特小流域设计洪水计算方法在山谷型干灰场中的应用

李卫东，周 宏，陈睿星，尹洋洋，曹宇航，徐向阳

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

0 引 言

灰场是火力发电厂的重要组成部分之一，就贮存方式而言，相比于历史悠久、技术成熟的湿灰场而言，干灰场凭借着建设周期短、成本低、便于贮存和耗水量低等优点已经逐步被大众所认可并在建设过程中得到了广泛的应用[1]。随着城市化进程的加快，城市建设用地变得尤其紧张。为了更好地满足城市用电的需求，越来越多的火力发电厂选择建在山谷型地区。就国内而言，西南地区山谷型干灰场所占比例已经达到95%以上，并且针对此类灰场的设计洪水计算方法并不完善[1]。受当地地形地貌和水文气象条件的影响，灰场主要威胁来源于汛期高强度持续集中降雨。为减少灰场事故安全隐患，确保火力发电厂正常运行，有效预防汛期高重现期暴雨给灰场带来的威胁，充分防止灰水渗漏，保护地下水不受污染，下游居民不受破坏，做好干灰场的设计洪水计算与校核尤为关键。根据新编制定《火力发电厂干式贮灰场设计规范》，干灰场防洪标准取决于灰场的总体积和最终的坝高[2]。相应的，干灰场的设计洪水标准和校核标准是排水系统设计的基础前提，更是决定着灰场的建设规模和投资成本。因此，规范的设计洪水计算标准可保障灰场经济效益，为干灰场提供合理性的建设意见。重点研究适用于山谷型干灰场的设计洪水计算方法有着重要的参考和指导意义。

1 基本原理

由于山谷型干灰场所处计算区域积水面积较小，并且所在的特小流域属无实测资料地区，所以这类地区干灰场的暴雨洪水计算需采用多种计算方法进行比较，并采用当地调查估算的历史洪水进行校核[3]。常用的特小流域计算方法有推理公式法、林平一法和经验公式法等[4]。林平一法最大的特色是针对坡地汇流特点，专门研究提出了坡地的洪峰计算方法。该方法的不足在于在汇流计算过程中将流域内的河道假定为单一对称的矩形河道，与山谷型灰场实际的地形有一定的差别，吻合程度存在差异；地区综合经验公式是在缺乏资料的情况下计算洪峰流量所常用的一种简易方法，不足之处在于未充分考虑下垫面影响因素且公式中降雨的损失没有充分考虑各个频率的不同[5]； 相比于上述两种方法，推理公式法的优势在于方法结构简单，参数稀少，对资料条件要求不高，特别适用于小流域的设计洪水计算。公式中共有三类参数，除流域特征参数外，还有暴雨参数及洪水经验参数。通过对由实测资料推求的后两类参数进行分区、分类综合，可以使得参数更加符合小流域暴雨洪水特性。

1.1 推理公式法

推理公式是基于暴雨形成洪水的基本原理推求设计洪水的一种方法，是在对流域上产汇流条件均化(全面产流、净雨强度不变、流域概化为矩形)的基础上，按线性的径流成因理论，直接推算出口断面处最大洪峰流量的一种计算方法[6]。北京水科院对其进行了改进，当tc≫τ时，全面汇流；tc<τ时，部分汇流，且形式如下所示：

(1)

式中：Qmp为设计洪峰流量，m3/s；Sp为设计频率的雨力，mm/h；τ为汇流时间，h；n为暴雨衰减指数，查地区暴雨参数等值线图或采用公式计算；F为流域面积，km2；τc为产流历时，h；μ为平均入渗率，mm/h；m为汇流参数；L为自分水岭沿主河道至出口断面的流程，m。

1.2 MIKE模型HD模块

MIKE11水动力模块的构建主要包括河网文件(.nwk11)，断面数据(.xns11)，边界条件 (.bnd11)，模型参数文件(.hd11)四部分，再由这几部分共同生成模拟文件(.sim)。水动力学模块参数：河道长度、断面尺寸、断面形状、河道糙率、水面率、水工建筑物规模和调度方式等。HD模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态[7]。具体方程如下：

质量守恒(连续性)方程：

(2)

