付雯琪，安占刚

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

1 研究背景

设计洪水是确定河道开发治理方案的基础,也是涉水工程规划设计、防洪减灾规划的核心技术环节[1][2]。近年来,随着江河的治理与开发,流域上中游主要干支流分布着调蓄作用较大已建成或近期即将建设的梯级水库,对下游断面设计洪水的影响越来越突出[3][4]。我国《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 144—2006）中规定：“当设计断面上游有调蓄作用较大的水库或水库对下游有防洪任务时,应对大洪水的地区组成进行分析,并拟定设计断面以上或防洪控制断面以上设计洪水的地区组成”[5]。目前计算受上游水库调蓄影响的设计洪水计算方法主要有地区组成法、频率组合法、随机模拟法等[6][7]。但是在无资料地区,受水库影响的下游设计洪水计算难以用以上方法进行分析计算。为此,本文提出削峰影响量法,通过计算上游水库消峰对下游设计断面天然洪峰的影响量来推求设计洪水,为研究受水库调蓄影响的设计洪水分析计算提供新途径。

2 研究方法

削峰影响量是上游水库调蓄对下游设计断面天然洪峰产生的削减量,则下游断面设计洪峰流量为该断面天然洪峰流量与上游水库对该断面的消峰影响量之差,即：

式中：Q设，设为下游设计断面设计洪峰流量,m3/s；Q设，天为下游设计断面天然洪峰流量,m3/s；Q影响量为上游水库调蓄对设计断面的消峰影响量,m3/s。

削峰影响量是设计洪水分析研究的关键,主要与上游水库消峰流量、区间洪水补偿、水库天然洪峰与设计断面天然洪峰比值等因素有关,具体分析如下：

（1）上游水库消峰流量：水库消峰流量代表水库本身对洪水的调蓄能力,其值越大,表明该水库对洪水的削减能力越强,则对下游设计断面天然洪峰产生的削减量就越大,反之亦然。

（2）区间洪水补偿影响：上游水库的消峰作用对下游断面的影响大小（即削峰影响量）与水库与下游断面的距离有关,距离越近,影响越大,距离越远,影响越小。这是因为区间洪水对下游断面洪峰流量有补偿作用,是由流域洪水自然特性决定的。

（3）水库天然洪峰与下游断面天然洪峰的比值：在上游水库削峰流量一定的情况下,若水库坝址天然洪峰在下游设计断面天然洪峰流量中所占的比例越高,则削峰影响量在下游设计断面保持的比例越高,对设计断面的消峰影响量越大,反之亦然。

基于以上分析可知,当下游断面与上游水库坝址天然洪峰流量越接近时,下游断面受到水库调蓄影响就越显著,削峰影响量越大,则上游水库消峰流量在下游设计断面保持的比例越高,反之亦然。即上游水库天然洪峰占下游设计断面天然洪峰比例与上游水库消峰流量在下游设计断面保持的比例同向变化,表达式如下：

式中：K1为上游水库消峰流量在下游设计断面保持的比例,%；K2为上游水库天然洪峰占下游设计断面天然洪峰比例,%；C为削峰影响系数；Q库，削为上游水库消峰流量,m3/s；Q库，天为上游水库天然洪峰流量,m3/s；其他参数意义同前。

同一流域,由于气候、下垫面等条件相似,可认为削峰影响系数为常数。则由公式（1）～（4）可推算得受上游水库调蓄影响时,下游设计断面的设计洪峰流量为：

3 研究实例

3.1 流域概况

秃尾河地处陕西省北部的神木市,是黄河流域的重要一级支流,也是神木市重要饮用水源地和产业园区所在地,沿线蕴含悠久的历史文化与陕北特色景观风貌,具有重要的生态战略地位。秃尾河上游由宫泊沟、圪丑沟两大支沟汇合而成,汇合口乌鸡滩以下为秃尾河干流,自西北向东南流经锦界镇、高家堡,大保当,在万镇的河口岔村注入黄河。河流全长133.9 km,总面积3373 km3,水系呈羽状发育。秃尾河在1966 年设立了高家堡水文站,在1955 年设立了高家川水文站,分别位于流域的中游和下游,是流域的控制性水文站。

秃尾河上游依次坐落瑶镇、采兔沟两座水库,是陕北能源重化工基地供水的骨干水源工程,对下游洪水有一定调蓄作用。本文重点研究上游水库调蓄对下游高家堡水文站设计洪峰流量的影响。

