上游水庫影響下河口村水庫分期設計洪水研究

2021-04-27 18:10彭慧敏李國芳袁婷婷練美琪吳成興

人民黃河 2021年4期

彭慧敏李國芳袁婷婷練美琪吳成興

摘要：根據(jù)沁河五龍口水文站1953—2015年實測洪水資料序列，采用數(shù)理統(tǒng)計法、最優(yōu)分割法和氣象成因分析法對河口村水庫汛期7—10月進行合理劃分;考慮上游張峰水庫的影響，采用同頻率組合法計算各分期不同重現(xiàn)期下河口村水庫設計洪水。結果表明：7月20日和8月20日可作為分期點，將汛期分成前汛期、主汛期、后汛期;在張峰水庫影響下，對于2 000 a一遇的洪水，河口村水庫前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減20.6%、1.2%、16.0%，對于500 a一遇的洪水，前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減12.1%、0.5%、15.4%，對于100 a一遇的洪水，前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減0.9%、22.0%、5.4%;河口村水庫主汛期設計洪水明顯大于前汛期和后汛期，50 a、100 a、500 a和2 000 a重現(xiàn)期下，主汛期洪峰流量是其他兩個分期的1.8～3.8倍，1 d、3 d和5 d洪量是其他兩個分期的1.5～3.0倍。這說明為了充分利用水資源，有必要實施汛期分期洪水管理。

關鍵詞：汛期分期;設計洪水;上游水庫;河口村水庫

中圖分類號：P333;TV212 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.011 引用格式：彭慧敏，李國芳，袁婷婷，等.上游水庫影響下河口村水庫分期設計洪水研究[J].人民黃河，2021，43（4）：62-66，121.

Abstract： Based on the flood data from 1953 to 2015 of Wulongkou Hydrological Station， the mathematical statistics method， the optimal segmentation method and the meteorological analysis method were used to divide the flood period （from July to October） of Hekoucun Reservoir on the Qinhe River， respectively. Considering the influence of Zhangfeng Reservoir on the upstream， the design floods in different stages and different recurrence periods at Hekoucun dam site were determined by the same frequency composition method. The results show that the July 20th and the August 20th are ideal staging points to divide the flood season into three parts （the pre-flood season， the main flood season and the post-flood season）， and the design flood peak flow and flood volume of Hekoucun Reservoir dam site are reduced under the impact of Zhangfeng Reservoir. The design flood of the main flood season of the reservoir is significantly larger than those of the pre-flood season and the post-flood season， confirming the necessity to implement staged flood management in order to make full use of the water resources.

Key words： stage; design flood; upstream reservoir; Hekoucun Reservoir

1 引言

我國大多數(shù)水庫采用設計的年最大洪水序列進行防洪管理與調(diào)度，這使得水庫在整個汛期都按年最大洪水設防，汛期一出現(xiàn)較大洪水就被迫棄水，到汛末又往往蓄不滿，而分期設計洪水能夠兼顧防洪與興利，充分利用水資源，在不影響防洪的前提下充分發(fā)揮水庫的興利作用，創(chuàng)造更大效益[1-4]。

目前對于汛期分期主要有兩種方法：成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計法。成因分析法可靠性較高，得出的結果也較為合理，但分期具有一定的主觀性;而數(shù)理統(tǒng)計法相較于成因分析法更簡單明了，但對洪水臨界值的確定存在一定的主觀性。

陳守煜等[5-6]根據(jù)模糊集理論提出了模糊集綜合分析法對水庫的汛期分期進行研究，這一方法結合了成因分析和數(shù)理統(tǒng)計。高波等[7]認為汛期分期問題實質(zhì)上是一個多指標控制的聚類問題，將基于模糊相似關系的系統(tǒng)聚類法應用于汛期分期。對汛期分期的整個研究過程，其本質(zhì)是將成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法與定量化分期方法相結合，完善汛期分期的理論和方法。

