葉人源，羅 輝

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

在河流上修建水利工程的目的是興利除害。 為了保證工程安全，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需計(jì)算設(shè)計(jì)洪水［1］。 設(shè)計(jì)洪水包括水工建筑物正常運(yùn)用條件下的設(shè)計(jì)洪水和非常運(yùn)用條件下的校核洪水， 它們是按照國(guó)家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)和通過分析當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料確定的。

趙家河水庫工程是為解決貴州省六盤水市水城區(qū)部分地區(qū)農(nóng)田灌溉、 人畜飲水及工業(yè)供水而建的中型水庫。 為保證水庫大壩安全，計(jì)算、分析及研究其設(shè)計(jì)洪水十分重要。 該水庫壩址以上流域巖溶發(fā)育，集水面積由明流區(qū)和閉流區(qū)2 部分組成［2］，且閉流區(qū)主要以洼地、伏流等形式存在。為了更準(zhǔn)確地確定設(shè)計(jì)洪水， 筆者分別采用雨洪法和水文比擬法進(jìn)行分析計(jì)算，以期找出更合理的計(jì)算方法。

1 流域概況

1.1 河流概況

趙家河是懶龍河的一級(jí)支流（懶龍河是三岔河的一級(jí)支流），屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅怠?趙家河發(fā)源于六枝特區(qū)新場(chǎng)鎮(zhèn)苦李井村， 源頭高程為2 007.5 m，河流由東西方向流向南北方向，流經(jīng)石封箐，在小壩進(jìn)入伏流，在小壩埡口出露，經(jīng)過趙家河村、袁家寨、陳家寨子、化樂鄉(xiāng)、后寨，在岔河處匯入懶龍河，匯口高程為1 350 m。趙家河主河道長(zhǎng)為16.4 km，平均坡降為26.2‰，全流域集水面積為76.2 km2。

1.2 壩堤概況

擬建壩址位于趙家河中游河段， 水城區(qū)化樂鄉(xiāng)袁家寨附近。趙家河流域內(nèi)巖溶較為發(fā)育，壩址以上總集水面積由一個(gè)明流區(qū)和3 個(gè)閉流區(qū)組成， 其中明流區(qū)集水面積為32.1 km2。 染家麻窩—小田壩閉流區(qū)集水面積為15 km2， 李家寨—小黑舍閉流區(qū)集水面積為2.6 km2， 魚塘閉流區(qū)集水面積為1.4 km2，閉流區(qū)總集水面積為19 km2， 占?jí)沃芬陨峡偧娣e的36.5%。 染家麻窩—小田壩閉流區(qū)通過巖溶管道于雙龍?zhí)度?（S1）出露，李家寨—小黑舍閉流區(qū)通過巖溶管道于雙龍?zhí)度?（S2）出露，魚塘閉流區(qū)通過巖溶管道于趙家河村泉水（S5）出露。 由于明流區(qū)干流河段在小壩洼地洞口進(jìn)入伏流，通過巖溶管道于小壩埡口（S4）泉水出露，故需考慮在小壩洼地進(jìn)口至出露口之間采用工程措施即開挖河道來消除入口處因修建水庫帶來的影響。壩址以上天然情況流域總集水面積為51.1 km2， 主河道全長(zhǎng)為9.35 km，平均坡降為30.09‰，考慮工程措施后，主河道全長(zhǎng)為9.53 km，主河道平均坡降為28.94‰，屬于閉合流域。

2 基本資料

2.1 參證站選擇

流域內(nèi)無實(shí)測(cè)水文站、雨量站和氣象站，流域附近有二道巖雨量站和付家寨雨量站， 干流有牛吃水水文站和陽長(zhǎng)水文站。 付家寨雨量站具有1968～2019 年的實(shí)測(cè)降水和暴雨資料，資料系列較長(zhǎng)且精度較高；牛吃水水文站1993 年后下移到陽長(zhǎng)，其面積僅相差5.3%，下墊面條件沒有多大變化；陽長(zhǎng)水文站具有1958～2019 年實(shí)測(cè)流量資料。 將牛吃水水文站1993 年前資料系列按面積比擬到陽長(zhǎng)水文站，陽長(zhǎng)水文站則具有1958～2019 年實(shí)測(cè)流量資料。

綜合分析各站的氣候條件、下墊面條件、資料系列長(zhǎng)度、代表性等因素，選擇付家寨雨量站和陽長(zhǎng)水文站作為參證站。

2.2 暴雨洪水特性

趙家河水庫所在流域的洪水由暴雨形成， 洪水特性受流域特性和暴雨特性影響。 由于流域山高坡陡，河道比降大，所以暴雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短（一般在1 d 左右，多集中在12 h 以內(nèi)）。 該流域洪水多為單峰型，峰高量大，歷時(shí)短（洪量主要集中在1 d 內(nèi)）。 一般年份，該流域4 月進(jìn)入汛期，5～8 月出現(xiàn)的洪水頻率最高，洪峰流量也最大，10 月份洪水基本完畢。

