贵州岩溶地区设计洪水计算分析——以乌都河水电站二期工程为例

张 乐，谭剑波

(1.贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550002;2.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)



贵州岩溶地区设计洪水计算分析
——以乌都河水电站二期工程为例

张 乐1，谭剑波2

(1.贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550002;2.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

针对乌都河水电站二期工程岩溶地区水文、地质条件复杂，各种岩溶形态发育齐全，产汇流条件各不相同等问题，在规划设计阶段根据流域暴雨洪水特性，结合参证站历史洪水数据，对电站坝址及厂房洪水进行了定量计算.分析结果表明：工程区统计参数P=1%的洪峰模数为15～20 m3/s·km2，计算得P=1%的洪峰模数为15.5 m3/s·km2，计算成果比较合理，符合库容小、河道型水库类型.

岩溶地区；乌都河水电站；设计洪水；洪水计算

乌都河水电站二期工程测区碳酸盐岩广泛分布，约占总面积的70%，地表及地下各种岩溶形态均较发育.地表石芽、溶沟、溶槽、岩溶洼地、槽谷、溶洞、落水洞、竖井、天窗、岩溶泉水、地下岩溶管道等各种岩溶形态发育齐全.由于岩溶地貌的复杂多样，构造节理裂隙、岩溶十分发育，对洪水的影响程度各不相同[1].为了为工程规划设计、施工建设和运营管理等提供决策依据，通过现场详细踏勘开展全面水文地质调查，对岩溶影响设计洪水相关方面的规律性进行全面分析，以获得适合流域条件和工程特性的设计洪水计算成果.

1 流域概况

乌都河系北盘江右岸一级支流，位于东经104°35′～105°00′，北纬25°38′～26°00′之间，河流发源于盘县水塘镇里山岚(海拔高程1 949 m)，于水城县花嘎乡牛滚塘注入北盘江.乌都河全流域面积1 997 km2，主河道河长106 km，流域总落差1 189 m.乌都河水电站坝址以上流域集水面积1 220 km2，主河道河长69.7 km，主河道平均比降为15.4‰.厂房以上流域集水面积1 305 km2，主河道河长75.3 km.乌都河电站坝址与厂址区间集水面积85 km2，其中地表集水面积仅4.5 km2，地下集水面积80.5 km2.

流域暴雨主要集中在汛期的6～9月，区内雨日较多，P≥0.1 mm的降水日数206.5 d，P≥50 mm的暴雨日数3.7 d，多年平均水面蒸发量1 413.7 mm(E20蒸发皿).年平均相对湿度82%，最小相对湿度5%，多年平均风速2.6 m/s，月平均最大风速3.7 m/s(3月)，实测最大风速30 m/s(1971年3月1日)，风向为W；大风(风速17 m/s以上)平均每年出现28.9次，多出现在2～4月.常年风向为E、NE风及静风，频率分别为18%、21%、23%.大风日数25.1 d，雾日数74.8 d，冰雹日数10.7 d.主要的灾害性天气有干旱、冰雹、秋季低温绵雨、倒春寒、霜冻等.

2 暴雨洪水特性

2.1 暴雨特性

乌都河电站坝址以上流域内设有盘县、普安气象站，以及羊场、鸡场坪雨量站，邻近设有老厂、亦资孔、乐民等雨量站，分析各站历年实测最大一日降水量资料，进行频率分析计算，成果(见表1).

表1 流域及邻近各站最大一日降水量统计成果表

设计流域属贵州省一般雨区，但在夏季也常有日降水量在100 mm以上的大暴雨出现，冷锋低槽和两高切变是形成这种天气的主要原因.根据流域内的降雨观测资料进行统计：盘县气象站实测最大一日降水量为148.3 mm(1965年5月31日)，普安气象站为149.4 mm(1974年10月4日)，草坪头水文站实测最大一日降水量为115.5 mm(1979年7月15日)，受地形地貌影响，暴雨量级有从南向北减小的趋势.

从各站的暴雨量级来看，暴雨的高值区出现在老厂一带，流域内的盘县、普安气象站及鸡场坪雨量站暴雨也较大，流域中心的羊场降雨量较小.从暴雨的统计成果可以看出，设计流域平均最大一日降水量均值在85 mm左右.

乌都河流域一般5月份进入汛期，10月份结束，年最大一日降水量主要发生在6～8月份，占53.8%～76%.

