受水库调节影响的下游区间设计洪水探讨

陈 能 志

(福建省水利水电勘测设计研究院  福建福州 350001)

 

【摘要】在水文设计时，区间洪水通常没有实测资料，其设计洪水计算方法一般用地区综合法来计算，该方法比较简单，但计算成果通常偏大，有一定的局限性。本文通过对九龙江流域西溪下游区间的洪水特性和洪水资料进行分析研究，应用河道洪水演进模型，求得区间的洪水资料系列，再通过频率适线分析求得区间的设计洪水，该成果较地区综合法更科学合理，可供类似工程设计借鉴。

关键词：区间  设计洪水  河道洪水演进  九龙江西溪

1. 前言

现在在各条河流上水库工程已经星罗棋布，受龙头水库调节影响，下游地区（或梯级）的洪水由上游水库调节下泄流量和区间的设计洪水组合而成。下游区间洪水设计，通常采用地区综合法，或暴雨推求洪水的方法。地区综合法计算简单，但由于所采用各水文站洪水参数的样本是按年最大抽样统计的，而下游实际发生的洪峰，一般的组合方式有四种：①上游洪峰与区间洪峰遭遇，②上游洪峰遇区间非洪峰，③区间洪峰遇上游非洪峰，④上游非洪峰遇区间非洪峰。因此，根据上下游水文站洪水统计参数地区综合法求得的区间设计洪水存在偏大的可能。而暴雨推求洪水方法，由于计算过程概化的参数较多，且求得的区间洪水与上游洪水组合计算十分困难，实际中应用很少。

本文以九龙江西溪南一水库下游区间为例，提出通过上下游船场和郑店水文站的洪水资料进行处理，分析求得船场～郑店区间的洪水资料系列，对其直接进行频率适线，进而求得南一～郑店区间设计洪水（以下简称直接法）的思路和方法，并取得较好的成果，可供类似工程项目设计时参考借鉴。

2、流域概况及洪水特性

2．1  流域概况

九龙江流域位于福建省西南部，是福建省第二大河，流域面积14741km2，主要支流有北溪和西溪。西溪发源于南靖南坑、高港，流经船场、南靖、靖城、郑店、漳州市区等地，至龙海市福河与北溪相汇后于厦门港入海。西溪流域靖城以上分为花山溪、船场溪、芗江及永丰溪，靖城以下为西溪干流。西溪流域面积3940km2，河长172km。流域形状呈扇形，详见图1。

西溪上游船场溪支流上已建有南一水库，该水库是以防洪为主的大型水库，坝址以上流域面积522km2，总库容1.58亿m3，于1993年建成投入运行，对下游漳州市区（以郑店站代表）的洪水有一定的调节作用。

2．2  洪水特性及成因

根据已发生过的洪水统计分析，九龙江西溪洪水具有较明显的规律性，洪水成因主要是台风暴雨和梅雨。根据郑店水文站1952年建立以来发生的23场较大洪水（Qm≥2200m3/s，W24≥1.50亿m3）情况分析，大洪水集中发生在6月至10月上旬，发生较大洪水的原因主要是台风暴雨所致，其次是梅雨引起的。

3、洪水资料分析计算

3．1  水文测验情况

九龙江西溪流域内设有郑店、船场、龙山、柳溪四个水文站。郑店水文站（1952年设立），位于九龙江西溪干流，控制流域面积3419km2，约占整个西溪流域的86.8%，为西溪主要控制站；船场站、柳溪站均位于船场溪上。船场站（1957年设立）控制流城面积790km2；柳溪站控制流域而积仅为31.5km2，为小流域水文站；龙山水文站位于龙山溪，控制流域面积484km2。邻近地区水文测站主要有九龙江北溪的浦南、漳平、龙门、白沙站及汀江支流永定河的罗潭站等。各站水文资料系列精度较好，质量较可靠。