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后峽谷段出山口五龍口水文站以上約9 km處，控制流域面積9 223 km2，設計標準為500 a一遇，校核標準為2 000 a一遇。沁河流域?qū)俑睙釒Ъ撅L區(qū)，冬季氣候干燥、寒冷，春季雨量有限。夏季暖濕海洋氣團侵入，兼受西風帶環(huán)流影響，冷暖空氣頻繁交換，雨量集中，7—8月雨量占全年的40%以上;年最大洪峰多發(fā)生在7月、8月，最早為7月上旬，最遲到9月下旬，8月份出現(xiàn)次數(shù)最多，約占50%。河口村水庫主要興利功能包括供水、灌溉、發(fā)電、改善河道基流等，但近年來水庫入庫徑流量明顯減少，實際城市供水量僅達到設計要求的20%，灌溉、發(fā)電和生態(tài)用水量更是難以保證，且隨著區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，水庫實際供水能力與區(qū)域水資源需求之間存在較大差距。而河口村水庫的汛期是7—10月，若對整個汛期都按年最大洪水設防則很不利于水庫效益的發(fā)揮，所以對其進行分期設計洪水的研究是非常有必要的。此外，在山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)張峰村，河口村水庫上游163 km處已建有張峰水庫。張峰水庫是沁河干流第一座大型水利樞紐工程，控制流域面積4 990 km2，2008年下閘蓄水運用。因此，河口村水庫的壩址設計洪水計算，不僅要考慮汛期分期，還必須考慮上游張峰水庫的影響，具有一定的復雜性。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)

因河口村水庫壩址在五龍口水文站上游約9 km處，集水面積僅比五龍口站集水面積9 245 km2少22 km2，故本文采用五龍口站1953—2015年7—10月的流量資料及1895年、1943年歷史洪水調(diào)查資料（見表1）進行分析研究。張峰水庫與河口村水庫防洪資料見表2。

2.2 分期方法

采用數(shù)理統(tǒng)計法、最優(yōu)分割法、氣象成因分析法等[8-9]，對五龍口站的汛期洪水分期點進行分析，經(jīng)綜合后確定合理的分期數(shù)和分期點。

（1）應用數(shù)理統(tǒng)計法，根據(jù)五龍口站1953—2015年實測洪水資料，統(tǒng)計時段洪量在汛期各月出現(xiàn)的頻次，表明沁河洪水主要發(fā)生在7月和8月份，特別是大洪水，更集中在8月份。

（2）以汛期（7—10月）作為分期研究論域，以旬為單位，將整個論域劃分為12個旬。根據(jù)五龍口站1953—2015年日流量資料，選各旬多年平均最大1 d洪量、3 d洪量、5 d洪量作為反映汛期內(nèi)暴雨洪水變化特征的因子。經(jīng)過樣本數(shù)據(jù)標準化處理、分段直徑計算、分類損失函數(shù)計算、求最優(yōu)解等步驟，確定最優(yōu)分段數(shù)為3，兩個分割點分別為7月20日和8月31日。

（3）從氣象成因分析來看，沁河流域降水的季節(jié)變化以及大范圍雨帶的進退都是大氣環(huán)流季節(jié)調(diào)整的結果。雨季變化與西風急流及西太平洋副熱帶高壓脊線的位置變化有關。8月上、中旬副熱帶西風急流推進到最北位置，沁河流域暴雨、洪水發(fā)展盛期就是在這個氣候背景條件下出現(xiàn)的，8月下旬西風急流開始南退。對于南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓脊線的位置，7月下旬—8月中旬，南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓達到全年最北位置;8月下旬起，南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓開始南退，其位置的變率較盛夏明顯減小，顯示出季節(jié)轉換的特征。

2.3 抽樣方法

采用分期最大值法抽樣。根據(jù)水文規(guī)律及氣候變化規(guī)律，某時段前后一個月內(nèi)的水文現(xiàn)象被認為也可能發(fā)生在該時段內(nèi)，故本次適當跨期取樣，跨期幅度不超過10 d[9]。不少學者曾對分期最大值法抽樣與年最大值法抽樣進行過研究，如：王世勛等[10]通過對棉花灘水庫分期設計洪水的研究，發(fā)現(xiàn)分期設計值比年最大值取樣結果小;劉攀等[11]討論了分期設計洪水與年最大設計洪水的關系。

