅大,需要較長系列才可具有代表性。冶峪河資料系列從1964-2021年己達58 a,具有很好的代表性。

圖3 淳化水文站最大流量差積曲線圖

4)淳化站設(shè)計洪峰流量計算

淳化站歷史調(diào)查洪水最大年份為1933年的881 m3/s,在3次調(diào)查的洪水當(dāng)中,最大量值為1979年的524 m3/s,1971年的449 m3/s、1978年的432 m3/s。3次歷史調(diào)查洪水較小不具備特大值的條件,不作特大值處理、也不參加頻率計算。實測系列中1933年值明顯大于其它值,將其作為特大值處理,重現(xiàn)期按1933年以來至今100 a考慮。采用P—Ⅲ型曲線分析計算得淳化水文站統(tǒng)計參數(shù)如下:均值Q=110 m3/s,Cv =1.7,Cs =2.5Cv;各頻率的設(shè)計流量成果詳見表1和淳化站設(shè)計洪水頻率曲線見圖4。

圖4 淳化水文站洪峰流量頻率曲線圖

5)成果合理性分析及采用

本次收集到的《李家川水庫除險加固初步設(shè)計》、《陜西省防汛手冊》(2004年)關(guān)于淳化水文站的頻率計算成果,并與本次計算成果加以比較,見表4。

表3 淳化水文站各頻率設(shè)計洪峰流量表 m3/s

表4 淳化站設(shè)計洪峰流量計算成果分析表 m3/s

本次計算300 a和30 a一遇洪峰流量成果與《陜西省防汛手冊》計算成果偏大,分析原因是加入1933年調(diào)查洪水,并且特大值處理,故計算成果上述成果偏大,與2002年5月陜西省三門峽庫區(qū)勘測設(shè)計院編制的《李家川水庫除險加固初步設(shè)計》計算成果相近,成果合理可靠,淳化水文站設(shè)計洪峰流量采用本次計算成果,即300、30 a一遇洪峰流量采用1 297 m3/s、576 m3/s。

以參證計算成果Qp0.33%=1 297 m3/s、Qp3.33%=576 m3/s為依據(jù)按照面積比擬法推求李家川水庫設(shè)計洪水洪峰流量。其計算公式為:

(2)

式中:Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計斷面和淳化水文站洪峰流量;F設(shè)、F參分別為水庫控制面積和參證站控制流域面積,其中F設(shè)=160.5 km2,參證站F參=282 km2;n為指數(shù),n=0.667。

根據(jù)《咸陽市實用水文手冊》計劃興建的工程在水文測站處或控制面積相差20%以內(nèi)的直接采用參證站成果。但該水庫流域下墊面河淳化站所處的冶峪河基本相似,可采用淳化站計算洪峰流量成果。計算結(jié)果見表5。

2.3.3 推理公式法

推理公式法是由暴雨資料推求設(shè)計洪水計算方法。

2.5.1補植移栽定植后15～20天進行田間巡查，發(fā)現(xiàn)死苗、缺苗時，應(yīng)在陰天或雨后補植同齡種苗，澆足定根水。

根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計洪水,是缺乏水文資料中小流域最常用的計算方法。依據(jù)《咸陽市實用水文手冊》提供的方法和有關(guān)參數(shù),由設(shè)計暴雨推求各河段控制斷面及支流的設(shè)計洪峰流量。

表5 水庫區(qū)不同重現(xiàn)期設(shè)計洪峰流量表 m3/s

1)產(chǎn)流過程

根據(jù)流域所在的產(chǎn)流分區(qū)渭河Ⅱ北區(qū),按超滲產(chǎn)流模型,取前期影響雨量Pa=50 mm。根據(jù)平均入滲率和土壤含水量關(guān)系式推求。

2)凈雨過程

設(shè)計暴雨逐時段扣除入滲損失和時段平均潛流量,潛流百分?jǐn)?shù)取30%。見表6和表7。

3)設(shè)計洪水洪峰流量計算

根據(jù)《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》和《咸陽市實用水文手冊》產(chǎn)匯流分區(qū)圖涇河流域?qū)儆谖己英虮眳^(qū),則:

m=1.34θ0.578HR-0.514

(3)

(4)

式中:L為壩址以上河長(30.65 km);F為壩址以上流域面積(160.5 km2);J為壩址以上河道平均比降(0.0153)。

再根據(jù)匯流參數(shù)計算匯流歷時:τ=0.278 L/(mJ1/3Qm1/3),得到Qm～τ關(guān)系曲線如表6和表7。

表6 Qm～τ關(guān)系曲線(P=0.33% m=0.97)

表7 Qm～τ關(guān)系曲線(P=1% m=4.25)

再由凈雨過程計算P=0.33%、P=1%的Qm～t關(guān)系曲線,Qm～t關(guān)系曲線見表8和表9。

計算公式:Qm=0.278(∑ht/t)F

(5)

表8 P=0.33%的Qm～t關(guān)系曲線

表9 P=10%的Qm～t關(guān)系曲線

將Qm～τ曲線和Qm～t曲線點繪于同一張圖上,見圖5及圖6。曲線交點的縱坐標(biāo)即為洪峰流量,橫坐標(biāo)為匯流歷時,并回加潛流,潛流峰值采用Q潛=0.556 R潛F/T計算,可得洪峰流量為:

P=0.33% Qm=1 020 m3/s; τ=3.7 h。

P=30% Qm=495 m3/s; τ=3.5h。

圖5 P=0.33% Qm-τ與Qm-t關(guān)系曲線

圖6 P=30% Qm-τ與Qm-t關(guān)系曲線

4)設(shè)計洪峰流量確定

表10 李家川水庫設(shè)計洪水計算成果

3 設(shè)計洪水成果選用

由上述三種方法計算李家川水庫設(shè)計洪水洪峰流量成果匯總見表11。

表11 李家川水庫設(shè)計洪水計算成果匯總表

從表11中可以看出,水文比擬法計算所得結(jié)果最小,推理公式法所得結(jié)果最大。但是,采用《咸陽市實用水文手冊》及《陜西省中小河流水文圖集》方法計算已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在水資源量計算,依據(jù)提供的經(jīng)驗公式法、暴雨資料推求等方法,計算出來數(shù)據(jù)出入比較大。水文比擬法計算過程中采用淳化實測洪水系列資料,項目區(qū)所在流域面積與水文站控制流域面積超過±5%,水庫流域下墊面河淳化站所處的冶峪河基本相似,通過比擬計算出的相近河流的洪峰流量較為可靠。故300 a一遇、30 a一遇設(shè)計洪峰流量分別采用891 m3/s、396 m3/s。

4 結(jié)語

按照《關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》要求,以防洪標(biāo)準(zhǔn)30 a一遇洪水設(shè)計,300 a一遇洪水校核的來分析水庫設(shè)計洪水,采用水文比擬法所得結(jié)果,300 a一遇設(shè)計洪峰流量891 m3/s,30 a一遇396 m3/s,結(jié)果可為李家川水庫除險加固提供科學(xué)依據(jù)。