无资料地区设计洪峰流量的推求——以陂下水库为例

王光焰 喻佳

1.新疆塔里木河管理局 新疆 库尔勒 841000

2.西安理工大学教育部西北水资源与环境生态重点实验室 陕西 西安 710048

引言

我国中小型水利工程众多，且众多小流域上没有足够的水文测站，甚至缺乏暴雨资料，推求小流域的设计洪水具有重要的实际意义和应用价值[1]。山洪灾害预防和小流域综合治理都亟须设计洪水过程[2-4]，设计洪水一般以推求设计洪峰流量为主。国际上由雨量资料推求设计洪水的整体思路为：先推求设计暴雨，再做净雨分析，最后通过流域汇流得到流量过程线[5]。国内许多学者针对不同频率设计洪峰流量计算做了大量工作。李伟龙等[6]采用了“壹桥8212计算公式”、地方经验公式及数理统计法对设计洪峰流量进行计算，并将三种方法计算结果进行对比分析，验证了不同公式的适用性，研究指出设计洪峰流量是确定铁路桥涵高程、跨度的重要指标。都兴伟等[7]利用图表法和降雨修正图表法分别计算洪峰流量，研究表明洪峰流量是确定河道最大行洪能力并进行堤线布置、护岸结构内容设计分析的重要依据。杨大勇等[8]分析了辽阳县兰河（杨房桥—田家堡子段）三条支流的山洪沟10年一遇的设计洪峰流量，研究指出设计洪峰流量是河道整治的科学依据，是河道在洪水时期安全行洪的有力保障。鉴于此，探索无资料小流域的设计洪水不仅可以为中小型水利水电工程的规划设计提供参考，且不同频率下的洪峰流量可为小流域的防洪规划和当地人民群众的防洪抢险提供重要技术依据。

本文以福建长汀濯田河支流上的陂下水库为例，坝址所在流域面积很小，属于小流域，缺乏径流资料，所以只能通过暴雨资料来推求该流域的设计洪水。且工程规模较小，对洪水的调节能力不强，工程规模主要受洪峰流量控制，因而对设计洪峰流量的要求高于对设计洪水过程的要求。运用推理公式法计算设计洪峰流量，该方法表达形式简单、相关参数易于获取，已在我国小流域设计洪峰计算中得到广泛应用，因此用于推求陂下水库的设计洪峰流量。

1 流域概况

陂下水库位于福建省的长汀县四都乡同仁村，与江西省毗邻，是汀江支流上的一座兼顾防洪、发电、灌溉，航运等综合利用任务的中型水库小型电站。根据地形、地质条件，总库容初估约为5000万～6000万m3，属中型水库，装机容量5000kW左右，属小型电站。陂下水库为一级龙头水库，坝址位于汀江支瞭流濯田河的小支流陂下河上，是汀江支流濯田河上的一座兼顾防洪、发电、灌溉，航运等综合利用任务的中型水库小型电站。陂下水库坝址下游一公里多处的四都雨量站有20年降水资料。由水文图集上查得坝址以上流域的多年平均年最大24h降水量均值为102mm变差系数Cv24=0.35（Cs=3.5Cv），流域多年平均年降水量为1600mm，多年平均年径流深1000mm，多年平均年水面蒸发量1000mm，流域多年平均年陆地蒸发量是600mm。流域内植被良好，土壤以红壤土为主，雨量丰沛，主要集中在4-9月，其中4-6月以锋面雨为主，7-9月以台风雨为主。已收集的资料包括陂下水库的F=166km2，L=30.4km，J=7.82‰，μ=2.0mm/h，m=1.28。四都雨量站具有20年雨量资料，可作为计算暴雨参数的依据。但四都站没有逐时雨量资料，只有日雨量记录，难以分析参数n值。推理公式法中的暴雨递减指数n的取值随历时和频率变化，同时点、面雨量和雨力的不同也会影响n值，n的取值对设计洪峰的计算结果具有较大影响。长汀站具有38年雨量资料，且有逐时雨量记录，长汀离陂下水库的距离只有25km，考虑到n值在地区上变化不会大，可利用长汀短历时雨量资料统计分析得出的参数n值，直接移用到陂下水库。通过推求无资料地区的设计洪水过程线可以确定水库大坝的规格，进而根据设计洪水过程线做调洪演算，确定坝顶高程、水库的防洪库容等工程设计参数，对之后的设计施工具有重要的意义。

2 暴雨参数计算

小流域设计洪水计算中，由于流域面积小，所以可以不考虑降水的空间分布情况，只需要求出点雨量，由点雨量代表面雨量，且小流域汇流历时短，不考虑降水在时间分布上的分配情况，只考虑雨量的大小[9]。按照省（区、市）水文手册及《暴雨径流查算图表》上得到不同时段、不同频率暴雨变差系数、偏态系数与变差系数比值（），并查找相关图集获得有关参数，将特定历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量。对设计雨量结果取双对数，并在双对数纸上点绘各种频率P的，其斜率即为1-n，最终率定n为0.7。根据公式（2）可求出，暴雨公式见下式，计算结果见表1、表2。

表1 长汀站各种频率各种历时设计雨量成果表

表2 各种频率Sp成果表

3 设计洪峰流量的计算

水科院推理公式属于半推理、半经验的集总型概念性模型[10]，从推理公式本身的成因、概化条件以及经验性参数部分出发，必须同时注意洪水成因规律分析和与地区实测暴雨洪水资料的经验两方面，这也正是概念性模型的发展方向[11]。推理公式中：流域特征参数F、L、J为基本参数，需根据流域地形图进行量算；暴雨参数Sp与n由公式（1）和（2）计算得出、产流参数(即损失参数)μ和汇流参数m均为重要参数，采用式（3）进行迭代试算确定设计洪峰流量，确定各参数：

（1）已知陂下水库的F=166km2，L=30.4km，J=7.82‰；

（3）由龙岩地区分析结果得知：=3.0mm/h；

由式（3）可知，若已知方程组中F、L、J、等7个参数，取作为初始迭代值联立求解方程组迭代即可求出和两参数。

式中：m－汇流参数；－损失强度，mm/h；－设计洪峰流量，m3/s；－流域汇流历时，h；F－流域面积，km2。

表3 设计洪峰流量成果表

4 结束语

本文以福建长汀濯田河支流上的陂下水库为例，在缺乏实测径流资料的情况下，推求得陂下水库p=0.01%时设计洪峰流量为3004.68m³/s，p=0.2%时设计洪峰流量为1913.95m³/s，p=0.5%时设计洪峰流量为1597.50m³/s，p=2%时设计洪峰流量为1137.27m³/s，p=5%时设计洪峰流量为847.18m³/s，p=20%时设计洪峰流量为434.24m³/s。设计洪峰流量的确定为缺乏资料地区的水利工程设计施工提供了重要参考。