2.2 洪水特性

乌都河流域属典型山区雨源型河流，洪水均由暴雨所致，具有陡涨缓落、峰量集中、涨峰历时短等山区性河流的特点，同时还受暴雨分布、暴雨强度、暴雨历时和岩溶等影响[2-3].

据草坪头水文站历年实测资料分析，年最大洪水多发生在6～9月，占88.2%.洪水峰高量大，洪水过程多呈单、双峰型，复式洪水较少见；涨峰历时5～12 h，洪峰持续时间20 min～1 h，一次洪水总历时3～10 d，实测最大洪峰流量为1 640 m3/s(1979年6月24日).

3 设计洪水计算

3.1 参证站洪水计算

二期工程中搜集到草坪头水文站1959—2009年共51年实测洪峰流量资料.黔西南州水文队曾于1976年12月对乌都河草坪头河段进行过历史洪水调查，成果如表2所示.将该站历年实测洪水洪峰流量序列，加入1906年调查历史洪水，构成不连续洪水序列进行频率分析计算.由于1906年历史洪水未超过实测最大洪峰流量，因此不做特大值处理，实测的1979年洪水(实测洪峰流量1 640 m3/s)重现期经考证分析取为105年，1968年次大洪水(实测洪峰流量1 450 m3/s)重现期为53年，采用P-Ⅲ曲线进行适线分析[4-5]，则参证站洪水统计参数(见表3).

表2 草坪头水文站历史洪水调查成果表

表3 草坪头水文站洪水计算成果表 (单位：m3/s)

备注：资料序列为1906，1959—2009年，n=52年

3.2 历史洪水计算

通过实地调查，在坝址上调查到1979年、2007年、2009年洪水位，在厂址处调查到2007年、2009年洪水位，其中1979年的洪水为调查最大洪水.由于坝址处洪水受下游入伏口的顶托影响，洪峰流量采用水文比拟法计算，厂址洪水采用曼宁公式计算并采用水面曲线法进行验证[8].根据调查洪水水位，并结合坝址河段实际情况进行计算，坝址河段1979年洪水高程为1 207.61 m，洪峰流量为1 770 m3/s，为调查到的最大洪水.通过对盘县报刊、水利志等相关资料考察，1979年洪水为乌都河1906年以来的最大洪水，由于更远时期的洪水难以考证，故洪水考证期从1906年开始至2011年为105年，确定1979年洪水重现期为105年，与上游草坪头水文站的重现期一致.

3.3 坝址及厂房洪水计算

乌都河水电站坝址位于畔河落水洞上约1.0 km处，由于受落水洞阻水影响造成回水顶托，使得洪水位明显抬高，因此不能采用曼宁公式或是水面曲线法推算调查洪水位相应的洪峰流量.需采用水文比拟法计算坝址处洪峰流量，坝址控制集水面积1 220 km2，小于3 000 km2，洪峰流量面积影响指数n=0.67，考虑面积差异，洪峰Cv适当减少，为0.62，将草坪头水文站洪水比拟到坝址，得坝址处设计洪水成果(见表4).

乌都河电站厂址通过暗河与坝址河段联结，由于厂址处无水文资料，同时受上游溶洞的调节作用影响，因此不能直接采用水文比拟法计算厂址洪水，故设计洪水以历史洪水调查成果为主要依据，分析不同频率下落水洞的削峰程度，进而推算厂址设计洪水.

草坪头水文站1979年实测洪峰流量1 640 m3/s，按面积比拟到落水洞进口河段为1 770 m3/s(面积影响指数n=0.67)，但在落水洞出口河段调查洪峰流量为970 m3/s，可知落水洞削峰率为45.2%；草坪头站2007年实测洪峰流量852 m3/s，按面积比拟到落水洞进口河段为922 m3/s，但在落水洞出口河段调查洪峰流量为650 m3/s，可知落水洞削峰率约为29.5%；草坪头站2009年实测洪峰流量728 m3/s，按面积比拟到落水洞进口河段为788 m3/s，但在落水洞出口河段调查洪峰流量为580 m3/s，洪水削峰率为26.4%.

