河南省甘江河燕山水库建设前后洪水特性分析

薛小磊，杨乐飞，熊 伟

（1.河南省平顶山水文水资源勘测局，河南 平顶山 467000；2.河南省安阳水文水资源勘测局，河南 安阳455000；3.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156）

0 引言

燕山水库坝址位于叶县保安镇杨湾村老官寨水文站下游1.6 km 处， 控制流域面积为1169 km2。官寨水文站始建于1954 年，控制断面以上的流域面积1 124km2，河长59km。1994 年该站下迁6km 至叶县辛店乡新杨庄村。 2006 年10 月20 日，甘江河燕山水利枢纽工程截流，于2008 年6 月20 日通过验收，水库正式下闸蓄水。 之后官寨站水文站迁至燕山水库。 燕山水库上游地区是河南省4 大暴雨中心之一，流域地形为山区丘陵，地势陡峻，落差100 多米，流域形状呈扇形，呈西南→东北走向，河道短，汇流速度快， 流域植被较差。 多年平均降水量为862.4 mm，多年平均径流量为3.64 亿m3，多年平均径流系数为0.36，66.7%的雨量集中在汛期，坝址处多年平均径流量为11.5 m3/s。

燕山水库拦河坝按500 年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核，水库兴利水位为106m，死水位为95m，总库容为9.26 亿m3。 其中兴利水位对应的库容为2.2 亿m3，死库容为0.2 亿m3。 燕山水库库区全赔高程和移民高程分别为107m 和109.61m，是一座以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电等综合利用的大(II)型水库。

1 燕山水库年径流变化

燕山水库的流量资料序列为1954-2010 年（2008 年，由于水文站受水库蓄水影响，下游水文站的水位无代表意义，洪水水文要素摘录没刊印），2009-2010 年的流量资料用水量平衡的方法测算， 即根据水库下泄流量及水库蓄水量的变化，反推入库洪水。 不过水量平衡法由于是按时段进行反推入库洪水，求得相邻时段之间的入库平均值的，这样会造成入库洪水峰值偏小，只能近似反映出洪水过程。并且选取计算时段的不同，会引起入库洪水有不同的变形[1]。

建库前，燕山水库多年平均径流量为11.5 m3/s，建库前径流资料资料序列长，而建库后水库距离老官寨水文站很近， 虽然资料的一致性可以满足，但是径流资料序列短，建库后代表性较差，故而无法对建库前后资料做详细比较。 影响年径流量的因素有天气系统及下垫面两方面。 在一般情况下，修建水库形成了大面积蓄水，在阳光辐射下，蒸发量增加。 夏季气层稳定,大气对流减弱,降水量减少，冬季大气对流作用增强；降雨量增加，库区和邻近地区的降雨量有所减少, 而一定距离的外围区降雨则有所增加， 整个水库流域范围内平均降水量变化不大。 燕山地区建库后多年平均降水量还有待资料系列的延长才能完善，以后随着资料序列的延长会做较准确的比较。

2 燕山水库洪水特性变化

2.1 该流域暴雨洪水特性

该流域的洪水均属于暴雨洪水。 作为河南省的4 大暴雨中心之一，该暴雨区不但范围大，持续时间长，而且强度大，出现频率也比较高。 通常降雨时间为1 天左右，而强降雨多集中在几个小时或者十几个小时以内。 产流方式以蓄满产流为主，也会出现部分超渗产流的地面径流，形成尖瘦、陡涨陡落、来势迅猛的山洪。 1975 年8 月，官寨站3 天内出现3次洪峰，其中最大的洪峰流量达12 100 m3/s，洪水总量为11.06 亿m3，峰顶持续时间达3.6h。 在通常情况下，由一场暴雨所形成的一次洪水过程涨水历时很短，从起涨到出现洪峰只需要几个小时，峰顶持续时间更短，呈现尖瘦型洪峰，而落水时间较长，一般可持续2～3 天。 在一次洪水过程中，主要洪量经常集中在1 天左右，可以占到一次洪水的80%。

影响本流域洪水特性的因素主要有该区特殊的地理位置及河网调蓄能力，以及本地区的暴雨特性。 本流域形状为扇形，各支流洪水较集中地汇入干流，流量过程线往往较陡峻。 而暴雨特性取决于形成暴雨的天气系统和下垫面情况。 甘江河流域位于北半球中纬度地带，是亚热带向暖温带的过渡地带，为大陆性季风气候区。 由于处于北半球中纬度的高空西风带，冷暖气团交汇频繁，夏季受大陆低压控制，太平洋副热带高压北上，印度洋孟加拉湾低涡自西南汇入， 常形成局部性或大面积的暴雨。本流域形成暴雨的天气系统主要有：低压槽、西南低涡、切变线、台风雨等[2]。 查看河南省历年暴雨图，燕山水库上游地区出现暴雨的几率高，并且强度大，官寨站年最大24 小时降水量多年均值为125.4mm，上游的郭林雨量站最大24 小时暴雨量高达1 050.0mm。燕山水库上游报汛站历年年最大降水量见表1。

表1 甘江河燕山水库上游报汛站历年年最大降水量Table 1 Yearly max rainfall of Yanshan reservoir upstream flood information station of Ganjiang River