3．2 洪水资料还原

南一水库下闸蓄水后，由于受南一水库调蓄洪水的影响，致使下游的船场、郑店两个水文站的洪水发生变化，为了保持洪水资料系列的一致性，必须对南一水库建成（1993年）后的洪水观测资料进行处理，使之还原成天然状态。

还原计算分两步进行，首先，根据南一水库库水位及出库流量，通过水量平衡求得南一水库的坝址天然流量。其次应用马斯京根法进行河道汇流演算，先将南一水库实际下泄流量过程演进至船场站，然后将船场站实测流量过程减去上述演算后的过程，即得出南一～船场区间流量过程，再依据坝址天然流量过程演算至船场站并与已推算出的南一～船场区间流量过程叠加，即求得船场站的天然流量过程。

对于郑店站其还原计算方法也完全一样。

3．2．1  河道洪水演算基本原理

西溪流域河道洪水演进采用马斯京根法分段连续演进。联解水量平衡方程和槽蓄方程求得马斯京根法汇流公式。

水量平衡方程：

槽蓄方程：

W=K[xI上+（1-x）Q下]

马斯京根法汇流公式：

Q下2=C0I上2+ C1I上1+ C2Q下1

， ，

C0+C1+C2=1

式中：Q下2为下断面下一时刻流量；I上2为上断面下一时刻入流量；Q下1为下断面现在时刻流量，I上1为上断面现在时刻流量。△t为计算时段长，K为上下断面洪水传播时间，x为参数。

由上可知，只要确定河段的汇流时间K与参数x即可进行洪水演算。

3．2．2  河道洪水传播时间的确定

（1）南一水库至船场站的洪水传播时间

南一水库坝址控制流域面积占船场站集雨面积的66%，南一～船场区间的集雨面积较小，区间洪水也相对较小。南一坝址至船场站河段长度20.6km，其间已建有南二、南三梯级水库，使南一下泄洪水的传播时间较天然状况有所缩短。通过分析南一水库建库后几场洪水的历时过程，可知南一坝址洪水至船场的传播时间为2h，该河段洪水传播时间较稳定，在洪水大小不同的情况无显著变化。

（2）船场站至郑店站的洪水传播时间

船场站至郑店站河段长度44.6km，由于船场站集雨面积仅占郑店站的23.1%，一般情况下，其来水量占郑店洪水流量的比重相对较小，给洪水传播时间分析带来一定困难。通过分析船场、郑店两站1957年以来45年实测洪水过程资料，从中挑选以船场洪水为主或船场站来水量较大、而船场～郑店区间来水量较小这种类型的洪水过程进行分析。经统计分析，船场至郑店洪水传播时间为7～8h。当船场站流量大880m3/s时，洪水传播时间为7h；当船场站流量小于880m3/s时，洪水传播时间为8h。洪水传播时间分析成果与该河段实际应用洪水预报方案采用的数值是一样的，说明洪水传播时间成果是合理可行的。

3．2．3  参数x的确定

根据马斯京根理论：

x=1/2-L抵/2L =1/2-t抵/2K

式中：L为河段长，L抵为抵偿河长，K为传播时间，t抵为抵偿河长的传播时间。

根据船场站洪水资料，通过水位后移法分析，该站抵偿河长洪水传播时间为0.6h，即t抵=0.6h。

南一至船场河段：河道洪水传播时间k=2h时，x=0.35；

船场至郑店河段：当k=7h时，x=0.457；当k=8h时，x=0.463。

为了保证洪水演进符合线性条件，把船场至郑店长河段分为N个短河段，令每个短河段的河长Le=L/N，则每段的ke与Xe为：

Ke=Le/C=L/CN=K/N

当K=7h时，xe=0.199≈0.2；当K=8h时，xe=0.196≈0.2。

马司京根法的汇流系数用如下方法推求：

由Xe=0.2查马斯京根法分段连续流量演算汇流系数表（见《水文预报方法》，原长办主编）得：

当K=7h时，汇流系数为：

0.001,0.005,0.023,0.068,0.137,0.194,0.200,0.159,0.104,0.058,0.029,0.014,0.006,0.002；