2.4 分期設計洪水計算方法

基于分期最大值洪水序列，采用水文頻率分析法計算五龍口站前汛期、主汛期、后汛期不同時段洪量的參數(shù)和設計值[12]。

采用同頻率組合法進行設計洪水地區(qū)組成計算，河口村水庫的壩址洪水由張峰水庫出庫流量和張峰—五龍口區(qū)間（以下簡稱張五區(qū)間）來水組成[13]。首先對張峰水庫設計洪水進行模擬調(diào)度計算，計算出張峰水庫的出庫流量過程，然后與張五區(qū)間的相應或設計過程疊加，即為受張峰水庫影響后的河口村水庫壩址設計洪水。

張五區(qū)間設計洪水因?qū)崪y資料不足而采用面積指數(shù)法推算，用流域內(nèi)測站設計洪水率定該地區(qū)面積指數(shù)，選取參證站進行推求。張五區(qū)間設計洪水計算以五龍口站為參證站，采用的基本公式為

式中：F、F參分別為推求站、參證站集水面積，km2;Q、Q參分別為推求站、參證站年最大洪峰設計值，m3/s;Wi、Wi參分別為推求站、參證站各時段（i為時段編號）洪量設計值，億m3;n、m分別為洪峰流量、時段洪量的面積指數(shù)，n取0.67，m取0.9。

2.5 張峰水庫調(diào)度運用方式

張峰水庫是一座集供水、防洪、發(fā)電等于一體的水利樞紐，設計標準為100 a一遇（洪峰流量3 920 m3/s），校核標準為2 000 a一遇（洪峰7 476 m3/s）。水庫總庫容3.92億m3，調(diào)洪庫容0.73億m3，防洪庫容0.36億m3。防洪限制水位756.50 m，防洪高水位759.78 m，設計洪水位760.80 m。

對于校核標準以內(nèi)的洪水，張峰水庫按3級進行防洪調(diào)度：當入庫洪水不超過20 a一遇且水庫水位不超過防洪高水位時，為保護下游村鎮(zhèn)和灘地，水庫下泄流量不超過800 m3/s;當入庫洪水超過20 a一遇且洪水位超過防洪高水位時，泄洪洞全部開啟;當入庫洪水超過100 a一遇且洪水位超過設計洪水位時，溢洪道閘門全部開啟。以上任何一種情況下，最大下泄流量不得超過入庫洪峰流量。

3 結果與討論

3.1 分期結果

3.1.1 數(shù)理統(tǒng)計法分期

為保持五龍口水文站實測水文資料序列的一致性，對其2008年以后的水文資料進行了一致性還原計算，還原后的徑流序列豐、枯水期徑流占比和年內(nèi)分配與2008年以前天然序列較為一致。本次五龍口站汛期分期以時段洪量分析為主，分別統(tǒng)計不同量級時段洪量在汛期各旬出現(xiàn)的頻次（見表3）。各旬多年平均最大3 d、5 d洪量見圖1，歷年各旬最大3 d、5 d洪量發(fā)生時間分布見圖2和圖3。

由表3可見，1953—2015年間，五龍口站1 d洪量大于0.5億m3的洪水共有43次，其中發(fā)生在7月下旬、8月上旬、8月中旬的分別有5次、20次和7次，三旬合計占74%;3 d洪量大于2億m3的洪水共有7次，其中發(fā)生在7月下旬、8月上旬、8月中旬的分別有0次、4次和2次，三旬合計占86%;5 d洪量大于2.5億m3的洪水共有9次，其中發(fā)生在7月下旬、8月上旬、8月中旬的分別有1次、4次和2次，三旬合計占78%。表明五龍口站大量級洪水主要發(fā)生在7月下旬至8月中旬。

由圖1可見，五龍口站7月下旬、8月上旬和8月中旬的多年平均最大3 d、5 d洪量數(shù)值較接近，明顯大于之前2個旬（7月上旬—中旬）、之后7個旬（8月下旬—10月下旬）的相應數(shù)值。從圖2和圖3可見，7月下旬、8月上旬和中旬是大洪水出現(xiàn)概率最大的3個旬，7月中旬洪量最大值與7月下旬、8月上旬和中旬洪量最大值的差距，比8月下旬洪量最大值與7月下旬、8月上旬和中旬洪量最大值的差距更大，即7月中旬洪量最大值小于8月下旬洪量最大值。

考慮到為實現(xiàn)不同分期之間庫水位的銜接和轉化，各分期不宜過短。綜合各種角度的數(shù)理統(tǒng)計分析，將五龍口站整個汛期（7月1日—10月31日）分為3個期，以7月20日作為前汛期的分期點， 8月20日作為后汛期的分期點。

