山西某電力工程設計洪水成果合理性分析

摘要：通過對山西某電力工程處河流設計洪峰流量分析計算，介紹了使用不同計算方法推求設計洪峰流量，并進行成果合理性分析，確定出符合實際的設計洪峰流量成果，以保證電力工程的防洪措施安全可靠經濟合理。

關鍵詞：流域面積;設計洪峰流量;洪峰模系數;合理性分析

引言

工程中通常把各年最大洪峰流量所組成的系列作為樣本，通過頻率分析方法求得某一設計標準P的流量值Qp，稱為設計洪峰流量。山西某變電站工程位于桃河一支流-桑掌河西岸河漫灘地之內，流域內地貌以土石山區、黃土丘陵為主，流域內地形條件較為復雜，因此，如何提高推求出的設計洪峰流量的精度，使得位于河道內的電力工程防洪措施即安全又經濟，則顯得尤為重要。

1 工程概況

山西某發電項目工程，擬選廠址位于山西省陽泉市城區西南方向約13km的桑掌河西側二級階地和河漫灘上。廠區地形呈西南高東北低，自然地面標高在930m-975m之間（高程為1985國家高程基準）。

2流域概況

桑掌河屬于海河流域，子牙河水系，桃河的一級支流，發源于山西省陽泉市西南部山區的刁烏愣，由南向北流經后峪、西上莊、桑掌等地，最后匯入桃河。廠址以上桑掌河流域面積為18.6km2，河長為6.95km，比降為34.4‰。

3工程處設計洪峰流量不同推算方法

本工程防洪標準依據《電力工程水文技術規程》之規定，按照百年一遇洪水設防。采用《山西省水文計算手冊》中的流域模型法、推理公式和地區經驗公式法三種計算方法推求廠址段百年一遇洪峰流量。

3.1暴雨洪水特性及時空分布

本流域洪水主要系暴雨所致，影響降水的主要天氣系統有副高后部、切變線、低渦、西風槽，主要以副高后部為主，尤其是多種天氣系統同時出現時，對本區影響是極大的。受地形地貌及以上主要天氣系統的共同影響，夏季降雨多以雷陣雨、局地性暴雨形式出現，主要集中在汛期6～9月份，尤以7、8兩月為甚，汛期降水量約占年降水量75%左右。

3.2設計點、面雨量計算

本次計算的桑掌河按流域位于水文分區的中區，按無資料地區方法計算設計點暴雨和面暴雨計算是利用間接法進行的。間接法推求設計暴雨，首先確定“定點”及設計暴雨歷時，然后分別在相應歷時暴雨參數等值線圖（《山西省水文計算手冊》附圖15～附圖24）查讀出定點的各種歷時暴雨均值、變差系數CV。用經過合理性檢查、調整后的參數值，計算出各種不同歷時設計點暴雨。

間接計算設計面雨量是采用“定點”設計雨量配以暴雨“定點～定面”關系計算設計面雨量的方法。

3.3流域模型法

3.3.1流域產流計算

流域模型法包括流域產流計算和流域匯流計算兩部分，流域產流計算包括設計洪水凈雨深和凈雨過程計算兩部分。前者采用雙曲正切模型計算，后者按主雨日、非主雨日分別采用變損失率推理扣損法和定損失率推理扣損法計算。經計算，桑掌溝主雨歷時為13h，主雨雨量為156mm，凈雨深取99.8mm。

3.3.2流域匯流計算—綜合瞬時單位線

流域降水所產生的凈雨在重力與地表阻力綜合作用下沿坡面及河網向流域出口斷面匯集的過程稱為流域匯流，流域匯流計算是根據設計暴雨計算出的凈雨過程，用某種演算方法或模型，將其轉換成流域出口斷面的設計洪水過程線。

經現場實地踏勘，確定流域的植被和河道情況，匯流地類按灌叢山地考慮，根據產流計算成果，最后，推求出百年一遇洪峰流量為Q1%=363m3/s。

3.4推理公式法

推理公式法由設計暴雨、推理產流、推理匯流三個子系統構成。推理匯流計算包括求解洪峰流量Qm、流域匯流時間τ及推理洪水過程線。經現場實地踏勘，確定流域的植被和河道情況，匯流地類按灌叢山地考慮，則m取0.15，計算時段為30分鐘，匯流時間為0.9小時，通過推理公式計算，最后，推求出百年一遇洪峰流量為Q1%=401m3/s。

3.5地區經驗公式法

由設計暴雨推求相應頻率設計洪峰流量的地區經驗公式法，是一種集產流與匯流于一體的洪峰流量計算方法。經驗公式形式：，式中：Qp為頻率為p的設計洪峰流量（m3/s）;其中A為涉水工程控制的流域面積（km2）;Cp為與頻率p和地類有關的經驗參數;N1、β為經驗參數（N1取0.92，β取0.050）;為涉水工程控制流域內定點概率雨力的面平均值，即設計定點雨力（mm/h）。由以上公式推求出工程處設計洪峰流量為 Q1%=325m3/s。

3.6各計算方法設計洪峰流量成果

本次采用流域模型法、推理公式法、經驗公式法三種方法洪水計算成果，最后推得：1）流域模型法百年一遇洪峰流量Q1%=363m3/s;2）推理公式法百年一遇洪峰流量Q1%=401m3/s;3）經驗公式法百年一遇洪峰流量Q1%=325m3/s。

