水文分析计算与水资源评价-入库洪水计算方法

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：由于入库洪水需靠部分实测、部分推算或全部推算才能得到，因此入库洪水应视资料条件，采用不同的方法进行计算。常用的入库洪水计算方法主要有如下几种。如发现存在不合理现象时，可检查干支流洪水资料和演进方法及有关参数的合理性，必要时可进行适当调整，或改变干支流入库点和区间洪水的计算方法。

由于入库洪水需靠部分实测、部分推算或全部推算才能得到，因此入库洪水应视资料条件，采用不同的方法进行计算。根据不同的资料情况，可分为根据流量资料、根据雨量资料推求入库洪水和根据流量、雨量资料共同推求入库洪水3大类，而每一类又有多种方法。

根据水库入流特征，入库洪水有集总和分区两种表达形式。分区入库洪水计算的关键是区间各分区过程的推算，推算出的区间各分区洪水过程与干支流入库点洪水，即组成了水库的分区入库洪水。如将各分区入库洪水流量过程叠加，即得到集总入库洪水。

水库建成后，入库断面位置与水库蓄水位高低和入库流量的大小有关，应根据水库运行情况和设计要求分析确定。一般可在水库防洪限制水位与正常蓄水位之间选择某一水位相应的常遇洪水回水线末端作为干、支流入库断面，或所选定的入库断面河底高程不低于坝前的设计蓄水位，且其水位流量关系基本不受回水顶托影响。通常假定在一次洪水过程中其入库断面位置不变。当干、支流入库断面确定后，水库其余部分周边则可根据沿程回水水面线确定其位置。

常用的入库洪水计算方法主要有如下几种。

6.2.2.1　流量叠加法

当坝址以上干流和主要支流在水库回水末端附近设有水文站，其控制的流域面积占坝址以上的流域的比重较大，资料又比较完整可靠时，可分别推算干支流或区间各分区的洪水。即：

式中：Q回水末端（t）为干支流入库断面的洪水过程；Q区间陆面（t）为区间陆面的入库过程；Q区间水面（t）为区间水面的洪水过程。

干流和主要支流的入库洪水可由水文站的实测资料采用洪水演算的方法演进到入库断面，当入库断面与水文站测流断面控制面积差别较大时，还需采用放大或其他方法处理面积对洪水大小的影响。对个别较大支流入库断面如缺乏水文实测资料，可根据该支流的自然地理条件和雨洪特性，参照本流域或邻近流域相似河流的资料推算，也可根据降雨资料推算入库洪水。如大部分或绝大部分干、支流无实测水文资料，其入库洪水都通过水文比拟法或按降雨推算，通常称为间接流量叠加法，此类方法关键是所推算流量的精度，直接影响入库洪水成果的精度。

区间陆面洪水的推算是流量叠加法的重点，区间陆面洪水除采用暴雨产汇流计算方法外，若主要干支流和坝址处均有实测水文资料，可将干支流洪水演进到坝址处叠加，然后用坝址洪水减去叠加的结果即可得区间洪水。用这种方法推算的是区间入库洪水在坝址的出流，还应根据水库的情况，反演到库区的某一地点，如区间大支流汇入处，或区间流域面积较集中的河段，如果区间入流比较均匀可取回水段的中点等。当区间陆面流域面积较大，其自然地理条件和暴雨洪水特性相似，而其中某一条或几条小支流有实测洪水资料时，也可根据区间和小支流水文站的流域面积的比例，缩放小支流实测洪水作为区间或区间分块的入库洪水。当区间陆面流域面积较小，其洪量的比重占坝址洪量小于10%时，也可参照本流域的某条支流或自然地理条件和暴雨洪水特性相似的相邻流域的某支流实测洪水，按流域面积比或洪量比近似推算区间或区间分块的入库洪水。

水库水面面积一般占坝址以上流域面积的比例都不大，可根据雨量和库面面积推算库面洪水，库面洪水直接入库，不再考虑汇流时间。库面降雨全产流即径流系数为1.0，因降雨期间的库面蒸发和库区渗漏损失一般比降雨量产生的洪水小得多，可忽略不计，如确认有影响则可近似估算。如果库面面积占区间面积很小，库面可并入区间陆面计算。

干支流入库断面洪水与各分区推算的入库洪水同时叠加即为集总的入库洪水。因水库是一个多入流的调节域，入库洪水过程视其距大坝的远近不同，水库的调节作用不一样。水库的条件一定时，入库点距大坝越远，水库对其影响越大，即洪水过程越展平，峰值越滞后；反之，入库点在大坝附近，入流过程就几乎没有这种影响。如果将不同入流点的流量同时刻叠加成单一的入流过程，也就隐含着不同远近的入流受相同的调节作用的假定，显然这个假定不尽合理，当水库回水末端距大坝距离较远，入流又较分散时，矛盾会更加突出，对入库洪水的结果影响较大，这时可考虑错时段叠加。根据入库点距大坝的远近确定所错时段，越远，错的时段越长，远的入库点先入库，提前所错时段入库。

