扶風縣蔡劉水庫設計洪水復核計算淺析

王海強，張甲棟，賈云龍

(咸陽水文水資源勘測中心，陜西 咸陽 712000)

蔡劉水庫位于扶風縣絳帳鎮(zhèn)古水村，屬小（2）型水庫，按照水利部（2003）271 號文“關于發(fā)布《水庫大壩安全鑒定辦法》的通知，做好水庫的安全評定工作，是保障水庫大壩安全運行的基礎性工作，扶風縣蔡劉水庫庫區(qū)淤積嚴重，進口已被掩埋，目前已無法使用，放水洞出口已被崩塌掩埋等。根據(jù)《水庫大壩安全管理條例》的有關規(guī)定，對水庫大壩進行全面的鑒定，其中最重要是大壩控制流域面積洪水復核計算，因此本文通過設計洪水復核計算，為蔡劉水庫安全鑒定提供科學依據(jù)。

1 概況

蔡劉水庫修建在古水村村莊西北方向一條溝道內(nèi)，距縣城11 km，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。壩址以上控制流域面積21.266 km2，河長5.22 km，平均比降19.5‰。水庫處于平原地區(qū)，按照《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》計算產(chǎn)流方式，平原區(qū)地形地貌屬于蓄滿產(chǎn)流，產(chǎn)流較少。因此，本次復核洪水控制流域面積包含河道及兩邊河堤以外，依據(jù)地形1∶5000 地形圖比降為20‰，產(chǎn)流面積為1.35km2，河長1.97km，平均比降21.5‰。蔡劉水庫位于渭河左岸一無名溝內(nèi)，溝道內(nèi)無實測水文觀測資料，該河流洪水的形成，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。

蔡劉水庫工程于1958年10 月動工興建，1959年3 月主體工程完成并投入運用。原設計總庫容16.8 萬m3，滯洪庫容2.3 萬m3，興利庫容12.6 萬m3，死庫容為1.1 萬m3，屬Ⅴ等?。?）型工程。

2 設計洪水復核計算

2.1 復核依據(jù)

按照水利部（2003）271 號文“關于發(fā)布《水庫大壩安全鑒定辦法》的通知”精神確定復核內(nèi)容，其復核依據(jù)為：《水庫大壩安全評價導則》（SL 258-2017）；《防洪標準》（GB 50201-2014）；《水利水電工程設計洪水計算規(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準》（SL 252-2017）。

2.2 復核方法及標準

蔡劉水庫流域無實測資料和歷史調(diào)查洪水資料，對洪水復核計算采用“多種途徑，多種方法，綜合比較，合理選定”的原則，本次蔡劉水庫設計洪水，采用綜合參數(shù)法、面積比擬法、推理公式法等三種方法計算，綜合分析后確定采用成果。

經(jīng)驗公式法和推理公式法依據(jù)《陜西省中小流域暴雨洪水圖集》《寶雞市實用水文手冊》采用暴雨資料推求設計洪水和經(jīng)驗公式法進行計算，推薦的有關特小流域洪水計算的方法；水文比擬法采用較為最近，且暴雨分區(qū)相同的漆水河設有安頭水文站作為參政站，由于蔡劉水庫流域面積與參證站控制流域面積超過±20%，但是蔡劉水庫流域降水、徑流和下墊面基本相似，可作為蔡劉水庫設計洪水復核計算參考成果。按照多種方法計算、綜合分析、合理選定的原則，確定設計和校核洪水。

防洪標準復核：蔡劉水庫總庫容16.8 萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫，工程等別為Ⅴ等。主要建筑物為5 級，次要建筑物為5 級，臨時建筑物為5 級。本次對照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）復核認為，蔡劉水庫的工程等別、建筑物級別以及洪水標準均滿足規(guī)范要求，本次復核防洪標準采用設計洪水按20年一遇洪水，校核洪水按照200年一遇洪水。

2.3 洪水復核分析計算

2.3.1 綜合參數(shù)法

依據(jù)《寶雞市實用水文手冊》提供的綜合參數(shù)法計算公式：

式中：Qp為設計頻率為p 的洪峰流量，m3/s；F 為設計流域面積，1.35 km2；J 為河道平均比降，21.5‰；H6p為設計頻率的6 小時暴雨量，mm。

設計平均雨量H6P的計算。依據(jù)《寶雞市實用水文手冊》查得H6的多年平均值為44.7 mm，相應的CV＝0.55，以CS=3.5CV計算相應的設計平均雨量見表1，根據(jù)綜合參數(shù)公式計算蔡劉水庫洪水復核成果見表2。

表1 6 小時暴雨量計算成果表

表2 洪峰流量經(jīng)驗公式法設計洪水計算成果表

2.3.2 水文比擬法

蔡劉水庫所在流域內(nèi)無實測的水文及雨量資料，其相鄰的干流漆水河設有安頭水文站，該站位于永壽縣店頭鎮(zhèn)好峙河村，控制流域面積1007 km2，有1971年～2020年共50年的水文觀測資料。

