浅析倒天河水库下游河道治理工程设计洪水计算

陈天虹

(贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700)

1 概 况

倒天河为白甫河上游河段，白甫河为长江流域乌江水系六冲河左岸的一级支流，白甫河发源于七星关区野角乡官寨村，河源高程2030.60 m。白甫河流域东与野纪河流域相邻，西以乌箐山为界，南接六冲河，北与赤水河流域毗邻。按河谷地貌及河道特征分为上游、中游、下游三段：河源至毕节市大新桥办事处响水滩为上游；响水滩至继炎桥为中游；继炎桥以下为下游。白甫河由西北向东南流经七星关区何官屯、大新桥、七星关城区、鸭池、梨树及大方县双山、高店、小屯、理化等地，在大方县牛场乡辣子寨汇入六冲河。白甫河全流域面积2344 km2，主河道总长116 km。

本次河道治理范围为毕节市德沟新城区倒天河中上游段，自流仓坝起，至肖家院止，原河道全长3.74 km，整治后长为3.60 km。设计中综合考虑了毕节市城市发展规划和河段全面整治的总体要求及相应设防标准，本治理河段上游倒天河水库大坝加高扩建工程按100 a一遇的防洪标准设防。倒天河水库坝址以上集雨面积147.0 km2，占治理河段末端断面集水面积(197.1 km2)的74.6%。由于倒天河水库坝址以上集水面积占比大，研究水库滞洪、调洪及削峰作用对下游治理河段设计洪水的影响，对河道治理工程规模确定和堤防安全具有重要意义。

2 设计洪水

2.1 参证站选取

设计流域内有龙汉、白龙地滩和后箐雨量站、毕节气象站、徐花屯水文站、响水滩水文站。

通过对周边水文测站的分布情况分析可知，响水滩水文站资料年限太短，且为亏水流域，不宜选作参证站。徐花屯水文站位于流域内，下垫面条件、流域闭合情况与设计流域相似，且资料序列较长，符合设计规范要求。因此选取徐花屯水文站作为设计流域参证站是最为合适的。

毕节市气象站距本次治理河段流域中心直线距离为4 km，观测方法采用自记与人工结合，汛期进行四段制、八段制观测，枯季采用二段制观测，降水及蒸发资料能够从降水变化趋势上反映流域降水特性。该站具有较完整的降水、蒸发观测资料，资料精度高，且毗邻本次设计河段，其所形成的洪水对控制断面影响最直接，可作为本次设计参证站。

2.2 设计暴雨

本次采用毕节气象站作为参证站，将毕节气象站1951—2020年共70 a资料统计，采用数学期望公式Pm=m/(n+1)×100%计算经验频率，矩法初估统计参数初值，采用P-Ⅲ型理论频率曲线目估适线确定统计参数，多年平均最大1 d暴雨量为68.4 mm，变差系数Cv=0.34，Cs=3.5Cv，最大24 h暴雨量与最大日暴雨量的换算系数为1.12，则毕节气象站年最大24 h暴雨量均值为H24 h=76.6 mm。

结合贵州省水文水资源局分析成果“贵州省年最大24 h暴雨均值等值线图和贵州省年最大24 h暴雨Cv等值线图”，设计流域年最大24 h暴雨均值在70～80 mm之间，设计流域中心内插值77 mm，最大24 h暴雨变差系数Cv在0.40～0.45之间，设计流域中心内插值0.42。结合等值线图和毕节气象站统计资料，本次设计成果流域暴雨统计参数采用：H24 h=77 mm，Cv=0.42，Cs=3.5Cv。如表1所示。

表1 工程河段设计暴雨参数计算成果

2.3 设计洪水

本次河道治理采用水文比拟法、雨洪法、地区综合法计算法计算治理河道断面的洪水，并以历史洪水验证其合理性。

2.3.1 水文比拟法计算洪水

本次根据徐花屯水文站1975—2006年实测洪峰流量系列，结合历史洪水调查成果，对徐花屯水文站的设计洪水进行复核。利用徐花屯水文站1975—2006年实测洪峰流量系列，2006年实测洪峰作为特大值处理，并结合徐花屯水文站的历史洪峰调查(调查到1876年及1955年历史洪峰)，进行 P-Ⅲ型曲线适线计算，得到徐花屯水文站洪峰流量均值为48.9 m3/s，变差系数Cv=1.13，Cs=4.0Cv。如表2所示。

表2 徐花屯水文站设计洪水成果

按下列水文比拟法算式分别求得防洪各断面洪峰流量，如式(1)，成果见表3。

(1)

表3 防洪断面洪水成果(水文比拟法) m3·s-1

式中：QP设、QP徐分别为设计断面及徐花屯水文站规定频率P的洪峰流量，m3/s；F徐为徐花屯水文站的集水面积，取104.8 km2；F设为设计流域面积，km2；n为面积影响指数，取0.75。

2.3.2 雨洪法计算洪水

结合流域实际情况及参证站选取情况，设计洪水计算采用“雨洪法”计算，按照《贵州省暴雨洪水计算实用手册》[1]的相关应用公式有所不同，如式(2)、式(3)：

当25 km2≤F<300 km2，且θ>30，

QP=0.357γ0.922·f0.125·J0.082·

(2)

当25 km2≤F<300 km2，且θ≤30，

QP=0.357γ0.922·f0.360·J0.240·

(3)

