乌苏市小型水库工程设计洪水分析计算

靳 磊

（新疆维吾尔自治区塔城水文勘测局，新疆 塔城 834700）

1 引言

中小型水库设计的关键在于对工程水文的分析计算[1]。大部分规划设计的中小型水库位于无资料地区，其工程水文设计较为困难。近些年来，有不少学者针对中小型水库的洪水设计展开相关研究，并取得一定的研究成果[2～8]。其中主要可以归纳为两种方法:第一种方法为水文比拟法[9]，按照流域特性相似的原则，将有资料地区的设计洪水成果按照同倍比的方法进行典型设计，得到设计洪水成果；第二种为采用推理公式方法[10]，结合设计暴雨成果来推算区域的设计洪水。本文同时探讨以上两种方法在新疆中型水库工程水文计算中的应用性。

2 中型水库工程水文计算方法

2.1 水文比拟法

水文比拟法是按照流域特性相似的原则，将有资料地区的设计洪峰流量按照同倍比的方法进行典型设计，得到设计区域洪峰流量。

2.1.1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法：

该方法用洪水调查法推求小流域设计洪水，为无资料地区洪水计算的常用方法之一。该方法首先要求出一条洪峰流量模比系数地区综合频率曲线，即将水文分区内（常以频率曲线的接近程度来分区）各水文站各种频率的流量换算为模比系数并点绘在同一张概率格纸上，合理选配P-Ⅲ型频率曲线，绘出一条综合的频率曲线，这条频率曲线就是地区的综合频率曲线。并根据各河沟计算断面相关的历史洪水调查成果，计算其设计洪峰流量。

设历史洪峰流量为Q1，其发生的频率为PD；设计频率为P，设计洪峰流量为QP。由PD及P在综合频率曲线上查出相应的模比系数为KD及KP，则设计洪峰流量可按下式计算:

式中:QP为设计洪峰流量，m3/s；KP为设计洪峰流量模比系数；KD为调查洪水洪峰流量模比系数；QD为调查洪水洪峰流量，m3/s。

2.1.2 参证站面积比拟法

选用区域内水文站为参证站，移用其设计洪峰流量，计算水库坝址各种频率设计洪峰流量，计算公式如下:

式中:QP设、QP参为水库坝址及参证水文站的设计洪峰流量，m3/s；F设、F参为水库坝址及参证水文站所控制的流域面积，km2；n为洪峰流量指数，在新疆地区该值为1。

2.2 推理公式法

推理公式法是根据暴雨资料计算设计洪水。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）中推荐的推理公式分析计算设计洪水，基本公式如下:

式中:Qm为洪峰流量，m3/s；ψ为洪峰径流系数；Sp为设计频率的雨力，mm/h；τ为汇流时间，h；m为汇流参数；l为沿主河出口断面至分水岭的最长距离，km；J为沿流程l的平均比降；F为流域面积，km2；n为暴雨衰减指数。

3 应用实例

3.1 水库概况

研究水库为山区拦河水库，该工程是以灌溉、供水为主，兼顾防洪等综合利用功能。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞组成。水库总库容990万m3，正常蓄水位1039 m，坝高75 m，坝长254 m。水库建成后可改善灌溉面积数万亩，削减河流洪峰流量、提高下游防洪能力。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000），该水库属小型工程，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。水库工程设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准1000年一遇。

3.2 参证站面积比拟法

选择四棵树河吉勒德水文站为参证站，该站为国家基本水文站，二类精度站。该站位于乌苏市西大沟镇红山村，吉勒德水文站以上集水面积921 km2，河长63 km，多年平均年径流量3.058×108m3。吉勒德水文站有1954年～2015年共62年的实测洪水系列资料，实测资料经过审查、考证、刊印，具有较好的连续性、一致性及代表性，可用作为频率计算。

