受大型水库调节影响下的设计洪水计算分析

沈桂环

(陕西省安康水文水资源勘测局，陕西 安康 725000)

1 概况

安康水文站为汉江上游干流控制站，始建于1934年，原断面位于安康市汉滨区金川街。受“83.8”汉江安康特大洪水影响，1989年1月上迁1.7 km至汉滨区吉河镇观新村马坡岭，改为安康(二)站至今。安康水文站是安康城区防汛指挥依据站，控制流域面积38625 km2，距河口距离1018 km。该站多年平均径流量160亿m3，多年平均输沙率1601万t，多年平均降水量830.9 mm。建站以来实测最大洪水为“83.8”，洪峰流量31000 m3/s、相应水位257.25 m；调查最高水位257.54 m，出现时间1583年6月12日，相应流量33500 m3/s。

1989年12月26日，在安康水文站上游约17 km处安康水电站(水库)建成下闸蓄水，控制流域面积35600 km2，总库容33.4亿m3，调洪库容3.6亿m3，水库以千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。安康水库具有较强消峰、滞洪作用，对下游洪水有较大调节作用。安康水文站与安康水库大坝区间主要有支流月河汇入，月河下游有长枪铺水文站控制。

2 水文资料收集

(1)实测水文资料

本次收集到安康水文站1943年～2019年最大流量系列，安康水库1990年～2019年最大入库系列及月河长枪铺水文站相关资料。

(2)历史洪水调查资料

汉江安康段洪水历史文献、文物极为丰富，洪水记载历史十分悠久。为了国民经济建设的需要，1953年以来，长江水利委员会、(原水电部)水电第三工程局、陕西省水文水资源勘测局、安康水文水资源勘测局等单位先后组织对汉江干流安康段历史洪水情况进行详细的调查、考证工作，并在陕西省水利厅的领导下，于1984年组织专家对历次调查成果进行了分析论证，编印了《陕西省洪水调查资料》汇编成果，调查洪水成果见表1。

表1 汉江安康水文站历史洪水调查成果表

根据历史文献和《陕西省洪水调查资料》《安康地区实用水文手册》等有关文献资料收集成果，汉江安康水文站河段调查历史洪水有很多场，但最大洪水为1583年，其次为1867年。1583年推算为34000 m3/s，1867年洪峰流量为30000 m3/s，历史排位为第三；安康水文站1934年建站，建站以来实测系列中特大洪水有1983年，洪峰流量为31000 m3/s，加入历史洪水排位为第二位；历史洪水考证时间从1583年算起，考证期为437 a。

3 安康水文站设计(天然)洪水计算

(1)水文资料“三性”分析

汉江安康水文站自1934年建站以来，从1943年至今具有连续的实测洪水资料，本次计算收集1943年～2019年共77 a实测资料系列。年最大流量过程见图1。

图1 安康水文站历年最大流量过程线图

①资料的可靠性分析

安康水文站自1943年～2019年具有连续77 a实测洪水资料，均为水文年鉴整编成果。该站测验河段顺直，断面基本稳定，中、低水采用流速仪法测流，高水采用均匀浮标或中泓浮标测流。经抽样检查，洪水过程控制完整，中泓浮标个数符合规范要求，浮标系数采用合理，年最大流量系列资料连续。通过绘制本站历年高洪水位流量、水位面积、水位流速关系曲线，经综合比较其变化趋势稳定、合理，说明该站洪水流量资料可靠。

②资料的一致性分析和资料还原处理

安康水文站上游自1934年建站以来至1989年，在资料系列年限中无较大水利工程投入使用，有几处规模较小水电站工程，但基本无调蓄能力，对天然洪水无较大改变，因此人类活动对洪水资料影响很小。1990年以后由于安康水电站建成投入运行，由于库容较大，水库调蓄对下游天然河道洪水过程具有较大影响，需要进行还原处理。

