工程设计中入库洪水的作用

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：水布垭水利枢纽位于清江中游下段，坝址以上控制面积10860km2，干流入库点在恩施附近。表6.1清江流域干支流部分站水位流量观测时间统计表典型区间入库洪水计算。表6.2给出了各年不同汇流参数渔峡口典型年检验结果。把渔峡口以上分为恩施以上及上、下区间三部分，恩施至太阳沱为上区间，太阳沱至渔峡口为下区间，见表6.3，用马斯京根反演法分别求上、下区间入库洪水。

有些水库的入库与坝址洪水差别很小，调洪结果相差则更小，在这种情况下，规划设计时仍可采用坝址洪水成果；而有些水库的入库洪水与坝址洪水差别较大，若仍以坝址洪水作为水库设计的依据，其成果会偏小很多，对水库的安全运行及其下游的人民生命财产带来威胁。现行SL44—2006《水利水电工程设计洪水计算规范》规定对具有水库的工程，当水库形成后产汇流条件有明显改变，采用坝址洪水对调洪结果影响较大时，应以入库设计洪水作为设计依据。根据现行《水利工程水利计算规范》的要求，对于建库前天然河槽蓄量较大以及库尾开阔、动库容较大的水库要进行入库洪水分析计算，并进行调洪演算，以确定入库洪水对调洪结果的影响，并进一步确定水库的相关设计参数。

当拟建水库在水库形成后，干、支流洪水易发生遭遇、槽蓄有明显变化，雨洪时空分布较特殊时，需深入分析入库洪水；在水库下游有重要防洪对象，防洪标准高的水库，必须深入分析其入库洪水，保证水库的安全运行。

【实例】　清江水布垭水利枢纽入库设计洪水分析计算

（1）基本情况。清江是长江出三峡后的第一条大支流，流域呈南北窄、东西长的狭长形，流域面积约17000km2。水布垭水利枢纽位于清江中游下段，坝址以上控制面积10860km2，干流入库点在恩施附近。恩施控制面积2928km2，区间集水面积为7932km2，分别占坝址以上总控制面积的27%和73%。库区区间流域面积在500km2以上的有4条，分别为忠建河、马水河、野三河、龙王河。水布垭水利枢纽上下游水文资料情况见表6.1，测站分布见图6.1。

表6.1　清江流域干支流部分站水位流量观测时间统计表

（2）典型区间入库洪水计算。根据典型年选择的原则，结合坝址设计洪水情况，选择1968年、1969年、1989年、1997年4年为典型年，分别推求各典型年入库洪水过程。推求方法采用了流量叠加法、流量反演法以及以上2种方法的混合法等3种方法。

图6.1　清江水布垭坝址以上流域水系示意图

1）流量叠加法。由于恩施至渔峡口之间未控面积太大，入流加入分散，按等流时线的原则，将未控面积分成8个等流时块，如图6.2所示，分别计算各块的入库洪水过程，各块（河段）的入库洪水过程同时叠加就得出了未控面积的集总入库洪水过程。

图6.2　清江中上游部分测站及等流时块示意图

①产流计算。根据雨量站点分布情况，各块分别均匀选站，对无时段降水摘录测站，则借用邻近测站资料插补，用算术平均法计算分块单元时段面平均降雨。

水布垭水库恩施至渔峡口之间未控面积的产流方案是据恩施水文站与渔峡口水文站20世纪90年代以前的实测洪水及区间实测降水资料分析而得，对实测洪水进行分割后求得地面径流量，渔峡口与恩施两水文站相应地面径流量相减得出区间地面径流量R，用区间前15天的降水计算前期影响雨量Pa，点绘区间P—Pa—R的相关关系（P为区间面降雨量），分别定出以Pa为参数的面降雨量P与径流R的关系曲线。据计算的分块降雨量可查得相应的径流量。

②汇流分析计算。根据前述的产流方案和修正系数，假设不同的汇流参数，分块演算到渔峡口，并与恩施实测流量演算至渔峡口过程叠加，以与渔峡口实测洪水的峰、量及过程线拟合最佳为原则进行率定，河槽汇流曲线采用长办汇流曲线，它描述的是一定历时的单位入流，从河道的某一断面注入后，经若干河段的河槽调节作用，在出流断面产生的出流过程，其公式为：

式中：Pn为第n河段的汇流曲线的纵坐标值，通常称为汇流系数；m＝t／τ，t为时间，h；τ为一个河段的平均汇流时间，h；n为流经的河段个数；mk＝tk／τ，tk为入流终止时刻，自入流开始为时间起点，则Δt＝tk；e为自然对数的底；M＝m－mk从入流终止时起计的相对时间。

在运用中首先要确定参数n、τ，采用试算法，计算出n与τ，使计算的流量过程与实测过程符合最好，依此原则最后确定所采用的参数n、τ值。对于第n个河段在出流断面的出流，计算方法与单位线相同，Pn相当于单位线，净雨通过产流方案求得。n个河段的出流过程在出流断面同时叠加得到流域的出流过程。