（1）調(diào)查歷史洪水

關于漆水河歷史洪水，1971年以來因工作需要，陜西省水文水資源勘測局安頭水文站、陜西省洪水匯編辦公室進行過大量的調(diào)查考證工作，1982年～1984年陜西省水利廳在進行全省洪水資料整編時，對這些成果又作了進一步考證，并編輯刊印于《陜西省洪水調(diào)查資料》（1984年)之中。經(jīng)過翻閱地方水利志（洪水）資料，漆水河永壽縣段歷史上曾于1920年、1933年發(fā)生過2 場特大洪水。由于受人類活動影響，此段河道改道，調(diào)查斷面又無法作還原計算，故各次洪水均未能推流定量，僅有訪問記錄；按大小排序為1920年洪水最大，1933年洪水次之，實測最大的2014年洪水排第三。

（2）實測洪水資料分析與處理

漆水河安頭水文站設立于1971年設站，1992年斷面下遷到目前位置。是渭河左岸一級支流，控制站。漆水河發(fā)源于寶雞市麟游縣招賢鎮(zhèn)永豐村硬里溝，由溝里的山泉小溪匯聚而成，控制流域面積1007 km2。本次收集到安頭水文站1971年～2020年共50年的連續(xù)實測洪水系列，實測最大洪水為2014年8 月6 日554 m3/s。

①資料的可靠性分析

漆水河安頭站1971年～1989年洪水資料、1990年～2020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，高水采用均勻浮標或中泓浮標法測流。經(jīng)查閱幾場大水實測流量資料，洪水過程控制完整，中泓浮標個數(shù)符合規(guī)范要求，浮標系數(shù)采用合理。

該站1971年～1989年的年最大流量系列資料、1990年～2020年最高水位系列資料連續(xù)，數(shù)據(jù)準確可靠。

②資料的一致性分析

安頭水文站控制斷面以上流域，該站斷面以上流域?qū)氹u峽漆水河渡槽位于縣西南部漆水河中游龍?zhí)翜淆垘r寺南，是寶雞峽引渭工程中較大的建筑物。漆水河渡槽1969年9 月開工，1971年5 月竣工。渡槽橫跨漆水河兩岸，全長208.45 m，最大高度30 m。渡槽設計流量44 m3/s，校核流量55 m3/s，下游5 km是羊毛灣水庫，因此羊毛灣水庫不影響洪水資料，漆水河安頭站1971年～2018年年最大流量資料具有一致性。

③資料的代表性分析

a.系列豐枯變化分析

由安頭水文站年最大洪峰流量與歷時關系圖（見圖1）分析得出，在50年系列中，大洪水有2007年、2014年，一般洪水有1978年、1992年；枯水年有1972年、2016年。即安頭站50年洪水系列中包含有大、中、小水以及豐、平、枯時段的各種來水組合，實測洪水系列資料代表性較好，能滿足本次洪水頻率計算的需要。

圖1 安頭站歷年最大洪峰流量過程線

b.統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定分析

分別逐年累計計算安頭水文站年最大洪峰流量系列的累積均值、變差系數(shù)CV，并點繪其隨年際變化的過程線，見圖2。從圖2 看以看出，隨著系列值的增加，系列累積均值和變差系數(shù)CV均上趨于穩(wěn)定的，由圖2 可以看出，從1982年以后，即當系列長度超過38年時，年最大洪峰流量累積均值逐漸趨于平穩(wěn)，并不斷地向系列均值靠近，說明1980年～2020年系列的均值基本能夠代表總體的均值，系列長度可以滿足要求。從圖2可以看出，與累積均值變化趨勢相近，從2000年以后，變差系數(shù)CV趨勢穩(wěn)定。隨著系列增長，趨于穩(wěn)定，說明漆水河流域洪峰流量均值和變差系數(shù)CV值已穩(wěn)定。

圖2 安頭站均值、變差系數(shù)CV與歷時曲線圖

差積曲線和距平線分析，點繪洪峰流量差積曲線和距平曲線圖，見圖3。從圖3 中可以看出，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，漆水河資料系列從1971年～2020年己達50年，具有很好的代表性?？闯觯煌噩F(xiàn)期設計洪峰流量成果，《寶雞水文手冊》

圖3 安頭水文站最大流量差積曲線圖

（1988年）、陜西省水情分析參考資料比本次計算結果相比偏大較多；陜西省防汛手冊(2004)比本次計算結果相比偏小較多，原因是水文資料系列短，計算處的數(shù)據(jù)偏大或偏??；本次成果與陜西省《各基本站洪峰流量成果報告》的設計洪水成果都十分接近，并且資料系列長與防洪評價報告都已經(jīng)水行政主管部門組織審查通過并批準實施。本次計算資料系列延長至2020年，其成果是合理可靠的，因此以本次計算結果為采用成果。