对参证站进行设计洪峰流量计算，曲线采用P-Ⅲ型。洪峰流量计算成果见表1。结合参证站面积比拟法对水库各种频率洪峰流量进行计算，结果见表2。

表1 参证水文站各种频率洪峰流量计算成果表 单位：m3/s

表2 参证站面积比拟方法下水库坝址各种频率洪峰流量计算成果表 单位：m3/s

3.3 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法

根据各河沟计算断面相关的历史洪水调查成果，调查洪水数据经过审查、考证、刊印，具有较好的连续性、一致性及代表性，可用作为计算依据。采用地区洪峰流量模比系数综和频率曲线法设计洪峰流量，水库坝址调查历史洪水洪峰流量259 m3/s，洪水重现期为63年。利用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线计算设计洪峰流量。

其中综合曲线首先要求出一条洪峰流量模比系数地区综合频率曲线。即将水文分区内（常以频率曲线的接近程度来分区）各水文站（本文选取四棵树河吉勒德水文站、奎屯河将军庙水文站、八音沟河喇嘛庙水文站为参证站）各种频率的流量换算为模比系数并点绘在同一张概率格纸上，合理选配P-Ⅲ型频率曲线，绘出一条综合的频率曲线，这条频率曲线就是地区的综合频率曲线，见图1。设计洪峰流量计算成果见表3和表4。

表3 洪峰流量模比系数地区综合KP值表

表4 水库坝址各种频率洪峰流量计算表

图1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线图

3.4 推理公式法计算设计洪水

点绘参证水文站最大一日降水量经验频率点据，P-Ⅲ线型矩法目估适线，计算出不同频率最大一日降水量Hp，见表5。根据前面叙述的计算方法，年最大日雨量需换算成年最大24小时雨量，换算办法是将日雨量乘以系数1.13，系数值来源于新疆《中小流域设计暴雨洪水图集》，即:

在实际应用计算中，设计频率的雨力Sp通常采用同频率的年最大24小时降水量H24计算，公式为:

经量算查表，研究水库坝址以上流域面积994.4 km2，河长32 km，主河道平均纵比降0.0625。根据《新疆可能最大暴雨图集》，结合各河沟流域实际情况，暴雨衰减指数n1取0.56，n2取0.72，暴雨点、面折减系数取1.509，计算时段为24 h，设计点和面暴雨成果见表5。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 144-2006），结合本流域水文特征及下垫面条件，查小流域下垫面条件分类表，m值取0.60。根据《工程水文及水利计算》及新疆《中小流域设计暴雨洪水图集》研究成果，暴雨洪峰径流系数在0.24～0.5之间，确定该区域洪峰径流系数为0.25，结合设计面暴雨成果及前面所述的方程（3）和（4），对推理公式方法下的设计洪峰流量进行计算，结果见表6。

表5 参证水文站最大一日降水量频率计算成果表

表6 水库坝址各种频率洪峰流量计算表

4 设计洪水成果合理性分析

三种方法中，参证站面积比拟法设计洪水成果合理性最高，也是方案审查后建议采用的批复成果，此方法选用的参证站实测资料经过审查、考证、刊印，具有较好的连续性、一致性及代表性，参证站设计洪水成果已通过区域水文设计审查；而地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法，主要采用洪水调查法来进行设计洪峰流量的推算，洪水调查数据很难接近实测数据，且该方法计算的设计洪峰流量偏小，从水库安全角度考虑，其不适用于该水库设计洪峰的推求；第三种方法为采用推理公式进行设计洪峰流量推求的方法，该方法一般用于无资料小流域，且附近无参考站数据，该方法一般适用于新疆地区流域集水面积在300 km2以下的无资料小流域。

5 结论与建议

（1）若设计的小型水库集水区域内或附近区域有资料相对较长的参考站，资料符合比拟条件，建议首选参证站参考证比拟法计算，从而提高小型水库设计的合理性。

（2）在采用洪峰流量模比系数综合频率曲线法进行设计洪峰流量计算时，建议进一步加强对洪水资料的实测和调查，应复核历史洪水调查的可信度。

（3）采用推理公式进行无资料小流域设计洪水推求时，应结合新疆《中小流域设计暴雨洪水图集》及设计区域下垫面条件综合确定其计算参数。