府谷縣張三溝水庫除險(xiǎn)加固洪水分析

趙彥平，藺艷琴

1 概況

張三溝水庫壩址位于府谷縣大昌漢鄉(xiāng)劉三石巖村張三溝溝口，所在河流張三溝為窟野河左岸三級(jí)支流，于劉三石巖村附近匯入那河（大昌漢川），流經(jīng)勃牛川后于左岸匯入窟野河。水庫壩址控制流域面積5.16 km2，河道長(zhǎng)2.99 km，河道平均比降23.1‰，是一座以防洪、攔沙為主，兼顧灌溉綜合利用Ⅳ等的?。?）型水庫。水庫于1972年建成，原設(shè)計(jì)總庫容175萬 m3，有效庫容107萬 m3，死庫容23萬 m3，死水位1284.62 m，正常蓄水位1294.62 m。1982年水庫“三查三定”確定的水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。校核洪水位1297.12 m。經(jīng)過四十多年運(yùn)行，水庫病險(xiǎn)嚴(yán)重，若需對(duì)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，需對(duì)水庫來水最大洪水進(jìn)行分析探討。

2 暴雨洪水徑流特性

張三溝水庫流域地處西北內(nèi)陸地區(qū)，屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有冬長(zhǎng)而干冷，夏短而多暴雨，春旱嚴(yán)重，霜早雹多，南北氣候差異大等特點(diǎn)。多年平均降水量433.1 mm。張三溝流域無實(shí)測(cè)水文資料，其流域降雨徑流特性借用臨近流域孤山川高石崖水文站徑流特性加以說明。徑流年際變化大、年內(nèi)分配不均。張三溝的徑流主要由降水形成，水情隨降水的變化而變化。河流的水量，汛期主要由降水補(bǔ)給，枯水季節(jié)主要依靠穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給，徑流年際變化大、年內(nèi)分配不均。據(jù)高石崖站1954～2007年54年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流量8310萬m3，最大年徑流量23840萬m3（1959年），最小年徑流量1595萬m3（2000年），汛期7～9月徑流量占全年徑流量的70%，枯水季節(jié)12～2月徑流量?jī)H占全年徑流量的2.3%。

張三溝流域內(nèi)暴雨最早發(fā)生在4月，最遲出現(xiàn)在10月，但量級(jí)和強(qiáng)度較大的暴雨一般發(fā)生在7～9月。暴雨一般分為鋒面雨和雷暴雨兩種，鋒面雨歷時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)度均勻，籠罩面積大；雷暴雨籠罩面積小，強(qiáng)度大，歷時(shí)短。張三溝流域的洪水由暴雨形成。暴雨特性和流域下墊面決定了該河的洪水特性。洪水最早出現(xiàn)在4月，其峰量較小，年最大洪水主要發(fā)生在7～9月，10月由于受淋雨影響，亦有洪水發(fā)生。受下墊面條件影響，張三溝流域洪水具有匯流快，陡漲陡落，峰型略瘦的特點(diǎn)。由于流域面積較小，河槽調(diào)蓄能力小，一次暴雨形成一個(gè)洪峰，在多雨季節(jié)形成漲落明顯的連續(xù)洪峰。一次洪水過程一般在24小時(shí)以內(nèi)。

3 設(shè)計(jì)洪水分析

由于張三溝水庫壩址處無實(shí)測(cè)洪水資料，現(xiàn)分別采用經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合參數(shù)法、推理公式法和水文比擬法對(duì)張三溝20年一遇和200年一遇洪水進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式法推求設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)“榆林地區(qū)產(chǎn)匯流、小匯水面積分區(qū)圖”，張三溝水庫位于榆林地區(qū)小匯水面積第Ⅰ分區(qū)，按照《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中介紹的使用榆林地區(qū)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料，并和已成工程設(shè)計(jì)及鄰區(qū)調(diào)查成果綜合分析出有關(guān)參數(shù)，建立起洪峰流量匯水面積相關(guān)法經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算壩址處的設(shè)計(jì)洪峰流量。即根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中的洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表，查算、插補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)公式的參、指數(shù)，重現(xiàn)期20年一遇地理參數(shù)為52.9，指數(shù)0.68，重現(xiàn)期200年一遇地理參數(shù)為97.6，指數(shù)0.68，經(jīng)過計(jì)算，求得張三溝水庫壩址處200年一遇、20年一遇設(shè)計(jì)洪水分別為298 m3/s、161 m3/s。經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

3.2 綜合參數(shù)法推求設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中采用流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征為基本參數(shù)，根據(jù)水文、氣象、地貌及土壤等自然地理特點(diǎn)，綜合出的多因素經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算壩址處的設(shè)計(jì)洪峰流量。張三溝水庫壩址以上流域面積為5.16 km2，河道長(zhǎng)2.99 km，重現(xiàn)期設(shè)計(jì)為流域6小時(shí)面雨量（mm）；查《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中的綜合參數(shù)法經(jīng)驗(yàn)公式分區(qū)參數(shù)、指數(shù)表，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、指數(shù)20年、200年一遇的C、α、β、n對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為 1.81、0.81、0.11、0.68；1.52、0.81、0.11、0.68。經(jīng)過計(jì)算，求得張三溝水庫壩址處20年、200年一遇的設(shè)計(jì)洪水分別為229 m3/s、446 m3/s。綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

