山西某电力工程设计洪水成果合理性分析

摘要：通过对山西某电力工程处河流设计洪峰流量分析计算，介绍了使用不同计算方法推求设计洪峰流量，并进行成果合理性分析，确定出符合实际的设计洪峰流量成果，以保证电力工程的防洪措施安全可靠经济合理。

关键词：流域面积;设计洪峰流量;洪峰模系数;合理性分析

引言

工程中通常把各年最大洪峰流量所组成的系列作为样本，通过频率分析方法求得某一设计标准P的流量值Qp，称为设计洪峰流量。山西某变电站工程位于桃河一支流-桑掌河西岸河漫滩地之内，流域内地貌以土石山区、黄土丘陵为主，流域内地形条件较为复杂，因此，如何提高推求出的设计洪峰流量的精度，使得位于河道内的电力工程防洪措施即安全又经济，则显得尤为重要。

1 工程概况

山西某发电项目工程，拟选厂址位于山西省阳泉市城区西南方向约13km的桑掌河西侧二级阶地和河漫滩上。厂区地形呈西南高东北低，自然地面标高在930m-975m之间（高程为1985国家高程基准）。

2流域概况

桑掌河属于海河流域，子牙河水系，桃河的一级支流，发源于山西省阳泉市西南部山区的刁乌愣，由南向北流经后峪、西上庄、桑掌等地，最后汇入桃河。厂址以上桑掌河流域面积为18.6km2，河长为6.95km，比降为34.4‰。

3工程处设计洪峰流量不同推算方法

本工程防洪标准依据《电力工程水文技术规程》之规定，按照百年一遇洪水设防。采用《山西省水文计算手册》中的流域模型法、推理公式和地区经验公式法三种计算方法推求厂址段百年一遇洪峰流量。

3.1暴雨洪水特性及时空分布

本流域洪水主要系暴雨所致，影响降水的主要天气系统有副高后部、切变线、低涡、西风槽，主要以副高后部为主，尤其是多种天气系统同时出现时，对本区影响是极大的。受地形地貌及以上主要天气系统的共同影响，夏季降雨多以雷阵雨、局地性暴雨形式出现，主要集中在汛期6～9月份，尤以7、8两月为甚，汛期降水量约占年降水量75%左右。

3.2设计点、面雨量计算

本次计算的桑掌河按流域位于水文分区的中区，按无资料地区方法计算设计点暴雨和面暴雨计算是利用间接法进行的。间接法推求设计暴雨，首先确定“定点”及设计暴雨历时，然后分别在相应历时暴雨参数等值线图（《山西省水文计算手册》附图15～附图24）查读出定点的各种历时暴雨均值、变差系数CV。用经过合理性检查、调整后的参数值，计算出各种不同历时设计点暴雨。

间接计算设计面雨量是采用“定点”设计雨量配以暴雨“定点～定面”关系计算设计面雨量的方法。

3.3流域模型法

3.3.1流域产流计算

流域模型法包括流域产流计算和流域汇流计算两部分，流域产流计算包括设计洪水净雨深和净雨过程计算两部分。前者采用双曲正切模型计算，后者按主雨日、非主雨日分别采用变损失率推理扣损法和定损失率推理扣损法计算。经计算，桑掌沟主雨历时为13h，主雨雨量为156mm，净雨深取99.8mm。

3.3.2流域汇流计算—综合瞬时单位线

流域降水所产生的净雨在重力与地表阻力综合作用下沿坡面及河网向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流，流域汇流计算是根据设计暴雨计算出的净雨过程，用某种演算方法或模型，将其转换成流域出口断面的设计洪水过程线。

经现场实地踏勘，确定流域的植被和河道情况，汇流地类按灌丛山地考虑，根据产流计算成果，最后，推求出百年一遇洪峰流量为Q1%=363m3/s。

3.4推理公式法

推理公式法由设计暴雨、推理产流、推理汇流三个子系统构成。推理汇流计算包括求解洪峰流量Qm、流域汇流时间τ及推理洪水过程线。经现场实地踏勘，确定流域的植被和河道情况，汇流地类按灌丛山地考虑，则m取0.15，计算时段为30分钟，汇流时间为0.9小时，通过推理公式计算，最后，推求出百年一遇洪峰流量为Q1%=401m3/s。

3.5地区经验公式法

由设计暴雨推求相应频率设计洪峰流量的地区经验公式法，是一种集产流与汇流于一体的洪峰流量计算方法。经验公式形式：，式中：Qp为频率为p的设计洪峰流量（m3/s）;其中A为涉水工程控制的流域面积（km2）;Cp为与频率p和地類有关的经验参数;N1、β为经验参数（N1取0.92，β取0.050）;为涉水工程控制流域内定点概率雨力的面平均值，即设计定点雨力（mm/h）。由以上公式推求出工程处设计洪峰流量为 Q1%=325m3/s。

3.6各计算方法设计洪峰流量成果

本次采用流域模型法、推理公式法、经验公式法三种方法洪水计算成果，最后推得：1）流域模型法百年一遇洪峰流量Q1%=363m3/s;2）推理公式法百年一遇洪峰流量Q1%=401m3/s;3）经验公式法百年一遇洪峰流量Q1%=325m3/s。