由以上計算結果可以看出，流域模型法和經驗公式方法推求的設計洪峰流量計算成果比較接近，因推理公式受河道縱坡變化影響較大，計算成果相對偏大?？紤]到經驗公式為估算公式準確度稍差，故，本次選擇流域模型法計算成果作為設計洪水成果。

4設計洪峰流量成果合理性分析

4.1采用洪峰模系數進行合理性分析

由于暴雨在地區上有一定的分布規律，水文墊面在地區上也有自身的分布特點，因此為反映洪峰流量的分布規律，引入了某一頻率洪峰模系數的概念：

公式為Cp=Qp/AN 。式中：Cp為某一頻率的洪峰模系數，m3/（s?km2）;Qp為某一頻率為p的設計洪峰流量（m3/s）;A為涉水工程控制的流域面積（km2）;N1、β為經驗參數（N1取0.92，β取0.05）。

其中某一頻率的洪峰模系數Cp的大小反映形成洪峰流量雨量級的大小、流域產流和匯流條件，包括流域地質、地貌、植被以及流域的形狀、水系發育程度等幾何特征。其地區分布可反映洪峰流量形成的條件及地區分布規律。山西省共選用了75個水文站的頻率分析計算成果，計算了各站的不同頻率洪峰模系數Cp值成果，同時，繪制出了不同頻率洪峰模系數分布圖以及各水文站不同頻率洪峰模系數成果。

本工程所在河道-桑掌河，該河屬子牙河水系桃河的一級支流，對照桑掌河所在水文分區，可知，其位于水文分區的第Ⅱ區（子牙河水系），其不同頻率洪峰模系數成果見下表1，該區共有14個水文站參與分析計算，該區洪峰模系數C1%值在9.9—40.7 m3/（s?km2）之間，第Ⅱ區洪峰模系數C1%均值為21.4m3/（s?km2）。

通過以上洪峰模系數Cp公式計算，推得本工程桑掌河洪峰模系數為24.7m3/（s?km2），與第Ⅱ區均值21.4m3/（s?km2）較為接近，處在其合理范圍值之內，故，認為，本次桑掌河設計洪峰流量計算成果基本合理。

4.2利用洪峰流量與流域面積關系圖進行對比分析

通過對山西洪水發生的時空分布規律的研究，結合洪水地域性特點，將山西河流按水系分為了六個區，并以山西境內各水文站頻率分析成果為基礎，按全省流域及六個分區，在雙對數格紙上點繪處出各調查河段（水文站）不同頻率設計洪峰流量與集水面積相關圖，并確定散布點據的上包線、平均線和下包線，曲線公式：采用Qmax=CAαAβ，其中Qmax為洪峰流量;A為流域面積;C為反映匯流綜合水平的經驗參數，與流域水文下墊面條件和暴雨特性有關;α和β為lgQmax與lgA反映非線性關系的經驗參數。

由繪制的不同頻率洪峰流量與流域面積相關曲線圖可以看出，各曲線隨著面積的增大而呈上升趨勢，但坡度漸緩。其中上包線反映了各級面積產匯流條件和設計暴雨最佳組合相關曲線，平均線反映了水文下墊面條件和相應設計暴雨平均情況下的相關曲線，下包線則為最不利組合下的相關曲線。

因桑掌河屬海河流域、子牙河水系，位于第Ⅱ區（子牙河分區），故參照其洪峰流量與集水面積關系曲線（見下圖1）。按照第Ⅱ區（子牙河分區）洪峰流量與集水面積關系曲線，從圖中內插出桑掌河設計洪峰流量在350左右（上包線與平均線的中間位置）。根據以上情況分析，最后，認為，本工程處設計洪峰流量采用Q1%=363m3/s計算成果應在合理范圍之內。

5結語

1）采用設計暴雨計算設計洪水的這三種計算方法，常受到多種因素和環節的影響，建議，計算出的設計洪水應通過綜合分析合理選用，不宜盲目去平均值。

2）在設計洪峰流量計算過程中，正確劃分地類是決定參數及的關鍵環節。劃分地類應采取實地查勘與查圖相結合、以查勘為主的原則。

3）采用洪峰模系數方法、以及洪峰流量與流域面積關系曲線對設計洪峰流量成果進行合理性分析時，還應通過與本流域及鄰近的歷史調查洪水成果進行比較分析，以驗證計算成果合理性。

4）綜合以上分析，認為，在確定設計洪峰流量時，首先，應通過詳細分析已有水利工程的水文資料，同時，結合歷史洪水調查，采用多種方法分析比較驗證計算結果的可靠性、準確性，不斷提高設計洪峰流量計算成果的精度，最終使得電力工程防洪措施，既經濟合理又運行安全。

參考文獻：

[1]山西省水利廳.山西省水文計算手冊，鄭州;黃河水利出版社，2011.3。

[2]山西省水利廳.山西洪水研究，鄭州;黃河水利出版社，2014.2。

[3]國家能源局.電力工程水文技術規程：DL/T5084-2012.北京：中國計劃出版社，2012。

作者簡介：閻同喜（1965-），山西太原人，高級工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測工作。