将相关参数代入计算公式，求得各河段洪峰流量，成果见表4。

表4 防洪断面洪水成果 (雨洪法) m3·s-1

2.3.2 地区综合法计算洪水

地区综合法即采用倒天河水库下泄洪水与区间洪水组合法，根据《毕节市倒天河水库工程闸门结构复核及运行调度方案报告》(2011年)，倒天河水库为坝顶溢流，堰顶高程1553.30 m，布置3孔4 m×6 m(h×b)弧形钢闸门。倒天河水库起调水位为正常蓄水位(1557.30 m)，当5 a一遇洪水时，为了保证下游河道安全，3扇闸门按涨率逐孔开启至1.2 m开度，此时最大下泄流量为116 m3/s，相应水位为1557.41 m，当20 a一遇洪水时，3扇闸门按涨率逐孔开启至1.2 m开度，倒天河水库的安全泄量为131 m3/s，相应水位为1558.19 m。当50 a一遇洪水时，3扇闸门按涨率逐孔开启至1.2 m开度，此时最大下泄流量为148 m3/s，相应水位为1559.47 m。当500 a一遇洪水时，3扇闸门按涨率逐孔开启至1.2 m开度进行限泄，但是当水位高于1559.47 m时，为确保大坝安全，不再限制下游流量，闸门正常全部开启，校核洪水位为1559.74 m。调洪成果见表5及图3、图4。

图3 倒天河水库(P=1%)调洪演算

图4 倒天河水库(P=2%)调洪演算

表5 倒天河水库洪水调节计算成果

区间(肖家院断面)主河道长13.3 km，区间集雨面积49.7 km2，坡降5.57‰，几何特征值θ=28.3，洪水采用前述雨洪法计算洪水的公式。则计算可得到区间各断面洪水洪峰流量，成果见表6。

表6 防洪断面区间洪水成果 m3·s-1

将区间各断面的洪水过程线与倒天河水库的下泄洪水过程线叠加可得治理断面的设计洪水，成果见表7。

表7 防洪断面洪水成果(地区综合法) m3·s-1

2.4 洪水成果选取

根据表3、表4及表7，对比水文比拟法、雨洪法及地区综合法计算的洪水成果，雨洪法和水文比拟法的洪水成果比地区综合法偏大，这两种方法均没有考虑上游倒天河水库的滞洪、调洪及削峰作用，其计算结果仅作为比较分析。结合工程安全性及流域实际情况，治理河段距离倒天河水库较近，倒天河水库集水面积占末端断面以上集水面积的74.6%，根据倒天河水库调洪成果表，其建成后对20 a一遇以上洪水削峰作用明显，建库后20 a一遇洪峰流量削减了42%，对本河段的削峰作用明显，故需要考虑倒天河水库削峰作用。因此，选取成果较小的洪水成果(地区综合法)作为设计洪水，这是合理的，也是安全的[2-3]。

2.5 洪水合理性分析

(1)暴雨统计参数，以毕节气象站主要参证站，采用的最大24 h暴雨统计参数与《贵州省短历时暴雨图集》中相关等值线图基本一致，设计暴雨成果较为合理。

(2)地区综合法选用了毕节市气象站最大24 h暴雨参数，并结合贵州省短历时暴雨统计参数等值线图，从偏于工程安全角度考虑，综合取值确定了设计流域各短历时暴雨统计参数，计算方法、参数选择合理，考虑上游倒天河水库调洪作用，计算成果符合流域实际情况。

(3)调查成果，2006年6月28日倒天河流域发生了一次历史性的实测最大洪水，倒天河水库区徐花屯水文站实测洪峰流量217.0 m3/s，坝址相应达295.1 m3/s。据毕节市水文水资源局在城区实测和调研分析，该次流域性大水经倒天河水库滞洪削峰后最大下泄163.0 m3/s，“城区五龙桥断面(控制流域面积F=146.3 km2)的实测洪峰流量为203.0 m3/s，仅相当于该河段的20 a一遇洪水”(摘自毕节市水文水资源局2007年编《毕节市倒天河流域2006.6.28暴雨洪水分析》专题报告)。据此，按水文比拟法(该面积指数由贵州省水利水电设计院在倒天河水库加高扩建初步设计等文件中分析确定n=0.75)推算至本设计河段各控制断面的设计流量分别对比列于表8。

表8 P=5%下倒天河城区河段设计洪峰与2006年历史洪水对比

可见表8所列设计河段各控制断面20 a一遇设计洪峰流量与2006年20 a一遇洪水相比，仅少0.5%～4.0%，表明地区综合法计算的河段设计洪水成果是基本合理的，可以作为设计河段设计水面线推算的具体依据。

3 结 论

本文以贵州省毕节市七星关区倒天河河道治理工程为例，治理河段上游有倒天河水库，水库坝址以上集水面积占河道治理末端以上集水面积比例为74.6%，占比较大，设计洪水考虑上游水库的削峰影响，以水文比拟法、雨洪法和地区综合法进行设计洪水计算，结合流域内历史洪水调查进行综合分析，推荐采用地区综合法计算成果，设计断面洪水=水库同频率下泄+水库与设计断面区间同频洪水，经洪水合理性分析，成果安全合理，可为其他山区河道治理工程设计洪水计算提供借鉴。