由以上计算结果可以看出，流域模型法和经验公式方法推求的设计洪峰流量计算成果比较接近，因推理公式受河道纵坡变化影响较大，计算成果相对偏大。考虑到经验公式为估算公式准确度稍差，故，本次选择流域模型法计算成果作为设计洪水成果。

4设计洪峰流量成果合理性分析

4.1采用洪峰模系数进行合理性分析

由于暴雨在地区上有一定的分布规律，水文垫面在地区上也有自身的分布特点，因此为反映洪峰流量的分布规律，引入了某一频率洪峰模系数的概念：

公式为Cp=Qp/AN 。式中：Cp为某一频率的洪峰模系数，m3/（s▪km2）;Qp为某一频率为p的设计洪峰流量（m3/s）;A为涉水工程控制的流域面积（km2）;N1、β为经验参数（N1取0.92，β取0.05）。

其中某一频率的洪峰模系数Cp的大小反映形成洪峰流量雨量级的大小、流域产流和汇流条件，包括流域地质、地貌、植被以及流域的形状、水系发育程度等几何特征。其地区分布可反映洪峰流量形成的条件及地区分布规律。山西省共选用了75个水文站的频率分析计算成果，计算了各站的不同频率洪峰模系数Cp值成果，同时，绘制出了不同频率洪峰模系数分布图以及各水文站不同频率洪峰模系数成果。

本工程所在河道-桑掌河，该河属子牙河水系桃河的一级支流，对照桑掌河所在水文分区，可知，其位于水文分区的第Ⅱ区（子牙河水系），其不同频率洪峰模系数成果见下表1，該区共有14个水文站参与分析计算，该区洪峰模系数C1%值在9.9—40.7 m3/（s▪km2）之间，第Ⅱ区洪峰模系数C1%均值为21.4m3/（s▪km2）。

通过以上洪峰模系数Cp公式计算，推得本工程桑掌河洪峰模系数为24.7m3/（s▪km2），与第Ⅱ区均值21.4m3/（s▪km2）较为接近，处在其合理范围值之内，故，认为，本次桑掌河设计洪峰流量计算成果基本合理。

4.2利用洪峰流量与流域面积关系图进行对比分析

通过对山西洪水发生的时空分布规律的研究，结合洪水地域性特点，将山西河流按水系分为了六个区，并以山西境内各水文站频率分析成果为基础，按全省流域及六个分区，在双对数格纸上点绘处出各调查河段（水文站）不同频率设计洪峰流量与集水面积相关图，并确定散布点据的上包线、平均线和下包线，曲线公式：采用Qmax=CAαAβ，其中Qmax为洪峰流量;A为流域面积;C为反映汇流综合水平的经验参数，与流域水文下垫面条件和暴雨特性有关;α和β为lgQmax与lgA反映非线性关系的经验参数。

由绘制的不同频率洪峰流量与流域面积相关曲线图可以看出，各曲线随着面积的增大而呈上升趋势，但坡度渐缓。其中上包线反映了各级面积产汇流条件和设计暴雨最佳组合相关曲线，平均线反映了水文下垫面条件和相应设计暴雨平均情况下的相关曲线，下包线则为最不利组合下的相关曲线。

因桑掌河属海河流域、子牙河水系，位于第Ⅱ区（子牙河分区），故参照其洪峰流量与集水面积关系曲线（见下图1）。按照第Ⅱ区（子牙河分区）洪峰流量与集水面积关系曲线，从图中内插出桑掌河设计洪峰流量在350左右（上包线与平均线的中间位置）。根据以上情况分析，最后，认为，本工程处设计洪峰流量采用Q1%=363m3/s计算成果应在合理范围之内。

5结语

1）采用设计暴雨计算设计洪水的这三种计算方法，常受到多种因素和环节的影响，建议，计算出的设计洪水应通过综合分析合理选用，不宜盲目去平均值。

2）在设计洪峰流量计算过程中，正确划分地类是决定参数及的关键环节。划分地类应采取实地查勘与查图相结合、以查勘为主的原则。

3）采用洪峰模系数方法、以及洪峰流量与流域面积关系曲线对设计洪峰流量成果进行合理性分析时，还应通过与本流域及邻近的历史调查洪水成果进行比较分析，以验证计算成果合理性。

4）综合以上分析，认为，在确定设计洪峰流量时，首先，应通过详细分析已有水利工程的水文资料，同时，结合历史洪水调查，采用多种方法分析比较验证计算结果的可靠性、准确性，不断提高设计洪峰流量计算成果的精度，最终使得电力工程防洪措施，既经济合理又运行安全。

参考文献：

[1]山西省水利厅.山西省水文计算手册，郑州;黄河水利出版社，2011.3。

[2]山西省水利厅.山西洪水研究，郑州;黄河水利出版社，2014.2。

[3]国家能源局.电力工程水文技术规程：DL/T5084-2012.北京：中国计划出版社，2012。

作者简介：阎同喜（1965-），山西太原人，高级工程师，主要从事电力工程水文气象勘测工作。