秀水河流域设计洪水分析

曲凤垚

（华北水利水电大学水利学院，河南 郑州450045）

秀水河是辽河中下游右侧的一条支流，从上游到下游是从低山丘陵区逐渐过渡到平原地区。本流域既不属于东部山区，也不属于西部干旱区，根据工程设计的需要，对秀水河上下游的设计洪水进行了分析计算，在分析计算的过程中，发现了一些问题，本文就发现的问题进行一些分析和探讨。

1 流域基本概况

秀水河发源于内蒙古科尔沁左翼后旗的四河乡，流经辽宁省四个县区，于新民县关家窝堡村附近注入辽河。秀水河全河流域面积1994．2km2，秀水河干流下游有彭家堡水文站，本站从1951年开始有流量观测资料，观测到1995年，1996年开始水文站下移，改为公主屯水文站，有观测资料到2010年。这样彭家堡水文站有1951—2010年实测水位、流量等观测资料［1］。

流域内有中型水库5座，分别为秀水河干流上游的花鼓窝堡水库、獾子洞河支流尖山子河上的尖山子水库、獾子洞河干流的獾子洞水库以及獾子洞水库上游的两个支流上的拉马章水库、三合成水库。秀水河流域内还有小型水库多座。秀水河流域地势起伏不平，整个地形呈现北高南低。秀水河流域特性见表1。秀水河流域水系、工程和水文测站分布如图1。

表1 秀水河流域特性表

2 设计洪水推求

2．1 流域上下游设计洪水成果

2．1．1 暴雨洪水特性

流域暴雨期比较集中，大部分在7、8月份发生暴雨，暴雨持续时间一般不到24h。流域洪水主要由暴雨产生，一次洪水的历时，大约在24h左右，属于陡涨陡落的山区性河流，峰型多是单峰型式，双峰或多峰的型式也时有发生。连续两次洪水的历时，一般为3～5d。流域上游山区洪水陡涨陡落，下游洪水经过平原河道的调蓄，洪峰变缓。

图1 秀水河流域水系工程和水文测站分布图

2．1．2 秀水河上游各中型水库原设计洪水

秀水河中上游花鼓窝堡水库、尖山子水库、獾子洞水库、三合成水库4座中型水库在2008年进行除险加固，各水库的设计入库洪水都采用《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》（简称图表法）计算，图表法计算的设计洪水成果一般都偏大，见表2。经水库洪水调节计算，除险加固阶段水库各频率最大泄流量成果见表3，4座水库中只有花鼓窝堡水库的削峰作用最小，以50a标准为例，獾子洞与尖山子水库合起来最大泄量163m3／s，而花鼓水库的泄量就达到317m3／s［2］。

2．1．3 秀水河彭家堡水文站本次计算的设计洪水

（1）彭家堡水文站建库后系列的设计洪水

秀水河最大洪水发生在1951年、1953年、1954年，与辽河干流大洪水年份基本一致，近几年较大的洪水年份为1991年、1998年和2010年。秀水河上先后修建了多座中型水库，1951—2010年洪峰系列有修建水库前的，也有修建水库后的，是一个混合系列，不具备资料系列的一致性［2－5］。

表2 秀水河上各中型水库原设计洪水成果表

表3 秀水河上各中型水库洪水调节最大泄量成果表 m3·s－1

秀水河上游的各中型水库基本都建成于1959年之前，考虑到资料的一致性，选用水库修建以后1959—2010年的实测洪峰系列进行设计洪水频率分析计算。由于1959年以后的系列中排在前三位的1951年、1953年与1954年洪水均被排除在外，即使换算成经过水库调节后的洪峰值，仍排在系列的前3位。因此，计算出的设计洪水成果偏小。

为了避免这一问题，本次在连续系列频率分析计算时，1959—2010年系列中最大洪水是1991年，排在连续系列中的第一位，其前空3位，其重现期采用55a的第4位，后面年份洪峰依次类推。在绘线时，参考3a较大的洪水，频率线在其下部通过。

彭家堡水文站设计洪峰，按绘线读点补矩法进行频率计算，线型为皮尔逊Ⅲ型，CS采用2．5CV，CV值经综合平衡后确定，适线较好。彭家堡水文站计算成果见表4。

表4 彭家堡水文站实测设计洪峰流量成果表 m3·s－1

（2）彭家堡水文站混合系列的设计洪水

为了分析秀水河彭家堡水文站建库后系列计算的设计洪水成果的合理性，对彭家堡水文站混合系列进行设计洪峰频率计算作为参考。从水文学原理上说，不能计算混合系列的设计洪峰流量，由于混合系列包含建库前年份的天然洪峰，也包含建库后经水库调节彭家堡位置的实测组合洪峰，比单一的建库后的实测组合洪峰系列计算的设计洪峰肯定是偏大的，因此，对混合系列的设计洪峰流量进行频率计算。采用1951—2010年资料，按连续系列矩法补矩进行频率计算，得出彭家堡水文站混合系列洪峰计算成果见表4。

（3）彭家堡水文站还原系列的设计洪水

为了分析彭家堡水文站混合系列成果的合理性，对彭家堡站1951—2010年还原系列进行了分析计算，对建库后各年最大洪峰值（1959—2010年）进行了还原计算，得到没修建水库条件下的系列，根据此系列，按连续计算设计洪水，其计算成果见表4。

表5中1号为基准样，2号、3号、4号、5号分别为高岭土替代率为10%，20%，30%，40%的低碳混凝土试样.

