湖南省中小型水库设计洪水计算方法探讨

陈 静

（永州市水利水电勘测设计院 永州市 425000）

1 概述

推求中小型水库某种频率的设计洪水是亟需解决的重要技术问题。中小型水库通常处于小河小溪等小流域，其控制集水面积不超过数百平方公里，湖南省内所兴建的一些中小型水库流域面积都不是很大，基本上没有实测流量资料。在选用中小型水库的设计洪水计算方法时需满足以下条件：首先必须适用于无资料流域；其次应简便易行；最后可以着重推求设计洪峰。经过在水文设计工作中长期的摸索和实践经验总结后，目前湖南省中小型水库乃至省内所有中小型水利工程设计洪水的计算方法概括起来主要有以下四种：历史洪水调查法、地区经验公式法、推理公式法以及综合单位线法，其中前两种并不是很常用，本文主要选择设计工作中应用最广泛的推理公式法和综合单位线法，结合计算实例分析两种方法的实用性和优缺点，从而探讨寻求合理的计算方法。

2 湖南省内常用的中小型水库设计洪水计算方法

2.1 推理公式法

推理公式法首先需要均匀概化流域上的产、汇流条件，然后联立水流连续方程和运动方程，流域出口断面洪峰流量的计算公式即可推导得出。再确定稳定入渗率以后，将各时段的净雨分割成两部分，地表净雨和地下净雨，然后根据设计流域的特征参数，通过查图或用公式计算m值，通过试算或图集法求Qm和t；再依据等腰三角形法则，将得到的地下洪量进行分配，即可得到设计地下洪峰流量。由此可得设计洪峰流量即为地表洪峰流量和地下洪峰流量之和。具体的设计步骤详述如下（内容参照《湖南省暴雨洪水查算手册》）。

设计前提是已知某中型水库的工程地址、控制流域面积、河流坡降、干流长度、植被地貌等自然地理条件，再根据流域分区选定设计雨型，设计雨型采用《手册》中推荐的概化雨型。暴雨的时程分配参照《手册》推荐的公式计算，其中最大（1～6）h暴雨的时程分配公式如下：

最大（6～24）h暴雨的时程分配公式为：

式中Ht——（1～24）h内任一t时段的暴雨量；

n2、n3——根据地理位置、集雨面积及降雨量而变化；

t——对应Ht的时间。

地面总径流深按照以下公式计算：

式中R上——地表径流深（mm）；

ψ——地表径流占总径流的比值；

R总——总径流深（mm）。

净峰流量和汇流时间可以利用汇流公式通过试算法得出：

式中Qm——地面最大净峰流量（m3/s）；

F——流域面积（km2）；

Rt/t——地面径流强度；

t——汇流时间（h）；

L——流域干流长度（km）；

J——干流平均坡降；

m——因流域形状而变的系数。由以上推导过程可知，在计算过程中推理公式法涉及与洪水有关的主要因素，故适用于计算全面汇流和部分汇流两种情况，计算方法较简便，成果数据相对合理，因此推理公式法是目前中小型水库设计洪水计算中应用最为广泛的一种方法。

2.2 综合单位线法

综合单位线法在《湖南省暴雨洪水查算手册》中主要有两种方法，经验单位线和纳希瞬时单位线。实际设计工作中前者应用较多，因此本文针对前者做主要介绍。

首先经验单位线法推求中小型水库设计洪水中设计暴雨和净雨计算公式与推理公式法是相同的。其次无因次单位线根据水库所在流域的地理特征和选用原则进行选定。最后时段单位线纵高qi，根据以下公式计算：

式中qi——时段单位线纵高（m3/s）；

F——控制流域面积（km2）；

ρi——无因次单位线（10 mm单位线）；

t——单位时段（1 h）。

由各时段净雨分别乘以时段为1 h的10 mm单位线的时段单位线纵高qi即可相应各时段净雨的径流过程Qi。

已知地下径流深R下=R总－R上，由Qi～t过程线知地面径流过程底宽为t小时，之后采用前面推理公式法中介绍的同样的方法求得地下径流过程。

3 湖南省某中型水库设计洪水计算实例分析

3.1 工程概况

某水库位于湖南省永州市宁远县中部，坝址座落在宁远县中和镇岭头村境内，地理位置坐标为东经 111°51′52″， 北纬 25°46′05″， 距宁远县县城 27 km，属湘江水系一级潇水二级宁远河三级支流仁水上游。该水库坝址以上控制集雨面积24.10 km2，干流长度为16.31 km，干流平均坡降为20.70‰。该水库枢纽工程是一座以灌溉为主，同时兼顾防洪、发电等综合利用的中型水利工程。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，标准参照 《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）。

