府谷县张三沟水库除险加固洪水分析

赵彦平，蔺艳琴

1 概况

张三沟水库坝址位于府谷县大昌汉乡刘三石岩村张三沟沟口，所在河流张三沟为窟野河左岸三级支流，于刘三石岩村附近汇入那河（大昌汉川），流经勃牛川后于左岸汇入窟野河。水库坝址控制流域面积5.16 km2，河道长2.99 km，河道平均比降23.1‰，是一座以防洪、拦沙为主，兼顾灌溉综合利用Ⅳ等的小（1）型水库。水库于1972年建成，原设计总库容175万 m3，有效库容107万 m3，死库容23万 m3，死水位1284.62 m，正常蓄水位1294.62 m。1982年水库“三查三定”确定的水库防洪标准为50年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。校核洪水位1297.12 m。经过四十多年运行，水库病险严重，若需对水库进行除险加固，需对水库来水最大洪水进行分析探讨。

2 暴雨洪水径流特性

张三沟水库流域地处西北内陆地区，属温带干旱、半干旱大陆性季风气候，具有冬长而干冷，夏短而多暴雨，春旱严重，霜早雹多，南北气候差异大等特点。多年平均降水量433.1 mm。张三沟流域无实测水文资料，其流域降雨径流特性借用临近流域孤山川高石崖水文站径流特性加以说明。径流年际变化大、年内分配不均。张三沟的径流主要由降水形成，水情随降水的变化而变化。河流的水量，汛期主要由降水补给，枯水季节主要依靠稳定的地下水补给，径流年际变化大、年内分配不均。据高石崖站1954～2007年54年实测资料统计，多年平均径流量8310万m3，最大年径流量23840万m3（1959年），最小年径流量1595万m3（2000年），汛期7～9月径流量占全年径流量的70%，枯水季节12～2月径流量仅占全年径流量的2.3%。

张三沟流域内暴雨最早发生在4月，最迟出现在10月，但量级和强度较大的暴雨一般发生在7～9月。暴雨一般分为锋面雨和雷暴雨两种，锋面雨历时长，强度均匀，笼罩面积大；雷暴雨笼罩面积小，强度大，历时短。张三沟流域的洪水由暴雨形成。暴雨特性和流域下垫面决定了该河的洪水特性。洪水最早出现在4月，其峰量较小，年最大洪水主要发生在7～9月，10月由于受淋雨影响，亦有洪水发生。受下垫面条件影响，张三沟流域洪水具有汇流快，陡涨陡落，峰型略瘦的特点。由于流域面积较小，河槽调蓄能力小，一次暴雨形成一个洪峰，在多雨季节形成涨落明显的连续洪峰。一次洪水过程一般在24小时以内。

3 设计洪水分析

由于张三沟水库坝址处无实测洪水资料，现分别采用经验公式法、综合参数法、推理公式法和水文比拟法对张三沟20年一遇和200年一遇洪水进行分析计算。

3.1 经验公式法推求设计洪水

根据“榆林地区产汇流、小汇水面积分区图”，张三沟水库位于榆林地区小汇水面积第Ⅰ分区，按照《榆林地区实用水文手册》中介绍的使用榆林地区实测暴雨洪水资料，并和已成工程设计及邻区调查成果综合分析出有关参数，建立起洪峰流量汇水面积相关法经验公式，计算坝址处的设计洪峰流量。即根据《榆林地区实用水文手册》中的洪峰面积相关公式参数表，查算、插补经验公式的参、指数，重现期20年一遇地理参数为52.9，指数0.68，重现期200年一遇地理参数为97.6，指数0.68，经过计算，求得张三沟水库坝址处200年一遇、20年一遇设计洪水分别为298 m3/s、161 m3/s。经验公式法设计洪水计算成果见表2。

3.2 综合参数法推求设计洪水

根据《榆林地区实用水文手册》中采用流域内设计暴雨量和流域特征为基本参数，根据水文、气象、地貌及土壤等自然地理特点，综合出的多因素经验公式，计算坝址处的设计洪峰流量。张三沟水库坝址以上流域面积为5.16 km2，河道长2.99 km，重现期设计为流域6小时面雨量（mm）；查《榆林地区实用水文手册》中的综合参数法经验公式分区参数、指数表，经验参数、指数20年、200年一遇的C、α、β、n对应的数值分别为 1.81、0.81、0.11、0.68；1.52、0.81、0.11、0.68。经过计算，求得张三沟水库坝址处20年、200年一遇的设计洪水分别为229 m3/s、446 m3/s。综合参数法设计洪水计算成果见表2。

