贵州山区小流域引洪工程水文分析计算方法研究

龙章发，谢加球，罗姗姗

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081；2.贵州新中水工程有限公司，贵阳 550081）

1 工程基本情况

梅花山旅游景区位于六盘水市市中心区西面的梅花山，距离市中心区5 km，梅花山方圆约40 km2，海拔最高处2800 m，平均海拔2300 m，景区总体定位为“国际山地生态休闲度假旅游区”。梅花山景区地处云贵高原东部（贵州西部）的高原夷平面～滇东高原向黔西山原过渡的斜坡地带，区内碳酸盐岩与碎屑岩相间分布，碳酸盐岩出露区岩溶发育强烈。

经分析预测，梅花山景区远期（2030年）需水量242.9 万m3，扣除现状水源供水量，再生水利用量，仍缺水101.6 万m3。由于景区海拔较高，周边地质及水资源条件较差，经现场踏勘调查，可在景区西南面梁家沟上新建梁家沟水库向景区供水，拟定梁家沟水库坝址以上流域集水面积1.84 km2，多年平均径流量118 万m3，多年平均可供水量71.0 万m3。梁家沟水库本流域来水量不能完全解决梅花山景区用水矛盾，仍缺水30.6 万m3。因此，考虑从梁家沟水库西北面余家寨小河向梁家沟水库引水方案，引水方案示意图见图1。

图1 梁家沟水库引水方案示意图

流域内无水文、气象观测站点，邻近流域设有向阳水文站、阳长水文站、滥坝雨量站、比德雨量站、水城气象站。向阳水文站控制流域面积855 km2，与设计流域面积差异较大，不宜作为参证站。阳长水文站控制流域面积2696 km2，与设计流域面积差异较大，也不宜作为参证站。滥坝雨量站、比德雨量站距水城梁家沟水库工程相对较远，水城气象站距水城梁家沟水库工程坝址相对较近，且资料系列年限较长，资料可靠性较高。因此，选择水城气象站作为水文分析参证站。

2 余家寨小河拦水坝引水量计算

本次设计余家寨小河引水断面以上控制流域面积较小，引水方式采用无压隧洞引水，引水隧洞根据施工最小断面要求布置。本次引水量分析计算主要步骤为：

（1）根据引水断面布置，分析计算该引水断面的最大过流能力。

（2）根据设计暴雨推求引水断面不同频率的设计洪水。

（3）对比分析引水断面的最大过流能力与引水断面的不同频率设计洪水，得出该引水断面最大过流能力对应的设计洪水频率，并根据设计频率分析得出相应的设计暴雨。

（4）以此设计暴雨为基础，按10 mm 降水量考虑递增，分别计算各暴雨量级下的设计洪水及洪水过程线。

（5）根据各暴雨量级下的洪水过程，以最大过流能力为控制，分析计算得出相应的弃洪量，并建立暴雨量级与弃洪量的关系曲线。

（6）根据参证站逐日降水资料以及计算得出的暴雨量级～弃洪量关系曲线分析计算引水断面历年逐月的弃洪量。

（7）按照水量平衡原理[1]，根据引水断面天然来水扣除生态环境水、逐月弃洪量以及下游农村生活生产用水后得出逐月引水量。

3 余家寨小河拦水坝引水量分析计算

3.1 引水方案布置及最大引水能力

余家寨小河拦水坝以上控制流域面积0.99 km2，多年平均年径流量54.5 万m3。根据引水隧洞布置，隧洞长1.00 km，隧洞净宽1.8 m，高2.5 m。隧洞为无压隧洞，过流水深2.0 m，糙率0.025，设计坡降0.0 075，根据曼宁公式[2]分析计算引水隧洞最大过流能力，其表达式为：

式中：Q为流量，m3/s；n为糙率；A为断面面积，m2；R为水力半径，m；i为水力坡降。

经复核，引水隧洞最大过流能力为9.1 m3/s。

3.2 拦水坝上游天然径流量

余家寨小河流域内无水文测站，属于无资料地区，年径流计算根据水城气象站1959-2015 年逐月降水资料结合“贵州省1956-2000 年径流系数均值等值线图”，采用“降雨径流频率相应法[3]”计算，该流域多年平均径流系数为0.50，设计流域多年平均径流深550 mm。拦水坝控制集水面积0.99 km2，坝址以上多年平均径流量为54.5万m3。