对推算的入库洪水过程，应将干支流洪水和区间洪水演进到坝址断面，然后叠加并与坝址洪水比较，检查其合理性。如发现存在不合理现象时，可检查干支流洪水资料和演进方法及有关参数的合理性，必要时可进行适当调整，或改变干支流入库点和区间洪水的计算方法。

6.2.2.2　流量反演法

当汇入库区的支流洪水所占比重较小，坝址处有实测水位流量资料时，可采用流量反算的方法推求入库洪水。流量反演方法对资料要求不如流量叠加法高，计算也比较简便。该方法得到的是集总入库洪水。

流量反演方法主要有马斯京根反演、槽蓄曲线反演和汇流曲线反演等3种方法。

（1）马斯京根反演方法。马斯京根法是将河段的槽蓄量分为柱体槽蓄量KO和楔体蓄量Kx（I－O）两部分，总蓄量为：

式中：x为楔蓄形状系数；K为入流、出流过程线重心间隔的时间；O′为示储流量，表示河槽蓄量大小的一种流量。

在推求入库洪水时，采用与一般洪水演进相反的程序进行演算，由时段末的出流推求时段初的入流，即逆时序反演，其计算公式如下：

式中：Δt为计算时段；I1，I2为时段初、末入流（入库）；O1，O2为时段初、末出流（坝址）。

参数K、x的选取可利用若干次峰型较完整、区间来水较小的大洪水资料进行分析，通过比较选择有代表性的数值，并用几次实测洪水检查其合理性。Δt可在K≥Δt≥2Kx的范围内选取，如果用试错法目估定线选取K、x值有困难，可用最小二乘法计算。当K、x值随水位不同而明显地变化时，应分为几个水位级选用。

如缺乏干支流洪水资料，一般可采用坝址处稳定的水位流量关系曲线，用抵偿河长法求x值，并取K＝Δt。但K＝Δt的假定有一定任意性，故这里介绍采用马斯京根康吉法同时确定参数K、x值。

由马斯京根康吉法可推导得：

式中：L为干流入库点至坝址间河道长度；i0为水面坡度；l为抵偿河长。

拟合坝址站稳定的水位流量关系曲线和水位过水断面面积关系曲线，转换成流量与面积关系曲线，拟合成下式：

式中：c为波速；Q为流量；v为流速；A为过水断面面积；α，β为率定参数。

由此得到参数K、x，采用式（6.4）及式（6.5）即可用于反演入库洪水。

关于区间洪水的反演，一般情况下，取区间洪水反演至干流入库点（全反演）和反演至回水段中点（反演一半）两种。当反演一半时，其参数K′、x′按如下计算：

式中：K，K′为全河段、一半河段的传播时间；x，x′为全河段、一半河段的楔蓄系数；L，L′为全河段、一半河段的河长。

值得注意的是，虽然区间全反演的洪峰大于反演一半的洪峰，但是由于反演的距离越长，整个区间洪水过程越提前，造成干流入库洪水的峰部与区间洪水退水过程的后部叠加，对于一些不太大的流域，由于降雨基本同步，区间洪峰一般早于入库点洪峰，故常常会发生集中入库洪水峰值较低。此外，区间洪水全反演后与干流入库洪水叠加本质上等效于直接将坝址洪水反演的马斯京根法。从上述说明也可得到，马斯京根法反演成果偏小，主要是由坝址洪水中区间洪水的反演不适当所致。

天然河道的槽蓄W与示储流量Q′的关系常常是非线性的，因此有时需要采用非线性马斯京根法推算入库洪水。目前非线性槽蓄方程有好几种形式，这里仅介绍M.A吉尔提出的非线性槽蓄方程与时段水量平衡方程联解来推算入库洪水的方法。

式中：I1（I2）和Q1（Q2）分别为时段初（末）的入流和出流；W1（W2）为时段初（末）槽蓄量；a，m，δ为待定常数。

（2）槽蓄曲线反演法。当干、支流缺乏实测洪水资料，但库区有较完整的地形资料时，可利用河道平面图和纵横断面图，有条件时也可利用河道地形图（最高回水水面线以下），根据不同流量时实测、调查或推算的水面线，绘制库区河段的槽蓄曲线，由坝址洪水反推入库洪水。如果有部分入库和坝址的实测洪水资料，且河段槽蓄曲线较稳定，经论证也可根据实测洪水的退水曲线绘制库区的槽蓄曲线。

