王雪婷,賈云龍,張甲棟

(咸陽(yáng)水文水資源勘測(cè)中心,陜西 咸陽(yáng) 712000)

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

1 概況

李家川水庫(kù)位于彬州市城區(qū)西南水簾河中游,水庫(kù)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(zhǎng)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(diǎn)是峰高、量小、歷時(shí)短、峰形尖瘦。李家川水庫(kù)建筑物級(jí)別為4級(jí),設(shè)計(jì)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(kù)正常蓄水位為961.21 m,設(shè)計(jì)洪水位963.72 m,校核洪水位964.14 m,死水位956.53 m,死庫(kù)容247 m3,興利庫(kù)容109萬 m3,泄洪庫(kù)容131萬 m3,總庫(kù)容487萬 m3。

2 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)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(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006);《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》(SL 104-2015);《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)。

同時(shí)參照《陜西省咸陽(yáng)市彬縣李家川水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程實(shí)施方案水文分析計(jì)算報(bào)告》、《陜西省咸陽(yáng)市彬縣李家川水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的洪水計(jì)算,進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。

2.2 方法

按《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006)規(guī)定,能夠精確可靠的計(jì)算項(xiàng)目區(qū)洪水量計(jì)算,對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)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(jì)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(jì)算

2.3.1 洪峰面積關(guān)系法

根據(jù)《咸陽(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)》洪峰流量與匯水面積經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式和加入流域特征的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

計(jì)算公式:

QN=KNFn

(1)

式中:QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);n、KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);F為設(shè)計(jì)流域面積(km2)。公式中的參、指數(shù) KN、n 值,從《咸陽(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)》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(jì)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(kù)屬于水簾河的上游地帶,水庫(kù)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(jìn)行頻率計(jì)算。按連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算,洪量統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值用距法計(jì)算,按P—Ⅲ型曲線實(shí)現(xiàn)計(jì)算得到淳化站洪水流量24 h、72 h統(tǒng)計(jì)數(shù)和不同頻率計(jì)算是時(shí)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(cè)驗(yàn)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(cè)流,高水采用均勻浮標(biāo)或中泓浮標(biāo)法測(cè)流。經(jīng)查閱幾場(chǎng)大水實(shí)測(cè)流量資料,洪水過程控制完整,中泓浮標(biāo)個(gè)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(dòng)對(duì)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(shí)段和各種來水組合,連續(xù)大水時(shí)段和連續(xù)小水時(shí)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(jì)參數(shù)穩(wěn)定分析,均值、變差系數(shù)Cv與歷時(shí)的關(guān)系分析,順時(shí)序和逆時(shí)序分別累加洪峰流量均值和變差系數(shù)Cv值,并點(diǎn)繪其與歷時(shí)t關(guān)系曲線圖見圖2,正時(shí)序計(jì)算,可以看出,系列愈短,變幅愈大,隨著系列增長(zhǎng),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(shí)曲線圖

差積曲線分析,點(diǎn)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(shí)長(zhǎng),且變幅大,需要較長(zhǎng)系列才可具有代表性。冶峪河資料系列從1964-2021年己達(dá)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(jì)洪峰流量計(jì)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(jì)算。實(shí)測(cè)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(jì)算得淳化水文站統(tǒng)計(jì)參數(shù)如下:均值Q=110 m3/s,Cv =1.7,Cs =2.5Cv;各頻率的設(shè)計(jì)流量成果詳見表1和淳化站設(shè)計(jì)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(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)》、《陜西省防汛手冊(cè)》(2004年)關(guān)于淳化水文站的頻率計(jì)算成果,并與本次計(jì)算成果加以比較,見表4。

表3 淳化水文站各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量表 m3/s

表4 淳化站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果分析表 m3/s

本次計(jì)算300 a和30 a一遇洪峰流量成果與《陜西省防汛手冊(cè)》計(jì)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(jì)算成果上述成果偏大,與2002年5月陜西省三門峽庫(kù)區(qū)勘測(cè)設(shè)計(jì)院編制的《李家川水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)》計(jì)算成果相近,成果合理可靠,淳化水文站設(shè)計(jì)洪峰流量采用本次計(jì)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(jì)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(kù)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量。其計(jì)算公式為:

(2)

式中:Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計(jì)斷面和淳化水文站洪峰流量;F設(shè)、F參分別為水庫(kù)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(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)》計(jì)劃興建的工程在水文測(cè)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(kù)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(jì)算洪峰流量成果。計(jì)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(jì)洪水計(jì)算方法。

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

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

表5 水庫(kù)區(qū)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)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(jì)暴雨逐時(shí)段扣除入滲損失和時(shí)段平均潛流量,潛流百分?jǐn)?shù)取30%。見表6和表7。

3)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算

根據(jù)《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》和《咸陽(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)》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(zhǎng)(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(jì)算匯流歷時(shí):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(jì)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(jì)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(diǎn)繪于同一張圖上,見圖5及圖6。曲線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為洪峰流量,橫坐標(biāo)為匯流歷時(shí),并回加潛流,潛流峰值采用Q潛=0.556 R潛F/T計(jì)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(jì)洪峰流量確定

表10 李家川水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

3 設(shè)計(jì)洪水成果選用

由上述三種方法計(jì)算李家川水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量成果匯總見表11。

表11 李家川水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果匯總表

從表11中可以看出,水文比擬法計(jì)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(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)》及《陜西省中小河流水文圖集》方法計(jì)算已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在水資源量計(jì)算,依據(jù)提供的經(jīng)驗(yàn)公式法、暴雨資料推求等方法,計(jì)算出來數(shù)據(jù)出入比較大。水文比擬法計(jì)算過程中采用淳化實(shí)測(cè)洪水系列資料,項(xiàng)目區(qū)所在流域面積與水文站控制流域面積超過±5%,水庫(kù)流域下墊面河淳化站所處的冶峪河基本相似,通過比擬計(jì)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(jì)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(shí)加強(qiáng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作的通知》要求,以防洪標(biāo)準(zhǔn)30 a一遇洪水設(shè)計(jì),300 a一遇洪水校核的來分析水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水,采用水文比擬法所得結(jié)果,300 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量891 m3/s,30 a一遇396 m3/s,結(jié)果可為李家川水庫(kù)除險(xiǎn)加固提供科學(xué)依據(jù)。