2.3 歷史洪水

2020 年11 月15 日對(duì)壩址河段進(jìn)行了歷史洪水調(diào)查，共調(diào)查了10 個(gè)洪痕點(diǎn)。 根據(jù)壩址附近村民（最大年齡73 歲）描述：1958 年是最大洪水，洪水位為1 529.86 m；2002 年次之，洪水位為1 529.55 m。 采用曼寧公式可以推算出壩址處1958 年、2002 年洪峰流量分別為363 m3／s、301 m3／s。 結(jié)合調(diào)查人的最大年齡，按10 歲記事算起，1958 年洪水重現(xiàn)期為60年一遇，2002 年洪水重現(xiàn)期為30 年一遇。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1 雨洪法

3.1.1 計(jì)算思路

趙家河水庫壩址以上流域巖溶較發(fā)育， 集水面積由明流區(qū)（含伏流區(qū)）和閉流區(qū)2 部分組成，則入庫洪水分別按全流域計(jì)算和明流區(qū)、 閉流區(qū)分塊疊加計(jì)算。 分塊疊加計(jì)算天然洪水時(shí)考慮2 種方案：（1）明流區(qū)（含小壩伏流區(qū)）＋閉流區(qū)；（2）明流區(qū)（不含小壩伏流區(qū)）＋小壩伏流區(qū)下泄＋閉流區(qū)。

3.1.2 計(jì)算公式

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率P 的洪峰流量，m3／s；r1為匯流系數(shù)；f 為流域形狀系數(shù)（f＝F／L2）；J 為分水嶺至出口斷面的主河道平均坡降；F 為集水面積，km2；C 為洪峰徑流系數(shù)；KP為設(shè)計(jì)頻率P 的P－Ш 型理論曲線的模比系數(shù)；H24為設(shè)計(jì)最大24 h 點(diǎn)雨量均值，mm；θ為流域的特征參數(shù)（θ＝L／J1／3／F1／4）；Sp為設(shè)計(jì)雨力，mm。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)

參考《貴州省暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)（修訂本）》，綜合分析趙家河流域暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，水庫壩址以上各分塊流域24 h 點(diǎn)雨量采用付家寨雨量站和二道巖雨量站的平均值，取115 mm，Cv取0.44，Cs＝3.5 Cv，暴雨衰減指數(shù)取0.75，其他參數(shù)取值如表1 所示。

項(xiàng)目 集水面積F/km2 河長(zhǎng)L/km 平均坡降J/‰ 特征參數(shù)θ 匯流系數(shù)r1天然工程措施后壩址全流域 51.10 9.35 30.09 11.20 0.22明流區(qū)（含伏流區(qū)） 32.10 9.35 30.09 12.63 0.32明流區(qū)（不含伏流區(qū)） 23.46 6.80 39.48 9.07 0.335小壩伏流 8.64 6.32 36.60 11.09 0.32壩址全流域 51.10 9.53 29.00 11.60 0.24明流區(qū)（含伏流區(qū)） 32.10 9.53 29.00 13.00 0.36小壩伏流 8.64 6.31 36.60 11.09 0.32閉流區(qū) 19.00 - - - -

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

1）全面積計(jì)算的天然洪水。

該區(qū)徑流系數(shù)C 的取值范圍為0.873～0.669（P＝0.1%～20%），天然洪水計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

2）分塊疊加計(jì)算的天然洪水。

（1）明流區(qū)（含小壩伏流區(qū)）天然洪水計(jì)算。該區(qū)徑流系數(shù)C 的取值范圍為0.907～0.764 （P＝0.1%～20%），天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

頻率/% 洪峰/（m3/s）洪量/萬m3 0.10 620 1 572 2 353 954 0.20 559 1 432 3.33 306 847 0.33 513 1 328 5 269 761 0.50 476 1 245 10 211 608 1 414 1 101 20 151 456洪量/萬m3 頻率/% 洪峰/（m3/s）

頻率/% 洪峰/（m3/s）洪量/萬m3 0.10 545 1 004 2 320 626 0.20 494 912 3.33 282 562 0.33 455 847 5 251 509 0.50 425 798 10 202 421 1 374 715 20 149 326洪量/萬m3 頻率/% 洪峰/（m3/s）

