张振兴
(古县水利局,山西 古县 042400)
麦沟河水库拟建于山西省临汾市古县石壁乡左村上游约1.2 km 处,是一座以工、农业供水为主的综合性水利工程,距离古县县城约12 km。拟建麦沟河水库位于洪安涧河北涧的支流麦沟河下游,坝址以上控制流域面积61 km2,主河道长度18.4 km,平均比降为19.4‰。流域包括三种下垫面地类:黄土丘陵阶地、砂页岩灌丛山地和砂页岩森林山地,主要任务是为涧河工业园区提供部分工业用水,并解决水库下游农田灌溉用水问题。
古县境内水资源总量1.432 亿m3,其中地表水0.649 亿m3,地下水可采量0.783 亿m3。境内有涧河、蔺河、蔡子河、刘垣河四大水系,其中蔺河为沁河支流,其余为汾河一级支流,黄河二级支流。四大水系年平均径流量1.192 亿m3,其中清水总量0.794 亿m3,洪水总量0.398 亿m3。古县城北有一眼水位826.84 m的自流水井,静水位高出地表7.2 m,日涌水量一般为3 460 t,最大涌水量6 469 t。经有关部门鉴定,水质含锶量达0.99%,属高锶偏硅酸优质天然矿泉水。
麦沟河径流来源主要为大气降水补给,流域内无实测径流资料。洪安涧河干流有东庄水文站,该站有1969—2005 年共37 年径流实测资料,洪安涧河径流年内分配不均,汛期(7—10 月)水量占年来水量的65.5%左右。多年平均流量以8 月份最大,约占全年的23%;4、5 月流量最小,约占全年径流量的6.5%。
虽然麦沟河流域内无实测径流资料,但考虑到麦沟河下游洪安涧河干流的东庄水文站具有较好的可靠性,资料系列一致性也可以保证,因此本阶段采用无资料地区设计和径流资料推求设计两种方法进行径流计算,并进行对比分析后取最终设计径流。
2.2.1 无资料地区设计径流计算
考虑到麦沟河水库流域内无实测观测资料,流域面积也较小,本次采用《山西省水文计算手册》(以下简称《手册》)对径流进行计算、复核。年径流均值计算,包括地表年径流均值计算和基流均值计算两部分。本次地表年径流均值计算采用幂函数模型法和双曲正切模型法,基流均值计算采用数学模型法。
(1)地表年径流均值计算
①幂函数模型法
不同水文下垫面条件下,多年平均降水与地表年径流之间变化规律可用幂函数模型表示为:
b——水文分区参数。
流域平均年降水均值由《手册》附图6 可查得1956—2008 年流域平均年降水量为529.3 mm。水文下垫面分区:黄土丘陵阶地(43.5%)、砂页岩灌丛山地(42.1%)和砂页岩森林山地(14.4%)。经加权计算,参数a 值均采用28 mm。b 为水文分区参数,本工程处于水文分区中的中区,b 取2.85。
由公式计算得设计流域多年平均地表径流量为196 万m3(32.2 mm)。
②双曲正切模型法
不同水文下垫面条件下,多年平均降水与地表年径流之间变化规律可用双曲正切模型表示为:
Zmi——某产流地类可能最大损失量,mm;
th——双曲正切函数符号;
Zm——可能最大损失量,mm。其他符号含义同上。
由公式求得设计流域多年平均地表径流量为196万m3(32.2 mm)。
(2)基流均值计算
本次基流均值采用数学模型法进行计算。
c——反映流域水文下垫面综合补给条件的参数;
K0——无效相对年降水;
A——集水面积,km2;其他符号意义同上。
根据设计流域所在水文分区(中区),确定各产流地类相应的参数,流域复合参数c 和k0值分别为44 mm和0.73。计算求得基流均值为84 万m3(13.8 mm)。
(3)年径流均值计算
年径流均值由地表年径流均值与基流均值相加求得,本次采用双曲正切模型法计算的地表年径流成果与基流均值相加,得到年径流均值为280 万m3(46 mm)。
2.2.2 径流资料推求设计径流
东庄水文站位于洪安涧河南北两涧的交汇处,控制流域面积987 km2,上游多为山区,河道上无大型水利项目,自然地理环境受人类活动影响较小。水文站数据资料经当地水文局整编刊发,具有较好的可靠性。并且东庄水文站建站以来未有迁移,资料系列一致性也可以保证,因此可以采用该站数据资料进行设计径流计算和复核。
东庄水文站控制流域内产汇流条件相近,采用东庄水文站1969—2004 年共计36 年径流资料推算工程流域径流。由于该地区汛期径流占据比重较大(约占65.5%),且工程流域无实测清水流量成果,本阶段按照面积比的一次方推求麦沟河水库坝址处径流系列。采用P-Ⅲ型曲线适线,成果见表1 及图1。
表1 麦沟河水库坝址设计径流成果表单位:万m3
图1 麦沟河水库坝址年径流频率曲线图
2.2.3 合理性分析