在安康站上游197 km处的汉江干流上设有石泉水文站，从1953年设站连续观测至今。采用1989年以前的资料建立石泉站与安康站年最大流量相关关系，其相关关系较好，相关系数为0.82，相关公式为Q安康=1.82Q石泉-247，通过该关系用石泉站1989年以后的资料将安康站对应年最大流量进行还原。但本次比对发现，通过此式还原后的安康站洪峰流量在安康以上流域降雨较均匀的情况下，数据较准确；但是如果洪水主要发生在石泉以上区域或石泉至安康之间流域，则推算的安康站洪峰流量明显偏大或偏小，不符合流域洪水特性。安康水库为大型水库，建库及运行资料完整且精度较高。因此，采用建库后入库洪峰流量与月河长枪铺站相应流量合成还原为安康站洪峰流量，还原后洪峰流量过程见图1。

③资料的代表性分析

采用安康水文站1943年～2019年共77 a还原后的年最大流量资料系列，点绘年最大洪峰流量差积曲线图，并绘制年最大流量累计均值过程线图、变差系数、距平过程线图见图2、图3。

图2 汉江安康站年最大流量累计均值模比系数Ki和变差系数CV过程线图

图3 汉江安康站年最大流量差积、距平曲线图

从差积曲线图来看，在77a系列中从1943年～1950年，基本上为小水年份，1951年～1958年为大水年份，1959年～1962年为小水年份，1963年～1965年为大水年份，1966年～1972年为小水年份，1973年～1975年为大水年份，1976年～1977年为小水年份，1978年～1984年为连续大水年份，1985年～1990年为波动年份，1991年～1997年为连续小水年份，1998年～2009年为波动年份，2010年～2015年总体为连续大水年份。总之77 a资料系列内包括了连续大水时段和连续小水时段交替出现，呈现15 a～20 a的周期性变化的特性；从累计均值过程线图可以看出，从1995年以后累计均值基本集中在12300 m3/s的附近趋于稳定，相差-2.1%～1.1%之间；变差系数CV在2010年以后基本维持在0.47左右。由此说明安康水文站1943年～2019年洪水系列代表性较好。

(2)安康水文站设计洪水流量计算

①经验频率计算

在调查考证期437 a中，有特大洪水3个，其中历史调查洪水2个，77 a实测资料系列中将1983年最大流量作为特大值处理，组成不连续系列。因此各项洪水的经验频率以不连续系列数学期望公式计算。

特大洪水计算公式：

PM=m/(N+1)，m=1，2

连续系列洪水计算公式：

式中：m为序号；N为历史洪水调查考证期；a为特大洪水个数；n为实测系列洪水个数；l为从n项连序系列中抽出的特大洪水个数。

②统计参数计算

计算公式为：

式中：Xj为特大洪水变量(j=1,2,…,a)；Xi为实测洪水变量(i=l+1,l+2,…,n)；其余符号意义同前。

③设计洪水流量推求

依据《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-2006)，采用离差平方和准则适线，求出最优统计参数，再经过经验适线法进行参数微调，依次计算出参证站不同频率洪水计算成果。洪水频率曲线图见图4，汉江安康水文站设计洪水计算成果见表2。

表2 汉江安康站洪峰流量频率计算成果表

图4 汉江安康水文站年最大洪水频率曲线图

④设计洪水流量成果选用

为了安康市防洪工程设计的需要，安康水文站设计洪水多次进行了计算，现将各个时期不同单位计算的设计洪水成果进行汇总，与本次计算成果进行比较，见表3。

从表3中可以看出各次计算成果略有差异，但是总体相差不大，2002年陕西省水利电力勘测设计研究院编制的《陕西省汉江干流安康重点防洪工程可研报告》(以下简称《安康防洪可研》)，于2003年已经通过水利部长江水利委员会审查；《汉江综合整治规划》于2012年1月陕西省人民政府第2次常务会议审议通过。本次计算成果比《安康防洪科研》偏小3.3%，与《综合整治规划》成果相近，究其原因主要是本次计算将资料系列延长到2019年，而1998年～2010年的平均值比1935年～1997年平均值小，《安康防洪科研》计算平均值为12700 m3/s，本次计算平均值为12300 m3/s，偏小3.1%。考虑计算成果的一致性，因此采用《安康防洪可研》成果。