回水河段建库前的天然水面线，可按一般推算自由水面线的方法推算，有条件时应与实测或调查的洪水水面线进行比较，以论证推算成果的合理性。

当库区回水河段较长，横断面变化较大时，应根据断面变化情况，划分为几个河段，分别计算各河段的出流O和槽蓄量W的关系，然后累加绘制入库断面到坝址处整个回水河段的槽蓄曲线。

计算时段Δt最好取与洪水在回水河段的传播时间相近的时段。

用本法推算的入库洪水的可靠程度与槽蓄曲线的精度有关。建库后，坝前水位和入库流量不同，回水末端也不同，槽蓄曲线应是变化的，但严格地按不同库水位和流量的变化来确定变动的回水末端及其相应的槽蓄曲线，不易做到且计算也十分繁杂。为简化起见，一般情况下可选定某个库水位相应的回水末端的断面作为入库断面，并假设该断面不随库水位和入库流量而变。当入库洪水演算到坝址，与坝址实测洪水比较相差较大时，应分析槽蓄曲线的合理性，必要时可作适当调整。

（3）汇流曲线反演法。河道汇流曲线用于洪水的演算，由于其概念清楚、方法简捷而为水利工程界广泛应用。现行的一些洪水汇流曲线演算方法，诸如“长办”汇流曲线、“华水”汇流曲线，都是从汇流曲线中改进与发展起来的。汇流曲线演算方法可写成如下方程：

式中：Ij为入流过程，其中j＝1，2，…，m；ui为汇流曲线过程，其中i＝1，2，…，n；qj为出流过程，其中j＝1，2，…，m＋n－1。

如果要进行洪水反演，就是要将Ij作为未知数，qj作为已知数，来求解方程组6.13：

式（6.14）显示，上游入流Ij最终写成了qj的表达式，因出流过程已知，所以在假定汇流曲线能真实地反应河道间的特性的情况下，反演出来的入流过程应该是无误差的过程。至于汇流曲线的确定，则可采用实测资料优选或通过计算获取。

6.2.2.3　水量平衡法

水库建成后，可用坝前水库水位、库容曲线和出库流量等资料，根据水库下泄流量及水库的蓄水变量，用水量平衡法推算入库洪水。

平均出库流量包括：溢洪道流量、泄洪洞流量、引水流量及发电流量等，也可采用坝下游实测流量资料。

水库损失水量包括：水库的水面蒸发和枢纽、库区渗漏损失等。一般情况下，在洪水期间，此项数值不大，占次洪水量的比重很小，为简化起见，也可忽略不计。

水库蓄水量变化值，一般可用时段始末的坝前水位和静库容曲线确定。如动库容较大，对推算入库洪水有显著影响，则宜改用动库容曲线推算。

动库容曲线一般有H—I—V、H—Q′—V（Q′为权流量，Q′＝xI＋（1－x）O）和H—I—O—V几种形式，可以通过水面线推算结合分段库容曲线得到，也可以由实测资料率定，不过后者较为复杂。

采用上述时段水量平衡法反推入库洪水，计算时段不易确定。时段过长，易使洪水过程特别是峰值坦化；时段过短，会使洪水过程出现锯齿状，峰值偏大，而且最终计算的是时段平均入流。为避免这些不合理情况的发生，可用水量平衡方程的微分式，利用样条函数原理反推瞬时入库流量。

水量平衡的微分方程式

动库容对入库洪水的影响：采用静库容和动库容反推入库洪水，两种结果互有大小，在水库控制泄流的情况下，闸门的突然启闭会使水面发生剧烈变化，尤其是水库近坝区的变化更为剧烈，这种条件下，要判断哪种方法的结果大、小是十分困难的。在自由泄流的条件下，楔蓄量（动库容蓄量与静库容蓄量之差）随入库流量的增减而增减，入库流量越大楔蓄量也越大，入库洪水涨洪段的流量，动库容法大于静库容法；落洪段则相反。至于入库洪水的洪峰流量，两种方法分析推算的入库洪水峰值互有大小。

6.2.2.4　根据暴雨资料直接推算入库洪水

许多中小型和一些大型水利水电工程往往缺乏流量资料，对此，可根据雨量资料直接推算入库洪水。根据暴雨资料推求入库洪水和推算坝址洪水的方法基本相同，主要的差别是建库后的产流、汇流条件与建库前不同，如库面由陆面变为水面，汇流时间缩短等。

如流域面积不大，自然条件相似，可将全流域（除库面外）作为一个单元进行计算。如流域面积较大，自然条件有明显差别，或汇流情况复杂，则应根据自然地理特性和汇流条件，分区进行计算，然后分别演进至入库断面处叠加。不论采用哪种方法，如水库的水面面积所占的比重较大，应将其作为一个单元单独考虑。

水文分析计算与水资源评价-入库洪水计算方法

相关推荐