该水库所在流域属于小流域，流域内没有水文及雨量测站，暴雨及流量等实测的数据资料缺乏，附近只设有仁和坝雨量站。仁和坝雨量站有1959～2009年共51年的年最大24 h暴雨量。经对该水库与仁和坝雨量站两地地理位置和下垫层条件等进行分析，发现两地基本一致，属同一暴雨区，两地暴雨量非常接近，故可直接将仁和坝雨量站暴雨量系列移置到该水库，从而可得到该水库历年最大24 h暴雨量系列。本文采用推理公式法和经验单位线法两种方法分别推求该水库的设计洪水，并对设计结果进行比较。

3.2 设计洪水计算

首先对该水库历年最大24 h暴雨系列进行频率计算，用P-Ⅲ型理论曲线对经验点据进行适线，将所得计算成果与《湖南省暴雨洪水查算手册》等值线图查算成果进行比较，从表1所示内容可看出，本次实测计算成果与等值线图成果相差较大，考虑到仁和坝雨量站与工程所在位置有一点距离，流域条件或多或少有所区别，同时为了工程安全要求，本次计算采用查算手册等值线图查算成果（表1）。

表1 湖南省某中型水库实测暴雨频率计算成果与查算手册查算成果比较表

根据该水库坝址工程的集雨面积、干流长度、干流平均坡降等计算参数，以及前面介绍的推理公式法和经验单位线法的计算原理与计算公式，利用设计洪水计算程序进行计算，具体计算成果见表2。

表2 湖南省某中型水库两种不同计算方法推求坝址设计洪水成果比较表

3.3 计算方法合理性分析

根据以上由两种方法推求出的该中型水库的设计洪水，与本次收集的邻近两个水库工程采用推理公式法计算的同频率设计洪水成果进行比较（表3）。

表3 某中型水库与邻近水库30年一遇洪水成果比较表

通过对表3内容进行分析比较，邻近甲、乙两水库与该水库同时采用推理公式法计算出的洪峰模数相差并不大，分析其主要原因在于各水库所在流域的地形地貌特征不同会导致汇流时间不同。如乙水库相对前面两座水库集雨面积较小，干流长度短，同一频率下的洪峰模数较大，符合流域的一般特性。而采用经验单位线法计算出的洪峰模数结果显然是偏小的，这是由于单位线法计算公式中的参数的影响因素一般只有流域特征（F），而没有考虑到汇流与干流长度及坡降等因素的关系，从理论上分析不够严密，况且中小型水库所在小流域的汇流时间一般都比较短，而单位线法计算时由于暴雨资料条件的限制选用的单位时段不可能太短，所以该方法的计算结果大多会偏小。以上分析说明在中小型水库设计洪水计算中推理公式法能较好地反映流域水文与地理特性，由此说明其计算成果也更加合理可靠。

4 结 语

综上所述，中小型水库所处小流域在实测流量资料较为缺乏的情况下，一方面推理公式法能够很好地反映所在流域的水文气象、地形地貌等多因素的差异，可使设计成果更为准确可靠。另一方面综合单位线法的灵活度相对较高，不同流域的特点均有反映。在设计过程中，若将汇流时间作为一个整体时段来看，则应用于综合单位线法和推理公式法的概化条件近乎相同，因而这两种方法是可互相检验，相辅相成的，在湖南省中小型水库设计洪水计算中应用也是最广泛的。缺少实测资料的情况下，仅用一种计算方来推求的成果显然不够客观全面，因此实际工程中的设计洪水计算经常采用以推理公式法为主以经验单位线法为辅，两种方法并行的方式进行设计论证，从而提高计算成果的精度，使得数据更为合理，在目前来讲，这样的途径是行之有效的，也是目前湖南省设计工作中应用最广泛的一种方法。

[1]SL 44-2006.水利水电工程设计洪水计算规范[S].中国水利水电出版社，2006.

[2]SL 252-2017.水利水电工程等级划分及洪水标准[S].中国水利水电出版社，2017.

[3]刘光文.水文分析计算[M].北京:水利电力出版社，1989.

[4]陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算[M].北京：水利电力出版社，1980.

[5]湖南省水文总站.湖南省暴雨洪水查算手册[G].1983.

[6]郑灈清.水文水利计算[M].北京:水利电力出版社，1985.