湖北省云溪水库设计洪水分析

陈亚健,瞿兰兰

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局,湖北 武汉 430010)

0 引 言

水库设计洪水成果在工程的除险加固阶段至关重要,可为工程的加固建设规模以及后续运行管理方案的制订提供参考。无实测流量资料的水利工程一般采用雨量资料计算暴雨参数进行暴雨设计,再用设计暴雨推求设计洪水[1-3]。

云溪水库位于陆水上游支流菖蒲港分支云溪港上,是一座以灌溉为主,兼有防洪、供水、发电等任务的中型水库。主坝坝址坐落在通城县关刀镇上游12 km处,距通城县城18 km。水库控制流域面积48.3 km2,总库容4 621万m3。云溪水库地理位置重要,水库下游保护通城县城、106国道等重要城镇及基础设施,保护耕地0.33万hm2(5万亩),保护人口8万。云溪水库于1970年1月经湖北省水利厅及咸宁地区水利局批准,由通城县水电局设计,于1970年7月23日正式开工,1971年6月基本建成,后经1973～1983年和2003年两次加固形成现有规模。云溪水库于2004年开展除险加固工程,该次设计洪水计算首先通过查询《湖北省暴雨径流查算图表》和《湖北暴雨统计参数图集》来确定暴雨设计参数,同时采用通城站1958～2003年1,6,24 h实测暴雨资料进行频率分析,后续采用推理公式法和瞬时单位线法推求设计洪水,最终采用瞬时单位线法成果。水库投入运行以来,为通城县的经济发展做出了较大贡献。2015年8月,水利部大坝安全管理中心对云溪水库三类坝安全鉴定成果进行了书面核查和现场核查,同意云溪水库大坝为三类坝的结论,提出需要进行除险加固。除险加固需要对水库设计洪水进行计算,分析最不利情况下的工程安全情况[4]。茹浚威[5]通过流域暴雨资料和设计洪水参数对李夫田水库除险加固工程设计洪水复核计算,并进行调洪分析。代超等[6]通过邻近站的暴雨资料确定暴雨参数,并对比分析了查图法、推理公式法和水文比拟法的设计洪水结果。柴扬[7]在对渠首工程除险加固工程洪水分析计算时,采用P-Ⅲ曲线确定参证站的统计参数并计算了洪峰流量。樊孔明等[8]在对棉花滩水库设计洪水复核计算时,修正了洪水资料的一致性再计算洪水频率。由于云溪水库没有流量资料系列,本文根据暴雨资料推算设计洪水[9-10],通过查图和实测资料两种方法推求设计暴雨,采用推理公式法和瞬时单位线法分别计算洪水,并与原除险加固成果进行对比,旨在为云溪水库除险加固工程提供参考。

1 流域水文气象特性

陆水流域气候温和,平均气温16.1 ℃,实测最高气温39.1 ℃,最低气温-15.2 ℃,多年平均最大风力10级,风向为东南。云溪河属雨洪河流,水量丰沛,多年平均降雨量为1 600 mm,多年平均雨日为120 d,实测最大年降雨量达2 600 mm,最小年降雨量1 100 mm。云溪水库多年平均入库径流量为4 070万m3,径流年内分配不均,3～8月径流量占年径流总量的80%,5～6月最为集中,占40%。云溪河洪水多发生在6～7月,系梅雨期大暴雨形成。根据本次对云溪水库降雨洪水统计资料分析,云溪水库建库前后,流域暴雨洪水特征基本一致。

2 设计暴雨

根据2008年的《湖北省暴雨径流查算图表》《湖北暴雨统计参数图集》(简称“《图表》《图集》”),查出1,6,24 h暴雨设计参数,同时采用通城站1958～2021年1,6,24 h实测暴雨资料进行频率计算,频率曲线见图1～3,成果见表1。本次将系列延长至2021年后,其中1999年出现特大暴雨,6,24 h降雨量分别为234.6,384.6 mm;2011年出现特大暴雨,6,24 h降雨量分别为250.0,276.5 mm;2016年出现特大暴雨,6,24 h降雨量分别为227.5,263.5 mm。这3 a最大24 h暴雨均达到特大暴雨标准,相当于20～100 a一遇,结合实测洪水对比分析,1999,2011,2016年洪水量级只相当于20 a一遇洪水,因此本次暴雨频率计算中不作特大值处理。

