享堂水文站洪峰流量还原计算分析

蒋雪琴，胡进宝

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,陕西 西安 710075）

1 概述

人类活动迅速而剧烈地改变着自然界,如植树造林、堤防工程、水电站、水库泄放水等,进而改变了原有的下垫面情势和水流形态,导致流域产汇流特性与原始自然地形地貌具有很大的不同。关于这方面的研究成果较多,如关于人类活动对流域径流的影响[1-4]、水泥条件改变[5-6]、河槽演变冲淤变化[7-8]等,上述活动有些有利于工程安全,如稳定了河槽,岸线不易变迁,使位于滩地的工程更加安全；但是多数情形下则可能使原先安全的工程重新处于不安全状态[9-11]。这些人类活动,如果在设计期间具有预判,采取了相应措施,则可以避免后续的改变；反之如不加以考虑,轻则可能使工程返工,重则发生安全、质量事故。本文以享堂水文站为例,分析人类活动对洪峰流量所产生的影响,并通过分析与上游水文站洪峰流量资料之间的关系,对享堂水文站洪峰流量进行还原,以还原到受水电站影响前的洪峰流量,从而为如何有效解决该类问题提供有益参考。

2 基本概况

享堂水文站是流域机构设立在大通河的唯一一个国家基本水文站,始建于1939 年,其主要任务是掌握大通河流域水沙变化规律,为工农业建设积累水文资料,同时为国家防总及黄河防总及时提供水文情报。享堂水文站位于甘肃省民和县川口镇享堂村,控制流域面积15130 km2,至河口距离1.9 km。

3 水文资料系列

享堂水文站建站较早,本次共收集了该站1952 年~2019 年连续的洪峰流量资料系列,同时,调查得到该站1898 年洪峰流量资料,为1730 m3/s,上述资料序列满足计算分析要求,作为分析计算依据。

2005 年以后享堂水文站洪峰流量较上游连城水文站有所减小,分析认为享堂峡水电站相对径流式发电站来说较大,但无调蓄能力。如果蓄水达到设计高度时,若需排空,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,则只要几分钟就排出。地处其大坝下游不足400 m处享堂水文站测流断面,根本无法布置测次控制洪峰过程[12-13]。

4 洪峰流量还原计算

4.1 洪水资料“三性”分析

1）可靠性分析

连城、享堂水文站建站时间较早,测验河段顺直,断面基本稳定,测验条件相对较好,测验精度较好。测验成果逐年进行在站整编、会审等工作程序,整编成果正式刊印成册,资料可靠。

2）一致性分析

大通河流域多年来没有修建较大的水利工程,近年来流域水土保持工作对产流条件有一定改变,但对河道流量没有实质性改变,且主要是对中小洪水的影响,对大洪水的洪峰流量影响不大,可以认为历年流量资料具有一致性。

享堂水文站上距享堂峡水电站约250 m~300 m,距拦水坝及泄洪闸约300 m~400 m,该水电站的建成改变了享堂水文站的水文测验特性。连城水文站、享堂水文站洪峰流量随时间变化规律见图1。

图1 连城水文站、享堂水文站洪峰流量随时间变化规律

从图1可以明显看出,2005 年以后,享堂水文站洪峰流量较连城水文站偏小,分析原因主要是由于享堂水文站水文测验受上游水电站泄水影响所致。

3）代表性

（1）系列丰、枯变化规律分析

绘制连城水文站年最大洪峰流量与历时关系图,见图2。

图2 连城水文站历年最大洪峰流量过程线图

在 57 年洪水系列中,连城水文站大洪水年有1974 年、1989 年、2006年、2013年等,一般洪水年有1970年、1990年、2002年、2008年、2009年、2011年、2012年、2014年,枯水年有1973年、1979年、1985年、2004 年等。 绘制享堂水文站年最大洪峰流量与历时关系图,见图3。

图3 享堂水文站历年最大洪峰流量过程线图

在68 年洪水系列中,享堂水文站大洪水年有1974年、1989 年等,对比图1,2005 年以后洪峰流量享堂水文站较连城水文站均有所减小。黄委会上游水文水资源局陈建宏等人分析享堂峡水电站无调蓄能力。如果蓄水达到设计高度时,若需排清,以1540 m3/s（50 年一遇洪水）下泄,则只要几分钟就排出。地处其大坝下游不足400 m处享堂水文站测流断面,根本无法布置测次控制洪峰过程。

（2）均值、Cv值与历时关系分析

计算连城水文站正时序累加洪峰流量均值和变差系数Cv值,并点绘与历时关系图,见图4和图5。从图上可以看出,系列越短,变幅越大,随系列增长,均值的变幅越来越小,最后趋于稳定；同样对于变差系数,年份系列越短时,变幅越大,随着年份的逐渐增加,Cv值逐渐趋于稳定。

图4 连城水文站洪峰流量均值与历时关系

图5 连城水文站Cv与历时关系

计算享堂水文站正时序累加洪峰流量均值和变差系数Cv值,并点绘与历时关系图,见图6 和图7。从图上可以看出,系列越短,变幅越大,随系列增长,均值的变幅越来越小,最后趋于稳定；同样对于变差系数,年份系列越短时,变幅越大,随着年份的逐渐增加,Cv值逐渐趋于稳定。

图6 享堂水文站洪峰流量均值与历时关系

图7 享堂水文站Cv与历时关系

4.2 洪峰流量计算

收集了连城水文站1953年~1957年、1968年~2019年两个系列的洪峰流量资料,合并使用。收集了享堂水文站1952年~2019年连续的洪峰流量资料系列,同时,调查得到该站1898年洪峰流量资料,为1730 m3/s。

根据前述分析,享堂水文站受上游水电站运行影响,导致洪峰流量明显偏小,点绘连城水文站和享堂水文站1968年~2005 年洪峰流量资料,见图8,从图中可以看出,两水文站洪峰流量存在明显的相关关系,根据相关成果,对享堂水文站2005 年以后洪峰流量进行还原,以还原到受水电站影响前的洪峰流量。

图8 连城、享堂水文站1968年～2005年洪峰流量相关关系

根据上述资料，采用P-Ⅲ型频率曲线适线，结果见表1。

表1 参证站设计洪水计算结果 单位：m3/s

5 成果合理性分析

享堂水文站由于受水电站运行影响,导致实测洪峰流量偏小,采用还原后享堂水文站频率适线成果。

与《湟水流域综合规划》中大通河干流连城、享堂水文站100年一遇洪水流量计算成果对比,本次适线成果与该规划基本一致。

从连城水文站、享堂水文站适线成果及上下游关系看,洪峰流量、洪量的平均值及同频率设计值从上游向下游递增,但上下游相差不大,符合大通河流域的洪水特性。

因此,还原后的洪水计算成果是合理的。