动量守恒(动量)方程：

(3)

2 实例分析

2.1 工程概况

本次研究区距电厂厂址约为18.15 km，位于老龙脊的西面，周围是标高110～300 m的群山，是一个较典型的山谷灰场。灰场内没有市级以上重点文物保护单位，也不压覆重要矿产资源。场区周边山坡均为岩质自然斜坡，从地质报告看，地层岩性以灰岩为主，第四系覆盖层较薄，一般小于1.0 m，以粉质黏土为主。灰场所在流域春季太阳辐射增强，温度回升快，日较差大，多偏东风，降水较冬季增多。秋季降温快，凉爽，气温日较差大，常刮偏东北风。夏季受海洋性气候影响，气温为全年最高，降水多且集中，多偏南风。冬季受西伯利亚冷空气的影响，天气寒冷，雨雪稀少，以北偏风为主。

研究区域的洪水主要由东侧三条冲沟组成，分别为主河道和两侧的小支流。根据规划排洪沟布置线路以及实地踏勘情况，确定了A(东侧北冲沟)、B(东侧主冲沟)、C(东侧南冲沟)有明显冲槽的特征点，并将每个点以上划分成不同的小流域。汇水区域划分见图1。汇水分区河道特性统计见表1。

图1 研究区汇水分区划分图Fig.1 The division map of the catchment in the study area

2.2 排水方案

研究区域常处于小流域的洪水威胁下，拟在山谷灰场环山修建截洪沟，将拦截的山洪直接排至山谷下游河道中；并在灰场的东侧建设拦水坝，将灰场东侧三条冲沟的来水通过场内的排水盲沟排出。灰渣场内敷设排水盲沟、集水井将场内雨水集中排放至场外集水池，经沉淀、加酸处理后用于灰渣场喷洒。遇特大暴雨时，集水池有部分雨水外溢。

表1 汇水分区河道特性统计表Tab.1 Statistics of the channel characteristics in catchment partition

灰场东侧共有3条冲沟，且它们所在的山区汇水区域分别汇至拦水坝的上中下端(即A，B，C处)，在沿挡水坝前排水沟统一汇流至暗渠入口处，通过设于灰场底部且贯穿灰场的排洪暗沟将水引入灰场下游原有沟道。

2.3 设计暴雨分析计算

表2 灰场设计暴雨计算成果表Tab.2 Ash field design storm calculation results table

2.4 不同方法计算结果

(1)推理公式法推求设计洪峰流量。考虑到特小流域的雨洪特性及参数变化规律与中小流域不同，特别反映在汇流条件的变化上，所以下垫面特征很大程度上决定了特小流域设计洪峰流量值。本次研究根据当地相关水文手册查算出推理公式相应的计算参数，汇流参数m的选取参考华东地区特小流域洪水参数m分类综合表(θ=L/J1/3)[8]。根据实测勘察资料显示该山谷型灰场坝址以上集水区域树木稠密、杂草丛生，冲沟两岸岩石裸露、来水陡涨缓落[8]。灰场流域下垫面特征基本属Ⅱ-3类，汇流参数m=0.510θ0.092。径流系数α值根据研究区域所在地的地形、土壤及设计降雨量查表可得。暴雨衰减指数n根据地区最大10 min、最大60 min和最大6h的暴雨综合成果求得。

灰场暗渠入口处的洪水流量由灰场东侧三条冲沟所在的山区的洪水组成，特征点汇水面积取分区1、2、3的面积总和，河道比降采用三分区面积加权平均值，主干河长为流域分水岭至暗渠入口断面的河道长度。采用推理公式法结合EHP软件推求暗渠入口处的设计洪峰流量。

(2)MIKE模型调蓄汇流演算。本次研究对灰场挡水坝前排水沟进行简要概化，其中河道断面采取梯形断面概化，灰场底下暗涵采用矩形断面概化。选用推理公式法得到东侧三条冲沟的洪水过程线作为HD模块的边界条件(即为特征点A、B、C的入流过程)，并且在暗渠入口处加入一定的调蓄面积。结合MIKE模型进行调蓄汇流演算推求暗渠入口处的设计洪峰流量。不同重现期下各特征点设计洪峰流量过程线见图2。