从洪水调查成果分析，洪水量级越大，落水洞削峰作用越大，点绘洪水洪峰流量～削峰率曲线(见图1).当洪水频率P<10%的时候，落水洞的削峰率在30%以下，当洪水频率P>1%，落水洞的削峰率可达46%左右，根据削峰率统计成果，确定P=0.2%～50%频率下洪水削峰率在0～54.7%之间.

根据坝址设计洪水、不同频率下的削峰率，计算得不同频率下厂房的设计洪水成果(见表4).

图1 落水洞洪峰流量～削峰率曲线图

项目均值CvCs/Cv频率P/%0.20.330.5123.3351050坝址设计洪水/(m3/s)5170.6242350216020001750149013101160919402溶洞削峰比例/%///54.753.451.244.840.036.733.929.410.3厂房设计洪水/(m3/s)///10601010976966894829767649361

3.4 设计洪水合理性分析

乌都河电站(一期)设计洪水洪峰流量为1 230 m3/s(P=3.33%), 校核洪水洪峰流量为2 000 m3/s(P=0.5%)，原参证站、坝址洪水统计参数及不同频率设计洪水成果(见表5).

表5 乌都河电站原设计洪水成果表 (单位：m3/s)

通过与原一期设计洪水成果相比较，二期工程洪水计算中参证站的洪峰均值比原来大，而变差系数较原来小，分析其原因，主要是因为两次所用的资料序列长度不一致所造成，原使用的资料序列为1959—1989年共31年，而二期工程中使用的资料序列为1959—2009年共52年，资料序列较原来长，实测资料中1989年至今的洪峰流量较大，但未出现特大值，因而出现洪峰流量均值比原来大、洪峰Cv比原来小，是符合洪水变化规律的，因此，采用二期工程中设计的洪水成果.

乌都河水电站坝址洪峰流量平均值为517 m3/s，洪峰模数为4.42 m3/s·km2，Cv=0.62；乌都河上游的西冲水文站洪峰流量平均值43.7 m3/s，模数为4.29 m3/s·km2，Cv=0.72；邻近拖长江流域上的土城水文站洪峰流量平均值432 m3/s，模数为4.33 m3/s·km2，Cv=0.42；马别河上的马岭水文站洪峰流量平均值5.22 m3/s，模数为5.22 m3/s·km2，Cv=0.4.从周边水文站实测洪峰流量来看，西冲、土城站较小，马岭水文站最大，分析其原因，主要是因为西冲、土城站流内域岩溶较发育，暴雨量级较小；而马别河流域属贵州省暴雨高值区，从普安—青山—马岭—兴义降雨量逐渐增大，兴义则为暴雨高值中心区.又据贵州省水文水资源局所作《贵州省年最大洪峰流量统计参数的地区综合分析》，本区域P=1%的洪峰模数为15～20 m3/s·km2，计算P=1%的洪峰模数为15.5 m3/s·km2，两者基本一致，因此计算洪水成果是比较合理的.

4 洪水调节计算与复核

由于乌都河水库库容太小，削峰作用甚微，故按泄量等于来量进行洪水调节计算.水库设计采用坝顶溢洪和底孔泄洪，经设计复核，溢洪道堰顶高程为1 182 m，溢流净宽30 m，综合流量系数为2.0，堰流公式：q=2.0×B×H3/2；底孔为方形，底板进口高程1 175.00 m，中心高程为1 176.5 m；综合流量系数为2.66，孔流公式：q=2.66×A×H01/2，底孔面积A=3 m×3 m=9 m2，水库泄流曲线计算成果(见表6及图2).

表6 水库泄流曲线计算成果表

乌都河水库无特殊的防洪任务，洪水调节计算仅考虑大坝本身的防洪要求.洪水调度原则为：不预留防洪库容，自正常蓄水位1 182 m起调，溢洪道、底孔同时泄流.低频率洪水时采用水量平衡方程式进行洪水调节计算，当受伏流入口阻水影响后，采用伏流入口水位泄流曲线～入伏口以上库容曲线～洪水过程线进行洪水调节计算，在求得不同流量下入伏口前水位后，再采用伯努利方程推算上游水库坝址水位，得到各坝址相应的洪水位.