3.3 推理公式法

根据《榆林地区实用水文手册》中的“暴雨相似区分区图”，张三沟水库位于榆林地区第Ⅰ暴雨分区，其坝址以上流域面积为5.16 km2，小于100 km2，根据《榆林地区实用水文手册》规定，暴雨设计历时取6小时，计算时段取1/3小时（20 m）。根据《榆林地区实用水文手册》及《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》，查不同历时点暴雨均值等值线图及Cv等值线图，得坝址以上流域重心处20 m、1 h、3 h、6 h平均暴雨量及Cv值，采用“水文手册”提供的Cs=3.5Cv，推求频率P=0.5%和P=5%等不同频率、不同历时的设计点暴雨量， 推求设计面雨量。张三沟水库坝址以上流域面积为5.16 km2，河道长2.99 km，河道平均比降23.1‰。按《榆林地区实用水文手册》推荐的黄土丘陵沟壑区推理公式法，推求坝址处设计洪水。

土壤前期含水量Pa采用33.3 mm，依据“水文手册”提供的榆林地区黄土丘陵沟壑区入渗率f计算公式：①当S＜80 mm时，f=14.83S-1.08②当 S≥80 mm 时，f=0.13，计算入渗率 f，进行产流计算，该流域面积小于50 km2，不扣除潜流，产流过程即为净雨过程。经汇流计算，求得地面径流的洪峰流量及径流过程，求得设计洪水的洪峰流量及径流过程。汇流计算详见表1。

表1 推理公式法汇流过程计算表 单位：mm

绘制Qm～τ关系、Qm～t关系曲线图， 洪水总量W由不同频率暴雨产生的净雨深进行推算。经计算，推理公式法设计洪水计算成果见表2。

3.4 水文比拟法

张三沟水库坝址附近勃牛川设有新庙水文站，该站控制流域面积1527 km2，有较长的实测水文资料，故参证站选择勃牛川新庙水文站。根据新庙站1966年～1988年、1991年～2006年共39年洪水系列，按照《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44—2006）推荐的方法，以年最大值法选样，按连序系列进行频率分析，用矩法计算统计参数作为初试值，采用皮尔逊—Ⅲ型曲线目估适线，在适线时着重考虑曲线中、上部较大洪水点据，适当考虑下端较小的洪水点据。经计算，新庙站100年、50年、20年一遇设计洪水计算成果分别为6156 m3/s、525 m3/s 8、4040 m3/s。

新庙站控制流域面积1527 km2，张三沟水库坝址控制流域面积为5.16 km2，利用水文比拟法，经过计算，求得张三沟水库坝址处的设计洪水200年、50年、20年一遇设计洪水计算成果分别为159 m3/s、118 m3/s 8、91 m3/s。水文比拟法计算成果见表2。

3.5 成果选用

以上四种计算方法计算的洪水成果汇总比较见表2。

从表中可以看出，各种方法计算的成果略有差异，但差异不大。考虑到经验公式法和综合参数法使用的参数是根据1980年以前的水文资料分析确定的，未考虑近期实测洪水资料，成果和实际情况可能有一定的差异。水文比拟法成果和推理公式法成果基本一致，而推理公式法是使用《榆林地区实用水文手册》依据榆林地区实测暴雨洪水资料分析总结出来的暴雨～洪水关系进行计算，有一套完整的计算方法，在理论方面比较严谨，计算过程中又采用了本流域的特征值、经验参数和暴雨资料，计算成果既代表了区域洪水的共性，又突出了计算流域洪水的特性，成果精度相对较高。经综合分析比较，本次张三沟水库坝址设计洪水复核成果采用推理公式法求得的成果，即：200年一遇洪水情况下：洪峰为300 m3/s，洪水总量为93.7万 m3；20年一遇洪水情况下：洪峰为165 m3/s，洪水总量为39万m3。

4 设计洪水过程线

由于张三沟水库坝址处无实测洪水过程，故设计洪水过程线采用《榆林地区实用水文手册》中推荐的概化过程线进行计算。设计流域位于黄土丘陵沟壑区，洪水过程线由地面径流过程和地下径流过程叠加组成，地面径流主雨峰形成的洪水过程采用五点概化过程线，主雨段之前和主雨段之后次雨段形成的洪水过程按三角形过程线计算，并以设计洪水总量控制将过程线进行调整。查《水文手册》，五点概化过程线的形状系数为：Ka=0.10，Kb=0.124，Kw=0.238，Kτ=0.16。次雨段峰值计算成果见表3和图1。

表3 张三沟水库坝址处设计洪水过程表

图1 张三沟水库坝址处设计洪水过程线

5 结语

张三沟水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等组成，属无设计、无批文、无施工、无竣工、无验收文件和图纸等资料的历史工程。2008年12月，经榆林市水务局组织有关专家鉴定，该水库大坝为三类病险坝，及需进行除险加固建设。由于该水库缺乏监测资料和有关数据，结合榆林地区暴雨特点，以临近新庙水文站为参证站，采用四种方法对坝址处的洪水进行了设计计算，提出除险加固工程防洪标准按20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核，洪峰分别为300 m3/s、165 m3/s。