3.3 推理公式法

根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中的“暴雨相似區(qū)分區(qū)圖”，張三溝水庫位于榆林地區(qū)第Ⅰ暴雨分區(qū)，其壩址以上流域面積為5.16 km2，小于100 km2，根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》規(guī)定，暴雨設(shè)計(jì)歷時(shí)取6小時(shí)，計(jì)算時(shí)段取1/3小時(shí)（20 m）。根據(jù)《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》及《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》，查不同歷時(shí)點(diǎn)暴雨均值等值線圖及Cv等值線圖，得壩址以上流域重心處20 m、1 h、3 h、6 h平均暴雨量及Cv值，采用“水文手冊(cè)”提供的Cs=3.5Cv，推求頻率P=0.5%和P=5%等不同頻率、不同歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量， 推求設(shè)計(jì)面雨量。張三溝水庫壩址以上流域面積為5.16 km2，河道長(zhǎng)2.99 km，河道平均比降23.1‰。按《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》推薦的黃土丘陵溝壑區(qū)推理公式法，推求壩址處設(shè)計(jì)洪水。

土壤前期含水量Pa采用33.3 mm，依據(jù)“水文手冊(cè)”提供的榆林地區(qū)黃土丘陵溝壑區(qū)入滲率f計(jì)算公式：①當(dāng)S＜80 mm時(shí)，f=14.83S-1.08②當(dāng) S≥80 mm 時(shí)，f=0.13，計(jì)算入滲率 f，進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，該流域面積小于50 km2，不扣除潛流，產(chǎn)流過程即為凈雨過程。經(jīng)匯流計(jì)算，求得地面徑流的洪峰流量及徑流過程，求得設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量及徑流過程。匯流計(jì)算詳見表1。

表1 推理公式法匯流過程計(jì)算表 單位：mm

繪制Qm～τ關(guān)系、Qm～t關(guān)系曲線圖， 洪水總量W由不同頻率暴雨產(chǎn)生的凈雨深進(jìn)行推算。經(jīng)計(jì)算，推理公式法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

3.4 水文比擬法

張三溝水庫壩址附近勃牛川設(shè)有新廟水文站，該站控制流域面積1527 km2，有較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)水文資料，故參證站選擇勃牛川新廟水文站。根據(jù)新廟站1966年～1988年、1991年～2006年共39年洪水系列，按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44—2006）推薦的方法，以年最大值法選樣，按連序系列進(jìn)行頻率分析，用矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)作為初試值，采用皮爾遜—Ⅲ型曲線目估適線，在適線時(shí)著重考慮曲線中、上部較大洪水點(diǎn)據(jù)，適當(dāng)考慮下端較小的洪水點(diǎn)據(jù)。經(jīng)計(jì)算，新廟站100年、50年、20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果分別為6156 m3/s、525 m3/s 8、4040 m3/s。

新廟站控制流域面積1527 km2，張三溝水庫壩址控制流域面積為5.16 km2，利用水文比擬法，經(jīng)過計(jì)算，求得張三溝水庫壩址處的設(shè)計(jì)洪水200年、50年、20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果分別為159 m3/s、118 m3/s 8、91 m3/s。水文比擬法計(jì)算成果見表2。

3.5 成果選用

以上四種計(jì)算方法計(jì)算的洪水成果匯總比較見表2。

從表中可以看出，各種方法計(jì)算的成果略有差異，但差異不大?？紤]到經(jīng)驗(yàn)公式法和綜合參數(shù)法使用的參數(shù)是根據(jù)1980年以前的水文資料分析確定的，未考慮近期實(shí)測(cè)洪水資料，成果和實(shí)際情況可能有一定的差異。水文比擬法成果和推理公式法成果基本一致，而推理公式法是使用《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》依據(jù)榆林地區(qū)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料分析總結(jié)出來的暴雨～洪水關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，有一套完整的計(jì)算方法，在理論方面比較嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算過程中又采用了本流域的特征值、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和暴雨資料，計(jì)算成果既代表了區(qū)域洪水的共性，又突出了計(jì)算流域洪水的特性，成果精度相對(duì)較高。經(jīng)綜合分析比較，本次張三溝水庫壩址設(shè)計(jì)洪水復(fù)核成果采用推理公式法求得的成果，即：200年一遇洪水情況下：洪峰為300 m3/s，洪水總量為93.7萬 m3；20年一遇洪水情況下：洪峰為165 m3/s，洪水總量為39萬m3。

4 設(shè)計(jì)洪水過程線

由于張三溝水庫壩址處無實(shí)測(cè)洪水過程，故設(shè)計(jì)洪水過程線采用《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中推薦的概化過程線進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)流域位于黃土丘陵溝壑區(qū)，洪水過程線由地面徑流過程和地下徑流過程疊加組成，地面徑流主雨峰形成的洪水過程采用五點(diǎn)概化過程線，主雨段之前和主雨段之后次雨段形成的洪水過程按三角形過程線計(jì)算，并以設(shè)計(jì)洪水總量控制將過程線進(jìn)行調(diào)整。查《水文手冊(cè)》，五點(diǎn)概化過程線的形狀系數(shù)為：Ka=0.10，Kb=0.124，Kw=0.238，Kτ=0.16。次雨段峰值計(jì)算成果見表3和圖1。

表3 張三溝水庫壩址處設(shè)計(jì)洪水過程表

圖1 張三溝水庫壩址處設(shè)計(jì)洪水過程線

5 結(jié)語

張三溝水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等組成，屬無設(shè)計(jì)、無批文、無施工、無竣工、無驗(yàn)收文件和圖紙等資料的歷史工程。2008年12月，經(jīng)榆林市水務(wù)局組織有關(guān)專家鑒定，該水庫大壩為三類病險(xiǎn)壩，及需進(jìn)行除險(xiǎn)加固建設(shè)。由于該水庫缺乏監(jiān)測(cè)資料和有關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合榆林地區(qū)暴雨特點(diǎn)，以臨近新廟水文站為參證站，采用四種方法對(duì)壩址處的洪水進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，提出除險(xiǎn)加固工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核，洪峰分別為300 m3/s、165 m3/s。