从表4可以看出，三个系列计算的成果相互关系合理，计算成果均值还原系列洪峰最大，混合系列次之，建库后系列成果最小；CV值混合系列最大，建库后系列最小。因此，建库后52a系列的设计洪峰成果是相对合理的，彭家堡水文站的设计洪水可以采用建库后的资料系列计算的成果，见表4。

2．2 设计洪水成果比较及4座水库设计洪水的重新计算采用

对比秀水河上下游设计洪水成果，上游各水库除险加固阶段（采用图表法）的设计洪水成果，以花鼓窝堡水库为例，与下游彭家堡站相比，50a一遇花鼓窝堡水库的洪峰流量是897m3／s，洪峰模数达到3．49m3／s／km2，大于彭家堡站的洪峰流量799m3／s，洪峰模数0．52m3／s／km2，同一个流域上下游相差悬殊。

从经验上看，图表法计算的设计洪水成果一般系统偏大，为了使设计洪水成更加合理，不出现上游（花鼓窝堡）洪峰大于下游站（彭家堡）的情况，本次对上游各水库的设计洪水重新计算。

拉马章河位于秀水河左侧，与秀水河紧邻，同为辽河右侧支流，拉马章河上游建有尚屯中型水库。拉马章河尚屯水库控制面积249．9km2，其所处的位置、流域自然概况、产汇流概况与秀水河上的五座中型水库比较接近。尚屯水库有长系列的水文资料，所以重点分析尚屯水库的设计洪水成果，本次秀水河上游各水库设计洪峰、洪量用尚屯水库推求。

以花鼓水库为代表，用尚屯水库设计洪水成果推求的结果见表5。花鼓水库洪水调节最大泄洪量见表5。

本次上游各水库设计洪峰、洪量采用尚屯水库的设计洪水成果推求。

表5 花鼓水库洪水成果以及洪水调节成果表

2．3 秀水河各控制断面设计洪峰的分析采用

秀水河断面控制流量变化较大的控制点，上游从花鼓窝堡－康法县界－獾子洞河汇入口－新开河下断面彭家堡水文站，见图1。中间各控制断面的设计洪峰，从原理上分析是花鼓窝堡水库放流加上区间的洪水过程的最大值。在计算中进行了这样的简化计算，上游用水库最大放流控制，下游用彭家堡水文站设计洪峰控制，中间各控制地点洪峰按上下游洪峰值内插求得。内插的方法是按照小区间面积占上下游大区间面积的比例分配上下游流量的差值。秀水河从上游到下游各控制断面的洪峰流量成果见表6。

表6 秀水河各控制断面组合洪峰成果表 m3·s－1

3 成果合理性分析

尚屯水库本次计算设计洪量包括1d、3d、5d的设计洪量，各时段洪量均值、设计值与历时的关系，长时段洪量大于短时段洪量，曲线圆滑无突变、趋势合理，见图2。各时段洪量Cv与历时的关系，长时段洪量Cv小于短时段洪量Cv，见图3。将尚屯水库各时段洪量频率曲线点绘在同一坐标图上，见图4，曲线走向一致、且没有交叉现象，并保持了合理的差距。点绘了同一流域以频率2%为代表的集水面积与设计洪峰双对数关系图，设计洪峰随着面积增大而增大，且在双对数曲线上基本呈线性关系，见图5。故可以认为本次设计洪水计算成果基本合理。

图2 尚屯水库站洪量－历时（日）关系图

图3 尚屯水库站各时段设计洪量Cv－历时（日）关系图

图4 尚屯水库各时段洪量频率曲线图

4 问题及解决方法

（1）秀水河流域属于辽河中下游右侧支流，上游到下游从低山丘陵区、逐渐过渡到平原地区，上游没有水文站，按照常规方法（图表法）计算，很容易导致上游设计洪水成果偏大。与下游用实测资料系列计算的设计洪水成果矛盾，为了使上下游的洪水成果一致，修改了上游洪水，采用邻近站的实测资料成果进行合理推求，达到了流域内的成果趋向于合理。

图5 秀水河各站2%洪峰－面积双对数关系图

（2）在彭家堡站的洪水频率分析中，系列年限达到了60a，在系列中包含上游水库建成前与建成后的数据，数据的基础条件不同，对4座中型水库进行数据还原计算，由于中型水库的观测条件和资料精度有限，水库洪量还原不准确，同时建库前的大水年暴雨洪水资料很宝贵，于是计算了3个系列的设计洪水，互相验证，互为分析，得到了工程需要采用的成果。

（3）上游有水库，下游有控制站，区间洪水的简易求法为中间各控制断面的设计洪峰，从原理上分析是上游水库放流加上下游区间的洪水过程的最大值。简化计算为上游用水库最大放流控制，下游用彭家堡水文站设计洪峰控制，中间各控制地点洪峰按上下游洪峰值根据区间面积内插求得。

5 思考与结论

流域设计洪水分析计算中常遇到的问题是计算的设计洪水成果与上下游及邻近流域成果不一致、发生矛盾，应找到成果矛盾的水文成因，并采用多种方法分析计算互相验证，在水文分析计算时，对于具体情况，应灵活分析，对资料进行合理性的分析和甄别，对已有的资料尽量合理利用，尽量达到流域成果的平衡，从中找到最合理的解决方案。

［1］辽宁省水利厅．辽宁省水利普查成果［M］．北京：中国水利水电出版，2014．

［2］詹道江，徐向阳，陈元芳．工程水文学［M］．北京：中国水利水电出版社，1987．

［3］叶守泽．水文水利计算［M］．武汉：武汉大学出版社出版，2013．

［4］金光炎．水文统计原理与方法［M］．北京：中国工业出版社，1959．

［5］中华人民共和国水利部．SL 44－2006水利水电工程设计洪水计算规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2006．