表1 云溪水库设计暴雨

注:Ex为均值,Cv为变异系数,Cs为变差系数。图1 通城站最大1 h频率曲线Fig.1 Maximum 1 h frequency curve of Tongcheng Station

图2 通城站最大6 h频率曲线Fig.2 Maximum 6 h frequency curve of Tongcheng Station

图3 通城站最大24 h频率曲线Fig.3 Maximum 24 h frequency curve of Tongcheng Station

对暴雨资料和设计成果再次复核,对1,6,24 h的暴雨设计参数Cv进行了调整,使不同时段的Cv之间合理协调,经复核后,采用本次暴雨设计成果。

本次1 h设计暴雨成果与《图表》和原除险加固成果相当,6,24 h设计暴雨成果有所增加。本次暴雨设计成果比《图表》和原除险加固成果有所增加。从设计安全角度考虑,推荐采用本次通城站设计暴雨成果作为云溪水库设计洪水成果复核依据。

3 云溪水库设计洪水推求

云溪水库没有流量资料系列,只能根据暴雨资料推算设计洪水。根据SL 44-2006《水利水电工程设计洪水规范》,《图表》和《图集》由相关部门审定发布,可作为计算设计洪水的一种依据。按照“一法为主、多法比较、合理选用”的原则,采用推理公式法和瞬时单位线法分别计算洪水,并综合选用[11]。

3.1 推理公式法

《图表》以原水科院推理公式方法为基础,采用湖北省编制的设计暴雨参数,根据具体情况在某些计算环节上作了一些改进,推得设计条件下全面汇流的洪峰流量计算公式[12]为

(1)

3.2 瞬时单位线法

云溪水库属于《图表》中瞬时单位线分片的第Ⅱ片区,参数m,n的地区综合经验公式[13]为

m=0.82F0.29×L0.23×J-0.2

(2)

因为J>5‰,则:

n=0.34F0.25/J-0.2

(3)

式中:m,n为与汇流有关的参数;F为流域面积,km2;L为主河道长度,km;J为主河道坡降,‰。m值已参照《图表》中所列公式及表格作了非线性改正。

由S(t)查算表,将瞬时单位线转换成1 h 10 mm的时段单位线,再按《图表》中给出的雨型、前期影响雨量及稳渗、地下水计算经验公式即可推得各种频率的设计洪峰流量。

3.3 成果对比分析

对不同的设计洪峰流量成果列表进行分析,见表2。原除险加固成果中,3.33%频率下的设计洪峰流量进行了非线性改正,而本文计算时按照手册要求,对频率2%以上的成果未作线性修正。云溪水库邻近的百丈潭水库集水面积为21.5 km2,千年一遇洪峰模数29.6 m3/(s·km2),云溪水库千年一遇洪峰模数28.9 m3/(s·km2)。两者相比,云溪水库洪峰模数较百丈潭水库要小。一般情况下,随着面积增大,洪峰模数减小,成果符合一般规律。总体来看,本次采用推理公式法及瞬时单位线法推求的设计洪峰流量成果与原除险加固成果基本一致。同时,利用收集的湖北省小流域设计洪水洪峰Qm与面积F关系图(图4)可以看出,本次计算的0.1%,1%频率下的设计洪峰流量值位于0.1%～1%外包线之间,表明成果比较合理,故本次计算的设计洪水成果符合本地区规律。不同频率设计洪水过程线(除险加固成果)见表3。

表2 云溪水库设计洪峰流量对比

表3 云溪水库设计洪水过程线

注:直、间分别表示直接法和间接法。图4 湖北省Qm -F关系Fig.4 Qm-F relationship in Hubei Province

4 结 论

对云溪水库除险加固进行设计洪水分析计算,由于没有实测流量资料,选择用设计暴雨推求设计洪水,采用推理公式法和瞬时单位线法两种方法计算设计洪水,并将计算结果与原除险加固成果进行对比分析。0.1%～1%频率洪水设计成果与原除险加固成果差别在5%以内,相差不大,且千年一遇设计洪峰较原除险加固成果略小,因此仍推荐采用原除险加固成果。