参数率定方式分为假定各年汇流参数相同，又分为河道、坡面汇流参数相同和不同两种情况；假定各年汇流参数不同，分为河道、坡面汇流参数相同和不同两种情况。

本方法用实测资料控制，在产流修正系数确定后，综合分析各年相同汇流参数，用各年区间洪水和上游实测过程顺演至渔峡口叠加，与渔峡口实测过程比较、进行检验，峰值≤10%，洪量≤5%（测验误差标准）则认为合格。根据各年的实际情况，用各年不同的汇流参数作分析试算，以达到峰、量误差最小，峰型过程最佳。表6.2给出了各年不同汇流参数渔峡口典型年检验结果。

表6.2　渔峡口站典型年检验统计表　（大区间洪水产汇流参数检验，恩施站加大区间得渔峡口站）

续表

注　Ks—上区间产流修正系数；Kx—下区间产流修正系数，Kq—前13时段的产流修正系数；τp—坡面汇流系数；τg—河道汇流系数。
①　表示1997年实测、检验均为水布垭站成果。

据各典型年率定的产汇流参数，分别计算各块的入库洪水（水库形成后汇流条件发生改变，汇流参数n也不同，即入库洪水与坝址洪水的汇流参数n不同：入库洪水的汇流参数n要据水库边界确定，而坝址洪水的n是据坝址确定的），同时刻叠加得各典型年未控面积的入库洪水。

2）流量反演法。把渔峡口以上分为恩施以上及上、下区间三部分，恩施至太阳沱为上区间，太阳沱至渔峡口为下区间，见表6.3，用马斯京根反演法分别求上、下区间入库洪水。

表6.3　马斯京根反演法分区统计表

①马斯京根法演算参数确定与检验。恩施—太阳沱、太阳沱—渔峡口距离分别为51.77km、81.78km。根据恩施、太阳沱、渔峡口三站实测资料，用马斯京根康吉法分别确定上、下区间的k、x。计算结果，上区间k＝3h、x＝0.45，下区间计算的参数换算为两段（因分两段演算），每一段k＝3h、x＝0.43。上、下区间分别选择区间入流小的洪水，上区间恩施的过程顺演到太阳沱与太阳沱的过程比较，下区间把太阳沱的过程顺演到渔峡口与渔峡口的过程比较，拟合不好则修改参数，结果表明原定参数是合适的。

②区间入库洪水推算。上、下区间入流全部由马斯京根法反演求得，具体方法是：恩施顺演到太阳沱，用太阳沱减之反演一半得上区间入库；太阳沱顺演到渔峡口，用渔峡口减之反演一半得下区间入库。上、下区间入库之和即为整个区间的入库洪水。

3）混合法。上区间入库流量：太阳沱减支流马水河、忠建河洪水过程再减恩施顺演至太阳沱的洪水过程，得到上区间未控面积（除上区间大支流以外）出流，反演一半得到上区间未控面积入库洪水过程，与忠建河、马水河的入库洪水过程叠加，得上区间入库洪水过程。

下区间入库流量：渔峡口减招徕河减龙王河再减野三河、太阳沱顺演到渔峡口的过程，得下区间未控面积（除下区间大支流以外）出流，反演一半得下区间未控面积入库洪水过程，再与野三河、龙王河的入库洪水过程叠加，得下区间的入库洪水过程。

上、下区间入库过程之和即为区间入库洪水过程。

（3）入库洪水计算。干流入库点的入库洪水过程与区间入库洪水过程（含支流入库点的入库洪水）同时叠加，即为各典型年入库过程。对于区间入库洪水推算方法的不同，总入库洪水亦有如下方案：

方案一：区间入库洪水采用流量叠加法，和入库控制站恩施洪水过程同时叠加为典型年入库洪水。

图6.3　1969年典型方案二坝址及入库洪水过程线

方案二：区间入库洪水用流量反演求得，和上游入库站实测过程同时叠加得各典型年入库洪水。

方案三：区间入库洪水采用混合法求得，和上游入库站恩施洪水叠加得各典型年入库洪水。

以上计算的各典型年入库洪水均为渔峡口以上的入库洪水，再按面积比转换到水布垭坝址。对各种方法推求的典型入库洪水，分别统计入库洪水与坝址洪水洪峰倍比、峰现时间、洪量倍比等因素，并制成相关图表如表6.4和图6.3。

表6.4　各方案入库与坝址洪峰及24小时量倍比统计表

典型年选定后，成果的取舍取决于计算方法的合理性和可靠性，所使用的3种方案概念均较清晰，且较充分地运用了本流域的雨量和流量资料，因此，成果差异不大，同一典型年各方案洪峰倍比数仅相差5%左右。但考虑到影响各方案计算误差的因素不同，例如方案二，因反演区间面积大，入库点难以确定，成果一般偏小；又如方案一，因分区较多，参数组合有一定的经验性，因此，采用方案三的成果较为合适。

表6.5列出了我国主要水库入库洪水洪峰、24h洪量与坝址洪峰、24h洪量的比值，可供对比参考。

表6.5　部分水库入库—坝址倍比特征值统计表

注　入库洪量、坝址洪量为最大24h洪量。

（4）入库设计洪水计算。入库设计洪水计算采用坝址设计洪水的放大倍比放大典型年入库洪水过程。推荐方案各典型年各频率入库设计洪水洪峰与坝址洪水洪峰见表6.6。

表6.6　各频率入库设计洪峰与坝址设计洪峰值表

工程设计中入库洪水的作用

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