（2）明流區(qū)（不含小壩伏流區(qū)）洪水計(jì)算。該區(qū)徑流系數(shù)C 的取值范圍為0.878～0.684（P＝0.1～20%），天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

頻率/% 洪峰/（m3/s）洪量/萬m3 0.10 519 771 2 299 471 0.20 470 703 3.33 262 418 0.33 431 652 5 231 377 0.50 401 612 10 182 303 1 352 542 20 131 233洪量/萬m3 頻率/% 洪峰/（m3/s）

（3）小壩伏流區(qū)洪水計(jì)算。 該區(qū)徑流系數(shù)C 的取值范圍為0.871～0.822（P＝0.1%～20%），天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

小壩伏流入口天然洞過流能力較小， 導(dǎo)致入口以上壅水較為嚴(yán)重。 小壩伏流進(jìn)口河段共調(diào)查到1958 年、2002 年和常年洪水共10 個(gè)洪痕點(diǎn)， 其中1958 年洪水最大，水位為1 614.03 m；2002 年次之，洪水位為1 612.99 m；常年洪水位為1 606.20 m。 結(jié)合調(diào)查人的年齡，按10 歲記事算起，1958 年洪水重現(xiàn)期定為60 年一遇，2002 年洪水重現(xiàn)期定為30 年一遇，常年洪水重現(xiàn)期定為2 年一遇。

根據(jù)量算的小壩伏流進(jìn)口河段的庫容曲線及調(diào)查的不同年代的歷史洪水位，進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，擬定天然伏流洞的泄流公式。 經(jīng)調(diào)算，P＝1.67%、P＝3.33%、P＝50%時(shí)的洪水水位分別為1613.98 m、1 612.99 m、1 606.18 m，與調(diào)查的歷史洪水基本吻合。因此，綜合確定小壩伏流進(jìn)口的泄流公式為式（2）。

Q＝17.7（Z－1 601）0.5（2）

小壩伏流區(qū)下泄流量計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

（4）閉流區(qū)設(shè)計(jì)洪水。閉流區(qū)主要以洼地及伏流等形式分布在流域內(nèi)， 洼地個(gè)數(shù)多且每個(gè)洼地控制的面積小， 最大的兩個(gè)洼地的集水面積分別為2.61 km2、1.4 km2，其余洼地小且分散，難以調(diào)查洪水消落時(shí)間， 兩個(gè)洼地總面積占閉流區(qū)集水面積的21.1%，按閉流區(qū)公式計(jì)算洪峰流量的可靠性較差； 閉流區(qū)的主要出露點(diǎn)為雙龍?zhí)度?通過對(duì)雙龍?zhí)度隹谶M(jìn)行調(diào)查分析得知，雙龍?zhí)度畲蟪隽髁繛?0m3／s，與《貴州省懶龍河水庫工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中雙龍?zhí)度淖畲蟪隽魇俏呛系?，故閉流區(qū)洪峰流量按10 m3／s 計(jì)。 采用雨洪法計(jì)算的壩址處各分塊設(shè)計(jì)洪水如表6 所示。

頻率/% 洪峰/（m3/s）洪量/萬m3下泄流量/（m3/s） 削峰比/%0.10 198 282 73.6 62.8 0.20 181 257 71.3 60.6 0.33 168 238 69.7 58.5 0.50 158 223 68.2 56.8 1 142 197 65.7 53.7 2 125 171 63.0 49.6 3.33 113 153 61.3 45.8 5 103 140 58.9 42.8 10 86.3 118 55.2 36.0 20 69.0 95.7 50.8 26.4

頻率/%全面積 方案一 方案二洪峰/（m3/s）洪量/萬m3 0.10 620 1 572 555 1 106 576 1 260 0.20 559 1 432 504 1 013 525 1 172 0.33 513 1 328 465 948 497 1 080 0.50 476 1 245 435 898 466 1 025 1 414 1 101 384 816 388 918 2 353 954 330 726 336 828 3.33 306 847 292 663 299 769 5 269 761 261 610 262 699 10 211 608 212 520 211 560 20 151 456 159 425 165 448洪量/萬m3洪峰/（m3/s）洪量/萬m3洪峰/（m3/s）

3.2 水文比擬法

3.2.1 陽長(zhǎng)站設(shè)計(jì)洪水

統(tǒng)計(jì)陽長(zhǎng)水文站1958～2019 年共計(jì)62 年的實(shí)測(cè)洪峰流量資料，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，并采用P－III 型理論頻率曲線適線。 經(jīng)計(jì)算，陽長(zhǎng)水文站設(shè)計(jì)洪水如表7 所示。