图2 水库泄流曲线与坝后水位流量关系曲线图(低水时)

经复核，一期已建大坝P=3.33%设计洪水位为1 199.83 m，P=0.5%校核洪水位为1 211.4 m，总库容为384万m3.与原初设相比，设计洪水位增加0.63 m，校核洪水位降低0.13 m，经比较，设计洪水为比之前高主要是设计洪水洪峰流量比原设计大，校核洪水位比原设计校核洪水位低0.13 m，大坝是安全的.经比较，水库设计洪水位使用二期工程复核结果，校核洪水位仍采用原初设成果，即设计洪水位为1 199.83 m，校核洪水位为1 211.53 m，总库容398万m3.当上下游水位基本持平时，Q=430 m3/s，此时Z=1 185.3 m，相当于P=40%左右的洪水.

5 结 论

乌都河水电站二期工程是在一期工程的基础上进行扩建，工程沿用一期的大坝、溢洪道等永久建筑物.设计洪水地区组成较为复杂，各种岩溶形态发育齐全.通过对乌都河流域暴雨洪水特性规律的推演计算，定量分析了新建工程对河道行洪能力的影响，为工程优化设计和兴利调度运行提供了科学依据.

(1)乌都河河段从1906年至今最大洪水发生在1979年，洪水高程为1 207.61 m，洪峰流量为1 770 m3/s)，洪水考证期为105年.

(2)乌都河水电站坝址及厂房洪水计算结果与库面面积小、河道型水库类型等特点匹配，洪水计算时考虑伏流入伏口的顶托作业和岩溶的滞峰、下泄能力等，洪水计算方法是比较合理.

(3)乌都河水库在设计中没有防洪任务，也没有特别的防洪保护对象，不设防洪库容，洪水调节仅考虑枢纽本身的安全是可行的.

(4)洪水调节计算过程中，正常蓄水位进行起调水位，低频率洪水时采用水量平衡方程式进行洪水调节计算，当受伏流入口阻水影响后，采用伏流入口水位泄流曲线～入伏口以上库容曲线～洪水过程线进行洪水调节计算，在求得不同流量下入伏口前水位后，再采用伯努利方程推算上游水库坝址水位，得到各坝址相应的洪水位，计算方法比较合理.

[1] 祝贵林.龙滩建成后对岩滩电站设计洪水的影响研究[J].红水河,2006,25(2):131-134.

[2] 吴婉玲,谢华伟,陈晓东.特小流域暴雨洪水计算研究概述[J].浙江水利水电专科学校学报,2010,22(3):30-33.

[3] 靳玉芹.由流量资料推求水库设计洪水[J].水利科技与经济,2013,19(11):74-75.

[4] 叶凌云,曾小东.小流域洪水计算及防洪措施[J].浙江水利水电专科学校学报,2008,20(3):39-42.

[5] 李新旺.鸽子洞水库设计洪水计算方法分析[J].水科学与工程技术,2011(1):41-42.

[6] 金棋武,杨汉锡,吴晓翔,等.永嘉县五尺溪小流域设计暴雨的计算[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(1):18-22.

[7] 张丽虹.青川县竹园镇防洪堤基于“20090716”洪水的影响评估[J].浙江水利水电专科学校学报,2011,23(3):37-40.

[8] 步春俊,何 艳.温岭前溪小流域“7.26”洪水调查[J].浙江水利水电学院学报,2014,25(2):15-17.

Calculation and Analysis of Design Flood in Karst Area of Guizhou—A Case of Phase II Project of Wuduhe Hydropower Plant

ZHANG Le1, TAN Jian-bo2

(1.Guizhou Xinzhongshui Engineering Co. Ltd., Guiyang 550002, China;2.Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

In the karst area of the 2ndphase project of Wuduhe Hydropower Plant, the hydrogeological condition is extremely complete due to the various karst forms and different runoff conditions. In order to accurately grasp the influential regularity of Karst landform on the flood and to ensure the river and dam’s running safety during flooding, according to the characteristics of the rainstorm and flood in the river basin, as well as the historical flood data of the station, the flood quantitatively calculation has been done during the planning and design stage. The analysis results show that, in the project area, the statistical flood peak modulus ofP=1% is 15～20 m3/s·km2and the calculation results ofP=1% is 15.5 m3/s·km2, the calculation results are rational, in accordance with the reservoirs of small storage and river-type.

karst area; Wuduhe Hydropower Plant; design flood; flood calculation

2016-04-12

张 乐(1984-)，女,陕西临潼人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程水文及规划工作.

TV122+.3

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1008-536X(2016)06-0024-05