3.1.2 最優(yōu)分割法分期

以汛期（7—10月）作為分期研究論域，以旬為單位，將整個論域劃分為12個旬。根據(jù)五龍口站1953—2015年日流量資料，選各旬多年平均最大1 d洪量、3 d洪量、5 d洪量作為反映汛期暴雨洪水變化特征的因子。經(jīng)過樣本數(shù)據(jù)標準化處理、分段直徑計算、分類損失函數(shù)計算、求最優(yōu)解等步驟，確定最優(yōu)分段數(shù)為3，兩個分割點分別為7月20日和8月31日。

3.1.3 氣象成因分析法分期

沁河流域降水的季節(jié)變化與南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓脊線的位置變化有關。7月下旬—8月中旬，南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓達到全年最北位置，沁河流域暴雨、洪水盛期有這樣的氣候背景;8月下旬起，南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓開始南退，其位置的變率較盛夏明顯減小，顯示出季節(jié)轉換的特征。由此可見，7月下旬—8月中旬是沁河流域的主汛期。

綜合以上3種方法的分期結果，將河口村水庫汛期洪水分為三期：7月1日—7月20日為前汛期，7月21日—8月20日為主汛期，8月21日—10月31日為后汛期。鑒于鄰近地區(qū)暴雨洪水的季節(jié)變化特征具有相似性，對比了同屬黃河小花區(qū)間的另一大支流伊洛河上的陸渾、故縣兩座大型水庫，其汛期洪水分期點的論證結果也為8月20日，并以8月21日到8月31日作為過渡期，這間接驗證了本文對河口村水庫汛期洪水分期的合理性。

3.2 分期設計洪水

沁河上游張峰水庫已蓄水運用，因此河口村水庫的壩址洪水是由張峰水庫出庫流量和張五區(qū)間流量組成的。首先通過對張峰水庫進行模擬調(diào)度，計算出張峰水庫的出庫流量過程，然后與張五區(qū)間的相應或設計過程疊加，即為受張峰水庫影響后的河口村壩址設計洪水。

受張峰水庫調(diào)節(jié)影響后，河口村水庫各頻率的壩址設計洪峰流量、洪量值見表4（限于篇幅，僅列出洪峰流量、最大1 d洪量、最大5 d洪量），水庫壩址分期設計洪水過程見圖4～圖6（時段長為1 h）。

計算結果表明，張峰水庫通過對入庫洪水的滯蓄，使出庫洪水過程變平緩，洪水歷時延長，洪峰流量減小，使得張峰水庫影響量呈現(xiàn)負值，對于河口村壩址設計洪水的洪峰和洪量有不同程度的削減作用。由于前、后汛期的洪峰洪量值相較于主汛期而言更小，因此對于重現(xiàn)期長的大洪水來說，張峰水庫的削減作用更為顯著。其中：對于2 000 a一遇的洪水，前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減20.6%、1.2%、16.0%;500 a一遇的洪水，前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減12.1%、0.5%、15.4%;100 a一遇的洪水前汛期、主汛期、后汛期的洪峰分別削減0.9%、22.0%、5.4%;50 a一遇的洪水僅對主汛期的洪峰削減32.3%。洪量方面，僅對1 d、3 d洪量產(chǎn)生影響，而對5 d、12 d洪量幾乎無影響。

4 結論

本文對受上游張峰水庫影響的河口村水庫汛期分期設計洪水進行了研究，主要結論如下。

（1）河口村水庫汛期洪水可分為三期，分期點為7月20日和8月20日。

（2）張峰水庫對下游河口村水庫壩址設計洪水有一定的削減作用，特別是對洪峰流量和5 d以內(nèi)的洪量，這對河口村水庫防洪有利。

（3）河口村水庫壩址主汛期設計洪水明顯大于前汛期和后汛期，后汛期設計洪水稍大于前汛期。50 a、100 a、500 a和2 000 a重現(xiàn)期下，主汛期洪峰流量是其他兩個分期的1.8～3.8倍，1 a、3 a和5 a洪量是其他兩個分期的1.5～3.0倍。因此，對河口村水庫進行汛期分期洪水動態(tài)控制是合理的和必要的，將有助于發(fā)揮水庫的綜合效益。

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