根据《贵州省河流枯水调查与统计分析》成果，并结合现场实地调查，偏安全考虑，余家寨小河拦水坝以上流域P=95% 最小月枯水模数以1.96 L/（s·km2）控制。按降雨年内分配把年径流分配到各月，从而得到余家寨拦水坝历年逐月径流过程（见表1）。

表1 余家寨拦水坝天然来水量 万m3

3.3 拦水坝引水量分析计算

3.3.1 拦水坝控制流域不同频率设计暴雨及设计洪水成果

根据水城气象站暴雨资料结合贵州省暴雨等值线图成果[4]，推求各频率设计暴雨。根据设计暴雨以及拦水坝控制流域特征参数采用“雨洪法”推求各频率设计洪水成果。

余家寨拦水坝控制流域面积小于10 km2，θ值均小于30，根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册》规定，洪水计算采用修订（3）式，表达形式如下：

式中：Qp为设计频率P的洪峰流量，m3/s；r1为汇流系数（设计流域属高山间山丘，少量岩溶，植被较差，因此本次计算汇流系数取Ⅱ1区，r1=0.43）；f为流域形状系数；J为主河道坡降；F为流域集水面积，m2；C1为 洪 峰 径 流 系 数（0.875～0.799，P=0.33%～50%）；SP为设计频率为P的最大1 h降雨量，mm。

洪水总量按下列公式计算：

式中：W总为次洪水总量，万m3；F为流域集水面积，km2；H24P为设计频率下的最大24 h 暴雨，mm；△HS为稳定雨损，mm；HS为附加雨损，mm。

经计算，余家寨拦水坝控制流域设计暴雨及洪水成果见表2。

表2 拦水坝控制流域设计暴雨及洪水成果表

3.3.2 引水隧洞最大过流能力及对应设计暴雨

结合表2 分析得出，引水隧洞最大过流能力相当于P=50%的设计洪水（重现期为两年一遇），对应的设计暴雨为80.9 mm。

3.3.3 不同量级暴雨下的设计洪水及洪水过程线

根据前述分析得出，引水隧洞最大过流能力对应的设计暴雨为80.9 mm，本次以10 mm为梯级，根据上述雨洪法计算公式，分别分析计算90～180 mm不同设计暴雨量级下设计洪水及洪水过程线[5]，成果见表3。

表3 不同量级暴雨设计洪水过程线

3.3.4 不同量级暴雨对应的弃洪量

本次引水隧洞最大过流能力为9.1 m3/s，以此为基础，根据各不同量级暴雨下的洪水过程分析得出，各不同量级暴雨下的弃洪量，成果见表4和图2。

图2 不同量级暴雨、弃洪量关系曲线图

表4 不同量级暴雨、弃洪量关系成果表

3.3.5 余家寨小河拦水坝引水量

根据水城气象站逐日降水资料，以及计算得出的表4中暴雨量级—弃洪量关系曲线统计分析计算引水断面逐月的弃洪量。然后根据天然来水量，扣除生态水量、弃洪量，以及下游农村生活生产用水后得到本次余家寨小河引水量成果。经计算，余家寨小河多年平均引水量为40.6万m3（见表5）。

表5 余家寨小河拦水坝引水量 万m3

4 成果合理性分析

引水量计算过程考虑了拦水坝下游的生态水量以及农村生产生活用水需求，并根据拦水坝以及引水隧洞的最大过流能力，以及不同等级暴雨洪水过程线推算相应的弃洪量，基本符合水量平衡原理计算的相关原则。根据计算成果，余家寨小河拦水坝多年平均引水量为40.6万m3，约占拦水坝以上控制流域多年平均径流量的74.5%，计算成果基本合理。

5 结语

本文就贵州山区实测水文资料小流域引水工程引水量分析计算进行了研究，根据流域周边气象站实测逐日降水量以及引水流域径流及洪水过程并结合引水工程布置推求分析引水工程年引水量。

由于引水流域资料缺乏，根据降水、暴雨推求的引水流域理论逐月径流量、洪水过程与流域实际情况存在一定偏差，也使得该方法计算所得的引水量计算成果与实际运行可能存在一定的误差。