（3）安頭站設計洪峰流量計算。

通過對1971年～2020年安頭站最大洪峰統(tǒng)計，50年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。采用P-Ⅲ型曲線分析計算得安頭水文站統(tǒng)計參數(shù)如下，其統(tǒng)計參數(shù)為Qm平均值=112 m3/s，CV=2.0，CS=2.5CV。各頻率的設計流量成果詳見表3 和設計洪水頻率曲線見圖4。

表3 安頭水文站設計洪水計算成果表

圖4 安頭最大洪水頻率曲線圖

（4）設計洪峰流量的合理性檢查

本次收集到《省水文水資源勘測中心各基本站洪峰流量成果報告》（2011）、陜西省水情分析參考資料（1977年）、《寶雞市實用水文手冊》（1988年）和陜西省防汛手冊(2004)關于安頭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。

安頭水文站各個時期不同單位計算的設計洪水成果進行匯總，與本次計算成果進行分析比較，見表4。從表中可以

表4 安頭水文站設計洪峰流量計算成果表

以安頭水文站為參證站，采用水文比擬法計算項目區(qū)設計洪峰流量。計算公式如下：

式中：Qm設、Qm參為分別為設計站和參證站洪峰流量，m3/s；F設、F參為分別為設計站和參證站集水面積，km2；n 為指數(shù)（設計與實測控制面積差小于5%時，n 取1.0；設計與實測控制面積差大于5%～7%時，n 取0.67。此處取0.67）。計算成果見表5。

表5 洪峰流量水文比擬法設計洪水計算成果表

2.3.3 推理公式法

推理公式法是由暴雨資料推求設計洪水計算方法。

（1）設計面雨量計算

根據(jù)《寶雞實用水文手冊》，設計暴雨歷時采用6 小時。從不同歷時點雨量等值線圖，可查得蔡劉水庫不同歷時的設計點雨量，由于蔡劉水庫壩址控制流域面積很小，直接以流域中心的點雨量作為面雨量，不再進行點面折減，見表6。

表6 蔡劉水庫壩址以上設計雨量表

（2）設計面降雨過程

根據(jù)《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》查蔡劉水庫所在區(qū)渭河Ⅱ北區(qū)的設計暴雨的雨型分配，計算蔡劉水庫壩址的設計面降雨過程見表7、表8。

表7 蔡劉水庫壩址P=0.5%凈雨過程計算表

表8 蔡劉水庫壩址P=5%凈雨過程計算表

由于壩址以上流域面積很小，本次設計不作流域形狀改正。

（3）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系式推求。

（4）凈雨過程

設計暴雨逐時段扣除入滲損失和時段平均潛流量，潛流百分數(shù)取15%。

（5）設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》產(chǎn)匯流分區(qū)圖蔡劉水庫流域?qū)儆谖己英虮眳^(qū)，則：

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

計算得到蔡劉水庫壩址以上流域不同頻率的匯流參數(shù)。

再根據(jù)匯流參數(shù)計算匯流歷時：τ=0.278L/（mJ1/3Qm1/3），得到Qm～τ 關系曲線如表9 和表10。

表9 Qm～τ 關系曲線（P=0.5%，m=0.40）

表10 Qm～τ 關系曲線（P=5%，m=0.43）

再由凈雨過程計算P=0.5%、P=5%的Qm～t 關系曲線，Qm～t關系曲線見表11 和表12。

表11 P=0.5%的Qm～t 關系曲線

表12 P=5%的Qm～t 關系曲線

計算公式：Qm=0.278（∑ht/t）F

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

圖5 蔡劉水庫壩址P=0.5% Qm-τ與Qm-t 關系曲線

圖6 蔡劉水庫壩址P=5% Qm～τ與Qm～t 關系曲線

根據(jù)推理公式計算洪峰流量計算結果見表13。

表13 洪峰流量推理公式法設計洪水計算成果表

3 設計洪水成果選用

將綜合參數(shù)法、水文比擬法和推理公式法對蔡劉水庫洪水復核計算成果匯總見表14。

表14 蔡劉水庫設計洪水復核成果匯總表 單位：m3/s

從表14 中可以看出：采用以上洪水復核計算方法成果差異較大，綜合參數(shù)法偏大，主要原因是考慮的水文參數(shù)較少，成果偏差較大。比擬法偏小，主要是與參證站控制流域面積相差太多，水文比擬成果精度不高。推理公式法的計算結果較為合理，考慮推理公式法是我省無資料地區(qū)設計洪水推求最常用的方法之一，并從工程的安全角度考慮，因此本次洪水復核計算采用推理公式法的計算結果。

4 結語

蔡劉水庫屬小（2）型水庫，現(xiàn)庫區(qū)淤積嚴重，對其進行安全鑒定和除險加固，本文結合《水庫大壩安全鑒定辦法》要求，分析蔡劉水庫設計洪水復核，采用渭河Ⅱ北區(qū)的設計暴雨產(chǎn)流過程，對蔡劉水庫產(chǎn)流面積計算、防洪標準分析結果，按20年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核，確定蔡劉水庫設計洪水復核。