图1 秃尾河流域图

3.2 上游水库设计洪水计算

（1）瑶镇水库

瑶镇水库坝址以上断面主要为风沙草滩地貌,以邻近海流兔河韩家峁水文站作为参证站,依据其设计洪水成果按面积比拟法推算得到瑶镇水库坝址设计洪水成果。将韩家峁水文站1966 年8 月13 日典型洪水过程线按1 日及3 日洪量设计成果放大,得到瑶镇水库各频率设计洪水过程线；再依据水库水位-库容关系曲线、水库泄流曲线,对瑶镇水库各频率洪水进行调洪演算,得到相应下泄流量,其成果见表1。瑶镇水库30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰分别为79 m3/s、62 m3/s、36 m3/s和14 m3/s,水库削峰流量分别为58.5 m3/s、46.1 m3/s、28.5 m3/s和8.6 m3/s。

表1 瑶镇水库各频率设计洪水成果表

（2）采兔沟水库

瑶镇水库—采兔沟水库区间主要为沙漠区,坝址附近有少部分黄土沟壑地貌。由于两种地貌的产汇流条件不同,因此计算采兔沟水库坝址的洪水时,需按不同的下垫面情况分别计算,将流域分为风沙区和黄土沟壑区两种。

根据采兔沟水库初步设计报告等相关资料,水库坝址30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分别为272 m3/s、228 m3/s、166 m3/s和97 m3/s,考虑上游瑶镇水库调蓄影响后的洪峰流量分别为231 m3/s、197 m3/s、148 m3/s和91 m3/s。依据采兔沟水库调洪原则和水位-库容关系曲线、水库泄流曲线,对水库各频率洪水进行调洪演算,得到相应频率的下泄流量分别为57.1 m3/s、57.1 m3/s、57.0 m3/s和57.0 m3/s,水库削峰流量分别为174 m3/s、140 m3/s、91.0 m3/s和34 m3/s。

表2 采兔沟水库各频率设计洪水成果表

3.3 设计断面天然设计洪水

秃尾河流域瑶镇水库2001 年9 月29 日开工建设,2003 年10 月底全面竣工,采兔沟水库于2005 年9 月1 日开工建设,2008 年11 月底完工,2009 年10 月下闸试运行蓄水。因此选择高家堡水文站1966 年～2002 年37 年实测最大流量作为天然洪水系列进行经验频率计算,并用P-Ⅲ曲线适线确定统计参数,计算成果见表3。高家堡站30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇、5 年一遇天然洪峰流量分别为1410 m3/s、1280 m3/s、1040 m3/s和790 m3/s。

表3 设计断面天然设计洪峰流量成果表

3.4 受上游水库调蓄影响的设计洪水

（1）瑶镇水库调蓄对采兔沟坝址洪水的消峰影响

对于30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水而言,瑶镇水库坝址天然洪峰占采兔沟水库坝址天然洪峰的比例（K2）平均为23.1%。而瑶镇水库削峰流量在采兔沟水库保持的比例（K1）为66%,即瑶镇水库若对某一频率洪水的消峰流量为100 m3/s,则采兔沟水库天然洪峰流量消减66 m3/s。根据公式（2）推算得到瑶镇水库调蓄对采兔沟水库设计洪水的削峰影响系数C为2.85。

由表4可知：瑶镇水库消峰流量在下游采兔沟坝址断面保持的比例（K1）为66%；瑶镇水库天然洪峰占采兔沟坝址天然洪峰的比例（K2）为23.1%；消峰影响系数（C）为2.85。

表4 瑶镇水库调蓄对采兔沟坝址设计洪水的消峰影响量表

（2）受采兔沟水库调蓄影响的高家堡水文站设计洪水

采兔沟水库30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇天然洪峰流量平均是高家堡站相应频率天然洪峰流量的16.3%（K2）。根据削峰影响系数2.85 推算,采兔沟水库消峰流量在高家堡站保持的比例为46.5%（16.3%×2.85）,即采兔沟水库30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇和5 年一遇洪水的消峰流量在高家堡站的保持量分别为80.9 m3/s、65.1 m3/s、42.3 m3/s和15.8 m3/s。从高家堡站天然洪峰流量中减去此消减量,得到受上游水库调蓄后的高家堡站设计洪峰流量分别为1330 m3/s、1220 m3/s、998 m3/s和774 m3/s,见表5。

表5 高家堡站受上游调蓄后的设计洪峰流量成果表

4 结论

水库调蓄对下游防洪断面设计洪水计算、流域规划、工程设计等有较大影响。针对无资料地区难以采用常规方法推求受上游水库影响的设计洪水计算问题,本文提出削峰影响量法进行分析计算,初步结论如下：

（1）削峰影响量是上游水库调蓄对下游设计断面天然洪峰流量产生的削减量,断面天然洪峰流量与上游水库对该断面的消峰影响量之差即为设计洪峰流量；

（2）上游水库对下游设计断面的消峰影响量与上游水库天然洪峰占下游设计断面天然洪峰比例间同向变化；

（3）本方法的关键是推求消峰影响系数,在有本地区类似水库资料反推的情况下,方法是可行的。不同地区间的借用和水库调洪机制不同情况下的使用,有待进一步研究。