表3 安康水文站洪峰流量频率计算成果分析表

4 受安康水库调节影响的安康水文站设计洪水计算

(1)水库汛期调洪原则

1999年北京勘测设计研究院编制完成了《安康水电站调度设计》确定的防洪要求和应用原则。据此，陕西省防汛抗旱指挥部以陕汛旱[2011]29号文件下发了“关于安康水库2011年汛期调度运用计划的批复”基本确定了安康水库洪水调度运用方式与原则，见表4。

表4 安康水电站水库防洪调度规则参考表

(2)最大下泄流量

根据拟定的调洪调度原则进行调洪演算，《安康水电站调洪计算》详细分析计算对安康水电站设计洪水及洪水调节，结果见表5。

表5 安康水电站调洪计算成果表

(3)受安康水库调节影响的安康水文站设计洪水

安康水库坝址与安康水文站区间主要有支流月河、吉河，月河设有长枪铺水文站、控制流域面积2814 km2占区间面积94.0%。由于汉江洪水不同区域组成不同，月河占汉江洪水比例也不同。统计安康水库下闸蓄水前1960年～1987年28 a洪水资料，成果见表6。

由表6可知，月河洪水洪峰流量占汉江安康站洪峰流量大部分在2%～10%之间，最大超过20%，最小仅0.2%，平均8.6%；通过统计两站的3日洪水总量可知，长枪铺站平均占安康站的6.2%；长枪铺站洪峰流量、洪水总量所占安康站比例与该站占安康站面积比例7.3%比例相当，且区间还有小支流吉河等，因此，考虑安康坝址洪水占安康站比例92.0%较为合理。本次分析结果与安康水库原设计采用93.5%相近，为保持成果的一致性，本次沿用93.5%。

表6 月河长枪铺站洪峰占汉江安康站洪峰比例统计计算表 单位：m3/s

受安康水库调节影响的安康水文站设计洪水为安康水库不同频率下泄流量与区间流量之和。安康水库下泄流量通过安康水库调洪计算而得，安康坝址与安康站区间流量根据长枪铺占安康站天然洪水比例计算。按照上述计算，区间洪水占安康站6.5%计算，由此可得受安康水库调节影响的安康站设计洪水计算成果，见表7。

表7 受安康水库调节影响的安康水文站设计洪水计算成果表 单位：m3/s

5 天然洪水与受水库调节影响下的安康站设计流量对比分析

通过前述计算分析，天然洪水情况下计算的设计洪峰流量与考虑安康水库调节影响下的设计洪峰流量差异较明显，见表8。从表8中可以看出，安康水库对于安康水文站洪水调节作用明显，尤其是50 a一遇以下洪水，洪峰越小调节影响越大；调节后，50 a～5 a一遇洪峰消减6.1%～36.2%。

表8 天然洪水与受水库调节影响下的设计洪水成果对比表

据安康水库1989年蓄水运行以来资料统计，安康最大入库洪水出现在2010年7月18日、洪峰流量25500 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s,安康站实测21800 m3/s；次大出现在2005年10月2日，最大入库洪峰流量21000 m3/s，最大下泄流量19200 m3/s，安康站实测20800 m3/s。实际应用与安康水库调度原则计算结果基本相符。

6 结论

按照《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-2006)中洪水一系列处理中，“实测洪水系列受上游已建的大中型蓄水工程、引水和提水工程等影响较大时，应将受工程影响的洪水还原至天然状况”，安康水文站设计洪水应采用资料还原计算后成果。在现实运用中，大型水库建设后一般运行周期较长，洪水特别是大洪水受上游水库调节影响是现实存在，因此，采用受水库影响下的计算分析成果更加符合实际。