图2 不同重现期下各特征点设计洪峰流量过程线Fig.2 The design flood peak discharge process line of all feature points under the different return period

利用上述两种方法分别计算得到暗渠入口处30年一遇设计洪峰流量和100年一遇校核洪峰流量值。计算结果见表3，暗渠入口处不同重现期下的洪水过程线见图3。

表3 不同重现期下暗渠入口处设计洪峰流量值Tab.3 The design peak flow values of the culvert's entrance under different return period

图3 不同重现期下暗渠入口处设计洪峰流量过程线Fig.3 The design flood peak discharge process line of the culvert's entrance under the different return period

2.5 结果分析

根据上述计算结果可以看出，MIKE模型汇流演算的暗渠入口处最大洪峰流量值比推理公式法计算的洪峰流量结果要小。在重现期30年一遇条件下MIKE模型计算值为54.0 m3/s，推理公式计算值为61.3 m3/s，二者相差11.9%，洪峰时间偏后约0.5 h；在重现期100年一遇条件下MIKE模型计算值为69.5 m3/s，推理公式计算值为78.5 m3/s，二者相差11.5%，洪峰时间偏后约0.5 h。下面对两者方法计算结果的差异进行分析。

(1)两种方法中汇流参数的选取均基于华东地区特小流域特性确定，充分考虑了下垫面因素对设计洪峰的影响。方法二对研究区域进行分区分类计算，考虑到山谷型灰场上游复杂的地理条件，使得计算结果更趋于实际。

(2)水科院推理公式法在计算暗渠入口设计洪峰流量时只考虑了主干河的河道长，未能充分反映整个灰场流域，一定程度上加大了洪水的汇流时间，并且没有考虑调蓄作用；而方法二是用推理公式法算出各个分区的设计洪水，在此基础上结合MIKE模型对灰场挡水坝前洪水进行调蓄汇流演算，充分考虑了灰场的坝前调蓄。

3 结 语

由于山谷型灰场所在流域下垫面条件复杂，所属特小流域洪水破坏大。为了给电厂灰场防、排洪提供可靠的设计依据，本文结合小流域洪水特性，在充分研究不同特小流域设计洪水计算方法的基础上，提出了一种适用于山谷型灰场的计算方法。该方法选用推理公式法分析并计算出灰场设计洪水，并结合MIKE模型进行暗渠入口的洪水汇流调蓄演算，一定程度上提高了计算结果的可靠性与合理性。计算结果表明：相比于单一的推理公式法而言，采用模型调蓄演算后的计算结果合理，充分考虑了灰场上游集水区域的下垫面特性和挡水坝对洪水的调蓄作用，比较符合山谷型干灰场设计洪水特点，可为电厂灰场建设提供设计依据，有一定的参考价值。不足之处在于特小流域实测资料的缺乏，导致模型参数不能进行合理的率定。

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[1] 饶俊勇, 李模军, 陈德智. 山谷干灰场排水形式和洪水标准调研及探讨[J]. 电力勘测设计, 2014,(3):45-49.

[2] 武鸿鹏, 刘文懋, 吕松力. 浅谈火力发电厂山谷干灰场排洪系统设计[J]. 内蒙古水利, 2013,(2):155-156.

[3] 蔡兴和. 特小流域变电工程设计洪水位的推求[J]. 四川水力发电, 1998,(1):20-21.

[4] 谢直卉. 山谷型火电厂贮灰场设计洪水计算[J]. 长江工程职业技术学院学报, 2015,(2):1-3.

[5] 晁 锐. 辅助EHP软件计算变电工程中的小流域洪水[J]. 陕西水利, 2011,(5):99-100.

[6] 詹道江. 工程水文学[M]. 中国水利水电出版社, 2010.

[7] 周 宏, 刘 俊, 刘 鑫,等. MIKE 11模型在望虞河西控工程排涝计算中的应用[J].中国农村水利水电，2016,(1):39-43.

[8] 王维新, 周宪庄, 张恭肃,等. 华东地区特小流域洪水参数研究[J]. 水文, 1989,(4):1-9.