2.2 燕山水库建库前后洪水变化

通常水库建成蓄水后，由于水库淹没范围内的河槽的调蓄作用、洪水波传播等特性及下垫面因素发生变化，会使建库后的实际入库洪水与建库前的坝址洪水不同。 水库建成后，洪水是从水库周边汇入水库的，而不只是坝址断面的洪水，这些从水库周边汇入水库（包括入库断面）的洪水称为入库洪水。 入库洪水包括入库断面洪水和入库区间洪水。入库断面洪水是水库回水末端干支流河道的洪水，入库区间洪水又可分为陆面洪水和库面洪水。 陆面洪水是入库断面以下至水库周边以上的区间陆面所产生的洪水，库面洪水即为库面降雨直接转为径流所产生的洪水[3]。 由于建库后汇流的最长路径是从分水岭到水库周边，流域汇流时间较建库前缩短。

为保证雨量和洪水资料的一致性和代表性，选取5 个资料序列长的报汛站，用加权平均法计算面雨量，用1994 年前老官寨的洪水与建库后相比较（坝址在老水文站下游1.6km），得出洪峰滞时变化情况，如表2 所示。

表2 建设燕山水库前后洪峰滞时变化情况Table 2 Stagnation time changes before and after building Yanshan reservoir

在1994 年老官寨站下迁之前， 找到9 场峰形为单峰的较大洪水过程，在建库后找出2 场单峰大洪水。 在面雨量计算表中查看造峰降雨结束时间，接着从洪水要素摘录表和反推入库过程中查出峰现时间，经过对燕山水库建库前后11 场洪水进行对比分析，在同样的降雨分布情况下建库后的洪峰滞时相对建库前提前了2～3 小时。

由于建库后库区范围内的天然河道已被淹没，致使原有的河槽调蓄已包含在水库容积内，库区产汇流条件也发生了明显的改变。 建库前流域内的洪水向坝址出口端面的汇流变化为建库后洪水沿水库周边向水库汇入，造成建库后入库洪水较坝址洪水的洪峰流量变大。 由于库面降水集中于涨水段，涨水时段的洪量增大，不过随着统计时段的延长，入库洪量与坝址洪量的差别变小[4]。 相比而言，峡谷形水库入库洪水和坝址洪水的区别较小，与湖泊形水库相比，两者差别可达20%以上[3]。 燕山水库按照公式Q入库=1.1Q坝址， 还原为建库前坝址处洪水，使样本系列符合同一总体分布规律。 对洪峰序列进行频率计算后，建库后2009 年属于偏枯年份，2010 年属于丰水年份。

3 设计洪水变化及洪水预报的影响

3.1 设计洪水变化的影响

设计洪水的内容一般包括设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量和设计洪水过程线三项[3]。 按《水利水电工程设计洪水规范》的规定，水利水电工程一般采用坝址设计洪水。 但是，对具有水库的工程，当建库后产汇流条件有明显改变、采用坝址设计洪水对调洪影响较大时，应以入库设计洪水作为设计依据。 由于建库后年最大流量序列较短，且2009 年没有洪水，2010 年最大洪峰流量为2 641m3/s，属于中水年，无特大洪水，对于通过流量资料推求设计洪水的峰值影响微乎其微，故暂不用对设计洪水做出调整。

3.2 洪水预报的影响

在水文预报中，通常利用单位线来推求洪水汇流过程线。 单位线，即在给定的流域下，单位时段内均匀分布的1 单位净雨量的直接径流产流量所形成的流域出口断面流量过程线[5]。 由于建库后汇流时间缩短、峰现时间提前，洪峰增高，峰形更尖瘦，所以有必要对预报洪水中所使用的单位线进行一定调整，使之符合建库后洪水过程。 燕山水库流域单位线为2h 单位线， 为满足次洪水水量平衡对落水时段也做一定的修改， 把洪峰滞时提前1 个时段，增大峰值。

4 结语

燕山水库建成后，由于水库淹没范围内河槽和的调蓄作用，洪水波传播等特性及下垫面因素发生变化，使流域内的洪水特性发生变化：在同样的降雨分布情况下，建库后流域汇流时间缩短，洪峰滞时比建库前提前了2-3 小时；建库后入库洪水较坝址洪水的洪峰流量增大。 为了保证建库后预报的准确性，需要对流域单位线进行修改：在单位线所包围面积不变的情况下，洪峰滞时提前1 个时段，增大洪峰流量，使之符合建库后洪水的特性。

由于建库后时间序列偏短，未能对年降水量、年蒸发量、年径流量等方面做出更详细的对比。 今后，将随着建库时间的延长，延长样本资料年限，增加资料点据，从降水、蒸发、径流等方面进行分析，找出其建库后的变化规律，以期更好地为防汛服务。

[1] 河南省水文总站. 建库前后洪水规律分析[R].1982:5-22.

[2] 河南省防汛抗旱指挥办公室. 河南省防汛抗旱手册[G].2008:23.

[3] 林益冬，孙保沭，林丽蓉. 工程水文学[M]. 南京：河海大学出版社，2003:127-151.

[4] 水利部长江水利委员会. 水利水电工程设计洪水计算规范SL44-93[S]. 北京：中国水利水电出版社，1993:40.

[5] 林三益. 水文预报[M].2 版. 北京：中国水利水电出版社，2001:102-113.