考虑上游水库影响的杜河水电站设计洪水分析

杨菊香

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

杜河水电站位于晋城市郊区和阳城县交界处的沁河干流上，坝址以上河长329km。电站为径流引水式电站，总装机12 800 kW，枢纽大坝为浆砌石重力坝，最大坝高36 m，控制流域面积8 797 km2，水库总库容0.28亿m3，水库设计防洪标准为50年一遇，校核防洪标准为500年一遇。[1]

张峰水库位于沁水县张峰村西北的沁河干流上，坝址以上干流长度为224km，控制流域面积4990km2，水库总库容3.94亿m3。水库设计防洪标准为100年一遇，校核防洪标准为2 000年一遇。水库下游滩地和村镇防洪标准为20年一遇，允许安全泄量为800 m3/s。

杜河水电站枢纽大坝工程于2001年7月全部竣工，位于杜河电站上游约105 km的张峰水库建成于2012年并蓄水运用，将直接影响杜河水电站的设计洪水，为此杜河水电站设计洪水需要考虑上游张峰水库的影响后进行重新复核计算。

2 雨洪特性分析

沁河流域暴雨一般以局部暴雨为主，持续时间不长，大面积、长历时的暴雨发生次数不多。暴雨持续时间一般小于24 h，超过3天的比较罕见。据实测资料统计，1日雨量占3日雨量的60%左右，24 h雨量约占3日雨量的75%左右。

沁河流域洪水多由暴雨形成，主要集中在6～9月，最大洪峰多发生在7月、8月，而最大3日洪量多发生在8月份。洪峰出现时间最早为7月上旬，最迟到9月下旬。沁河洪水的年际变化较大，据润城站实测洪水资料统计分析，实测洪峰流量最大为2 716 m3/s（1982年），最小为8.01m3/s（1997年），相差339倍，3日洪量最大为2.13亿m3（1971年），最小为0.018 8亿m3（1997年），相差113倍。

3 杜河水电站天然设计洪水

本次洪水分析计算涉及到沁河干流上的张峰、润城、五龙口3个水文测站。张峰、润城水文站天然洪水采用张峰水库工程审定成果。五龙口水文站根据1950～2001年共52年洪水系列，并加入历史洪水后进行频率分析，采用P-Ⅲ型分布曲线适线，推求出不同频率的设计洪水计算成果。张峰～五龙口区间流域面积4 255 km2，区间设计洪水根据面积指数法推算，利用沁河流域张峰、润城、五龙口水文站设计洪水资料，在双对数纸上点绘洪峰、洪量与集水面积的关系，综合分析确定该地区的洪水面积指数，并参照以往研究成果中该地区面积指数的分析，洪峰面积指数采用0.65，洪量面积指数采用0.9[2]。 计算公式为：

式中：Q设——设计断面洪峰流量或洪水总量，m3/s或亿m3；

F设——设计断面控制流域面积，km2；

F参——参证站控制流域面积，km2；

Q参——参证站洪峰流量或洪水总量，m3/s或亿m3；

n——面积指数。

杜河水电站控制流域面积8 797 km2，五龙口水文站控制流域面积9 245 km2，两者流域面积相差在5%以内，且区间无较大支流汇入，因此杜河水电站天然洪水直接采用五龙口天然洪水成果[3]。由表1可见，500年一遇校核标准洪峰流量为8 269 m3/s，50年一遇设计标准洪峰流量为4 593 m3/s。各控制站天然设计洪水成果见表1。

4 考虑张峰水库影响的设计洪水

杜河水电站设计洪水会受到上游张峰水库的调洪影响，采用同频率洪水组成法进行洪水地区组成分析。不同组合方式的张峰水库入库洪水经过水库调洪下泄，下泄洪水过程与区间洪水过程叠加，计算得到杜河水电站的入库设计洪水。按照对工程不利原则，选择洪峰较大的洪水组合方式作为杜河水电站设计洪水。

表1 天然设计洪水成果表

4.1 张峰水库洪水调度方式

张峰水库的防洪调度按三级运行：入库洪水不超过20年一遇洪水且水库水位已达到防洪限制水位时，为保护下游村镇和滩地，水库下泄量不超过800 m3/s，由导流泄洪洞下泄；当入库洪水超过20年一遇洪水且洪水位超过防洪高水位时，泄洪洞全部开启，并开启两孔溢洪道闸门；当入库洪水超过100年一遇洪水且洪水位超过设计洪水位时，溢洪道闸门全部开启。以上任何一种情况下，最大泄流量不得超过入库洪峰流量。