3.2.2 壩址設(shè)計(jì)洪水

因水文站以上流域暴雨與設(shè)計(jì)流域差異較為明顯， 故進(jìn)行洪水計(jì)算時(shí)， 應(yīng)考慮暴雨的差異修正。 應(yīng)用公式（3）將水文站洪峰流量比擬到壩址處，得到壩址處最大洪峰流量均值。 然后，采用適配法推求不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量， 結(jié)果如表8所示。

統(tǒng)計(jì)參數(shù) 不同頻率洪峰流量設(shè)計(jì)值/（m3/s）洪峰均值Q/（m3/s） Cv Cs/Cv P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=5% P=20%615 0.5 4.0 2 432 2 218 1 724 1 510 1 229 802

統(tǒng)計(jì)參數(shù) 不同頻率洪峰流量設(shè)計(jì)值/（m3/s）洪峰均值Q/（m3/s） Cv Cs/Cv P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.33% P=5% P=10% P=20%52.3 1.1 4.0 550 475 309 242 195 160 105 61

3.3 采用工程措施后的設(shè)計(jì)洪水

趙家河水庫壩址以上小壩伏流入口處最低點(diǎn)高程為1 601 m，伏流出露點(diǎn)高程為1 558 m。在天然情況下，伏流削峰滯洪較大。水庫正常蓄水位為1 590 m，淹沒小壩伏流出口多達(dá)32 m，且因設(shè)計(jì)流域泥沙含量較重，在以后的運(yùn)行中，可能導(dǎo)致天然伏流洞淤堵，天然洞的過流能力減弱，從而加重小壩伏流入口以上的淹沒程度。 在伏流埡口處，采用明挖的方式，可以解決小壩伏流以上的淹沒問題。

考慮明挖之后，小壩伏流按不削峰控制，設(shè)計(jì)洪水按全面積和明流區(qū)（含小壩伏流）、閉流區(qū)疊加2種情況進(jìn)行計(jì)算。采用工程措施處理后，按全面積和分塊疊加方案一計(jì)算趙家河水庫下游壩址的設(shè)計(jì)洪水，結(jié)果如表9 所示。

頻率/%全面積 分塊疊加洪峰/（m3/s）洪量/萬m3 0.10 665 1 572 616 1 102 0.20 602 1 432 560 1 021 0.33 553 1 328 518 963 0.50 515 1 245 485 916 1 449 1 101 430 834 2 383 954 371 738 3.33 334 847 328 672 5 295 761 296 620 10 235 608 243 533 20 169 456 185 439洪量/萬m3洪峰/（m3/s）

在天然情況下，對(duì)于低頻率洪水，按全面積計(jì)算的洪峰流量最大， 分塊疊加方案一計(jì)算的洪峰流量最小，最大和最小的差異約為10%；對(duì)于高頻率洪水，3 種方案的計(jì)算結(jié)果差異較小。 所以，從防洪安全及地區(qū)規(guī)律考慮，建議按全面積計(jì)算設(shè)計(jì)洪水?？紤]工程措施后，按全面積計(jì)算的洪峰流量，低頻率洪水大、高頻率洪水小。 所以，從工程的防洪安全角度考慮，建議按全面積計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

4 結(jié)語

趙家河水庫壩址以上流域內(nèi)巖溶較發(fā)育，又缺乏實(shí)測(cè)資料，對(duì)比分析2 種設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法，得出如下結(jié)論：（1）因水文站控制的集水面積較大，且產(chǎn)匯流條件與設(shè)計(jì)流域差異較大，即使考慮暴雨修正之后的設(shè)計(jì)洪水成果仍較雨洪法計(jì)算成果小12%～64%（高頻率洪水差異較大）。 從洪水安全角度及洪水的地區(qū)規(guī)律考慮，趙家河水庫壩址設(shè)計(jì)洪水推薦采用雨洪法計(jì)算。 （2）因趙家河水庫壩址以上流域巖溶較發(fā)育，經(jīng)綜合比較，推薦采用全面積法計(jì)算。

在天然情況下，因?yàn)樾畏鞯南鞣鍦樽饔?，采取工程措施后，設(shè)計(jì)洪峰流量會(huì)有所增加。 當(dāng)P為0.1%～20%時(shí)，洪峰流量增大18～45 m3／s，洪水愈大，增加的洪峰流量愈大，與“伏流洪水愈大，削峰愈大”的規(guī)律相吻合；小壩伏流控制集水面積占?jí)沃芬陨狭饔蚣娣e的16.9%，采取工程措施后，當(dāng)P 為0.1%～20%時(shí)，洪峰流量較天然情況下增大7.2%～11.9%，增加的幅度基本合理。