当K=8h时，汇流系数为：

0.002,0.008,0.030,0.075,0.136,0.182,0.186,0.153,0.105,0.062,0.033,0.016,0.007,0.003,0.001,0.001

3．2．4  还原计算成果

经过还原计算，求得南一水库建成后船场站和郑店站历年最大流量Qm、最大24小时洪量W24h及最大三日洪量W3d成果。

分析1957年以后船场站和郑店站历年最大的洪水过程资料，根据马斯京根河道分段洪水演进方法，先把船场站的洪水过程演进至郑店站，再将郑店站的洪水过程减去演进后的船场洪水过程，求得船场～郑店区间的洪水过程，经分析统计求得船场～郑店区间1957年以来各年年最大流量Qm、最大24小时洪量W24h及最大三日洪量W3d资料系列成果。

4、设计洪水

4．1  洪水频率分析计算

各站年最大洪峰流量资料系列采用期望值公式计算经验频率，根据洪水经验频率和统计参数初步估计成果，采用P-Ⅲ分布，按照目估法进行频率适线，求得洪水统计参数成果，见表1。

 

各站洪水统计参数成果表

表 1

站  名	洪水要素	统计参数
		均值	CV	CS/CV
船场 （F=79Okm2）	Qm（m3/s）	9l3	0.69	3.5
郑店 （F=3419km2）	Qm（m3/s）	2370	0.65	3.5
船场～郑店区间 (F=2629km2)	Qm（m3/s）	1830	0.66	3.5

 

4．2  洪水计算

根据九龙江流域及邻近地区水文测站包括郑店、船场、龙山、柳溪、浦南、潭平、龙门、白沙、罗潭等9个测站点绘洪水统计参数地区综合线，得出九龙江流域年最大流量均值随面积比折减指数分别为0.71。

郑店站洪水由南一水库下泄流量和南一～郑店区间洪水叠加而成。南一～郑店区间的集雨面积为2897km2，与船场～郑店区间集雨面积（F=2629km2）较接近，因此，南一～郑店区间的洪水统计参数采用水文比拟法根据船场～郑店区间洪水参数按地区综合面积比指数搬用，求得的设计洪水成果见表2。

南一～郑店区间天然设计洪水成果表

表2                                    单位：流量m3/s，洪量亿m3

站  址	设计 阶段	项目	参  数			P（%）
			均值	CV	CS/CV	1	2	5
南～郑区间	直接法	Qm	1960	0.66	3.5	6820	5840	4570
	地区综合法	Qm	1940	0.71	4.0	7440	6240	4700

从表2可知，采用直接法计算的南一～郑店区间50年一遇洪水（p=2%）较地区综合法小了400m3/s，小了6.4 ％；100年一遇洪水（p=1%）小了620m3/s，小了8.3 ％。

4． 3  洪水成果合理性分析

对于南一～郑店区间的设计洪水，南一水库初设以及后来的九龙江西溪综合规划、九龙江下游防洪堤加固工程设计、西溪桥闸加固设计等皆以郑店为参证站，按地区综合面积比指数进行搬用，这是无资料地区设计洪水的一般计算方法，从理论上分析，该方法计算的区间设计洪水成果存在偏大的问题。

本次研究引进水文预报和资料整编技术，分析计算求得船场～郑店区间的洪水资料系列，以次为据，进行水文分析计算，通过地区综合指数推算南一～郑店区间的洪水统计参数，进而求得设计洪水，成果比以往方法更精确，更合理。该成果已获得上级部门和有关专家的认可，并付诸实施。

5、结论

在流域上游已建大中型水库后，其下游地区和梯级的设计洪水受上游水库调节下泄和区间来水的共同影响，做好水库下游区间的设计洪水分析计算，直接关系到下游梯级与相关地区工程的防洪安全，以及上游水库的运行调度。本文提出的设计方法和成果供南一水库防洪调度实际运用，也可供漳州市防洪工程参考使用。该方法也可供其它流域类似的工程设计和水库运行设计时参考借鉴。