采用有资料和无资料两种计算方法对径流进行计算,其年径流均值相差不大,可以认为计算结果是合适的。本次设计径流系列采用下列成果。
根据《手册》中要求,“对需要设计洪水流量过程线的工程,宜采用综合瞬时单位线法,也可采用推理公式法”。本次设计洪水计算,除综合瞬时单位线法计算外,还采用了推理公式法进行计算,并结合《手册》中东庄水文站洪水成果,采用面积比的0.6次方推算水库洪峰。计算结果见表2。
表2 麦沟河水库设计洪水计算成果表
从表2 结果可以看出,《手册》中两种方法计算的设计洪峰相差不大,水文比拟法结果略有差异。考虑到东庄水文站流域与工程流域相差较大(987∶61),仅用此方法对结果进行参照对比。本次设计出于工程安全角度考虑,并基于《手册》无资料地区洪水计算说明,采用综合瞬时单位线法计算成果。
3.1.1 泥沙特性
麦沟河流域属于土石山区,地形变化较大,地面植被覆盖率一般。河道输沙量变化与径流年内分配及多年变化相类似,枯水期河道输沙量极小,丰水期特大,汛期(7—9 月)输沙量占全年的80%,年内、年际输沙变化较大。根据东庄水文站1969—2004 年实测资料分析,多年平均含沙量53.02 kg/m3,多年平均输沙模数1 568 t/km2。
3.1.2 入库沙量计算
本流域无泥沙实测资料,为概算水库泥沙淤积量,在对本流域进行调查的基础上,结合附近地区有关资料,综合分析以确定设计参数,计算公式如下。
式中:R0——本流域多年平均年悬移质输沙量,t;
γ——本流域多年平均年悬移质输沙模数,t/km2;
F——本流域集水面积,km2。
流域附近有东庄水文站,气候、降水及产沙地类相似。本次设计采用东庄水文站多年平均输沙模数1 568 t/km2,乘以麦沟河流域面积61 km2,得到麦沟河水库坝址处多年平均悬移质输沙量为9.56 万t。
推移质由于无实测资料,因此根据山区河流一般规律,按照悬移质的10%考虑,多年平均推移质输沙量为0.96 万t。从而得到麦沟河多年平均输沙量为10.52 万t。
3.1.3 泥沙颗粒级配
东庄水文站泥沙颗粒级配只有1975 年后的资料,多年平均颗粒级配计算结果见表3。
表3 东庄水文站悬移质颗粒级配成果表
3.2.1 入库沙量计算
根据泥沙分析计算,麦沟河水库多年平均悬移质输沙量为9.56 万t,推移质按悬移质的10%推算,输沙量为0.96 万t。水库泥沙悬移质干容重1.3 t/m3,推移质干容重1.65 t/m3,年入库淤积沙量约7.94 万m3,其中悬移质约7.36 万m3,推移质约0.58 万m3。
水库运行按20 年考虑,不考虑排沙措施情况,20年总来沙量210.4 万t,合计158.8 万m3,其中悬移质147.2 万m3,推移质11.6 万m3。考虑排沙措施条件,水库运行20 年入库淤积总沙量为126.2 万t,合95.2 万m3,其中悬移质88.2 万m3,推移质7.0 万m3。
3.2.2 冲淤计算
(1)排沙比确定
由于水库为河槽型水库,利用异重流排沙的几率较大,主要排沙粒径为<0.02 mm 细颗粒泥沙,且河道比降较大,为19.6%。采用张启舜排沙比曲线计算,数学表达式:
式中:η——水库排沙比;
V——正常蓄水位以下淤积后的剩余库容,万m3;
Q——入库年径流量,m3/s。
经计算,水库排沙比在45%左右,考虑到水库推移质和较大颗粒泥沙,本次设计确定水库排沙比为40%。
(2)淤积形态确定
淤积形态判别根据《泥沙设计手册》中对水库泥沙淤积形态判别公式:
式中:V——时段平均库容,m3,采用正常蓄水位以下库容;
WS——时段平均入库沙量,m3,采用多年平均入库沙量;
J0——库区河床比降;
K——水库泥沙淤积形态判别参数,当K<2.2,为锥体淤积,K>2.2,为三角洲淤积。
本次设计麦沟河水库正常蓄水位以下库容为205.47 万m3,多年平均入库沙量为7.94 万m3,库区纵坡为19.6‰。经计算K=0.13。初步判定麦沟河水库为锥体淤积。
3.2.3 计算结果
根据淤积形态分析及原始库容,采用平衡比降法对麦沟河水库进行淤积计算。计算结果见表4 和图2。
图2 麦沟河水库淤积平衡形态图
表4 麦沟河水库泥沙淤积计算成果表
死水位拟定需考虑坝前泥沙淤积高程,以及取水工程布置等因素。根据水库特点及水沙特性,暂按淤积平衡时对应坝前淤积高程考虑,即上坝址坝前淤积高程794.6 m,考虑取水口预留高度,确定麦沟河水库的死水位为796 m,相应的死库容为62.3 万m3;下坝址坝前淤积高程780.2 m,考虑取水口预留高度,确定麦沟河水库的死水位为781.0 m,相应的死库容为68.8 万m3。