4.2 同频率洪水组成法

杜河水电站上游为张峰水库，根据同频率洪水组成法，采用以下两种组合方式：（1）水库同频，区间相应，即杜河水电站与张峰水库发生同频率洪水时，张峰水库～杜河区间相应，（2）区间同频，水库相应，即杜河水电站与张峰水库～杜河区间发生同频率洪水时，张峰水库相应。根据水量平衡原则，相应洪水洪量为杜河水电站设计频率洪量与同频率洪量相减而得，相应洪水洪峰取为与相应洪量同样频率时的洪峰。[4]计算公式为：

式中：W相应——张峰水库～杜河区间相应洪水洪量或张峰水库相应洪水洪量，亿m3；

W杜设——杜河水电站设计频率洪量，亿m3；

W同频——张峰水库同频率洪量或张峰水库～杜河区间同频率洪量，亿m3。

杜河水电站设计洪水即是根据以上两种组合方式，分别将张峰水库下泄洪水过程与区间洪水过程叠加，取两种组合方式中的较大者作为杜河水电站的入库设计洪水过程。洪水地区组成成果见表2。

表2 洪水地区组成成果

4.3 设计洪水过程线

根据峰高量大、峰型集中、主峰偏后的原则[5]，从张峰站实测资料中，经分析比较选取1993年8月5日0:00～8月8日0:00洪水作为张峰水库典型洪水。经过对张峰站、五龙口站实测资料的分析，1962、1971、1982、1992、1996年洪水主体均在区间形成，采用五龙口站实测洪水过程与张峰站实测洪水过程错12 h相减后，得到区间洪水过程，最终选得1996年8月3日20:00～8月6日20:00区间洪水过程作为区间典型洪水。

采用峰量同频率分段控制的方法分别放大张峰水库设计洪水过程线及区间设计洪水过程线。

4.4 设计洪水成果

张峰水库不同组合方式的入库洪水经过水库调洪下泄，下泄洪水过程与张峰-杜河区间洪水过程错12 h叠加，计算得到杜河水电站的入库设计洪水。按照对工程不利原则，选择洪峰较大的洪水组合方式作为设计洪水，经计算采用区间同频，水库相应的洪水组合方式计算结果，即考虑上游水库影响的杜河水电站设计洪水为：500年一遇校核标准洪峰流量7 692 m3/s，50年一遇设计标准洪峰流量3 709 m3/s。设计洪水计算成果见表3。不同频率的洪水过程线分别见图1、图2。

表3 设计洪水成果

4.5 成果合理性分析

根据上述计算，考虑上游水库影响和不考虑上游水库影响两种方法计算得到的杜河水电站设计洪峰成果对比见表4。

图1 P=0.2%洪水过程线

图2 P=2%洪水过程线

表4 上游水库调蓄影响前后杜河水电站设计洪峰计算成果对比表

从以上两种不同计算方法所得的成果看，张峰水库对杜河水电站设计洪峰有一定的削减作用，500年一遇洪水时，两种工况对设计洪峰的削减分别为7.0%和10.1%，50年一遇洪水时，两种工况对设计洪峰的削减分别为19.2%和21.4%，削减作用很为明显。分析其原因为：上游水库对下游工程洪水的削减作用与上游水库的洪水调度方式及防洪标准有很大关系。50年一遇洪水时，由于上游水库调蓄作用大，且对洪水限泄，从而对下游工程洪水削减作用明显，可以达到20%左右；500年一遇洪水时，已超过上游水库设计洪水标准，上游水库敞泄，对下游工程洪水削减作用减弱，为7%左右。

5 结论

受上游张峰水库调蓄影响后的杜河水电站设计洪水与天然设计洪水相比，设计洪峰有一定减小，峰现时间有所延后，说明张峰水库的削峰调洪作用是比较明显的，因此在设计洪水分析计算中必须要考虑其调蓄作用对下游洪水的影响，由此杜河水电站设计洪水为：500年一遇校核标准洪峰流量7 692 m3/s，50年一遇设计标准洪峰流量3 709 m3/s。

［1］侯建强，孛永平.杜河水电站冲沙闸混凝土质量缺陷剖析［J］.山西水利，2003（3）:48.

［2］宋伟华，李保国等.张峰水库对河口村水库入库设计洪水的影响［J］.人民黄河，2011，33（12）:9-11.

［3］长江流域规划办公室水文处.水利工程实用水文水利计算［M］.北京:水利出版社，1980：32-33.

［4］水利部水利水电规划设计总院.水工设计手册（第2版）［M］.北京:中国水利水电出版社，2014：256-257.

［5］水利部长江水利委员会水文局，水利部南京水文水资源研究所.水利水电工程设计洪水计算手册［M］.北京:水利电力出版社，1995：101-102.