水文分析计算及水资源评价实例分析

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图11.5洪流演进模拟流程框图关山水库防洪应急调度方案为：若①大坝出现滑坡、裂缝、管涌、明塌、渗漏、陷坑；②发生地震；③发生战争；④发生超标准洪水；⑤发生恐怖事件，危及大坝安全时，加大泄洪流量。表11.4关山水库各时段设计面暴雨成果表单位：mm图11.6关山水库设计、校核洪水过程线径流分析。其中，设计和校核洪水时的糙率采用0.03，溃坝洪水采用0.05。湖南省澧南垸洪水风险图制作。

【例11.2】　湖南关山水库洪水风险图制作。

（1）背景与概况。湖南关山水库位于湘江一级支流捞刀河上游，是湖南省最为严重的山洪灾害高发区之一。关山水库建于1959年，集雨面积为31.8km2，坝高34.2m，总库容为1892万m3，影响下游20km有2个乡镇，27个村，346个村民小组，共计36830人。该水库为年调节水库，设计防洪标准P＝1%，校核洪水标准P＝0.1%。

图11.5　洪流演进模拟流程框图

关山水库防洪应急调度方案为：若①大坝出现滑坡、裂缝、管涌、明塌、渗漏、陷坑；②发生地震；③发生战争；④发生超标准洪水；⑤发生恐怖事件，危及大坝安全时，加大泄洪流量。具体操作方法是：打开高、低涵闸门分洪，在水位陡涨、大坝即将漫堤时炸开副坝分洪。

水库洪水风险图包括水库库区洪水风险图和水库下游洪水风险图。水库库区洪水风险图按发生设计洪水、校核洪水，依据水位、地形资料绘制；水库下游洪水风险图，考虑发生设计洪水、校核洪水、溃坝洪水，按水库最大泄量条件，采用水文学和水力学方法进行绘制。

（2）降雨分析。由于关山水库属无水文实测资料，附近仅有位于关山水库大坝下游约9km处的社港雨量站1979～2005年的最大24小时暴雨资料。因此，关山水库降雨分析采用社港雨量站资料。

根据社港雨量站暴雨资料，经频率计算得到关山水库流域最大24小时点雨量均值H24点＝123mm，Cv＝0.6，Cs＝4Cv。其中，100年一遇设计点雨量为H24点＝406mm；1000年一遇校核点雨量为H24点＝601mm。再由关山水库流域所属暴雨区，依据F＝31.91km2，经点面折算得关山水库24小时100年一遇设计面雨量为401mm；1000年一遇校核面雨量为594mm。

指定历时设计面雨量过程，根据《湖南省暴雨洪水查算手册》推荐的公式计算，其结果见表11.4。

表11.4　关山水库各时段设计面暴雨成果表　单位：mm

图11.6　关山水库设计、校核洪水过程线

（3）径流分析。因关山水库的面积小于100km2，故流量过程分析采用推理公式，产、汇流计算均根据《湖南省暴雨洪水查算手册》推荐的方法进行。其计算的设计、校核洪水过程线如图11.6所示。

（4）洪流演进。

1）水库调洪计算。根据计算的设计、校核洪水过程线，关山水库库容曲线及泄流曲线，以及关山水库防洪抢险预案，取关山水库防洪限制水位为169.13m作起调水位，进行调洪演算，其成果见表11.5。

表11.5　关山水库调洪成果表

2）溃坝洪水计算。溃坝洪水最大洪峰流量采用以下公式计算

式中：QM为坝址处溃坝最大流量，m3／s；B为溃坝时水面宽，m，取300m；H0为溃坝时水库水深，m，取20m；b为局部溃口处宽度，m，取100m。

经估算，最大溃坝流量为11000m3／s。

溃坝洪水到达沿线的最大流量按下述公式计算

式中：QLM为当溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量，m3／s；W为水库溃坝时的库容，m3；QM为坝址处的溃坝最大流量，m3／s；L为距坝址的距离，m；v为下游L处河道洪水期断面最大平均流速，m／s，一般山区河流可取3.0～5.0m／s，半山区可取2.0～3.0m／s，平原可采用1.0～2.0m／s；K为经验系数，山区取1.1～1.5，半山区取1.0，平原取0.8～0.9。

经计算，溃坝洪水到达不同位置的最大流量以及与河道百年一遇流量相组合情况见表11.6。

表11.6　关山水库下游溃坝洪水洪峰流量计算表

溃坝洪水的影响范围，采用溃坝洪峰流量小于河道百年一遇洪峰流量之处。

（5）洪水风险图制作。库区洪水风险图主要标示不同水位高程—淹没范围；溃坝和最大泄量洪水风险图主要标示不同溃坝或洪水调度方案下的坝下游区域洪水淹没范围图，并标示沿程水深、流量、流速等洪水水力学特征值。两张图都标注转移人数、转移道路、安全区、安置地点等信息。

根据前面计算可知，当发生设计洪水和校核洪水时，水库库区淹没水位见表11.7。

表11.7　关山水库库淹没水位表

关山水库下游河道安全泄量只有50m3／s，根据前面的分析可知，关山水库对入库洪峰能进行有效地削峰，因此，关山水库下泄设计洪水146m3／s时和下泄校核洪水298m3／s时，将淹没下游一定的农田，断绝下游的部分人行、渡河通道，危及下游居民住房。特别是水库溃坝，最大溃坝流量将达11000m3／s，对下游将产生重大损失。

下泄设计、校核、溃坝洪水的淹没范围，根据在关山水库坝址以下的1／10000地形图上取得的20个大断面的断面资料，采用实测水面线及调查水面线比降推算糙率，采用曼宁公式计算下游各断面洪水淹没水位。其中，设计和校核洪水时的糙率采用0.03，溃坝洪水采用0.05。计算下游各断面的洪水流量、水位见表11.8。

表11.8　关山水库下游不同流量洪水水位计算成果表

经计算，关山水库下游主要断面最大流速见表11.9。

表11.9　关山水库下游主要断面最大流速成果表　单位：m／s

经计算，关山水库大坝一旦溃决，关山水库下游捞刀河社港镇关山臼屋段至龙伏镇双汀双江口段，各段面的最大淹没水深和洪水到达时间为：关山臼屋段最大淹没水深14.4m，洪水到达时间146s；保兴鲁家坪段最大淹没水深7.61m，洪水到达时间568s；晨光神仙湾段最大淹没水深3.97m，洪水到达时间为1608s；下周下新园段最大淹没水深3.51m，洪水到达时间为2178s；龙伏桥上段最大淹没水深3.06m，洪水到达时间2878s；双江口段最大淹没水深2.67m，洪水到达时间为3420s。

关山水库第一副坝一旦溃决，到达下游大河村仅10s，水深4.3m；到达竹丰村时间为98s，水深为4.3m；到达集阳村王思塘组时间为210s，水深3.2m；到达练冲和社珑口时间为327s，水深2.8m。溃坝洪水及设计和校核洪水在下游各断面的淹没时间在1天左右。

关山水库洪水风险图如图11.7所示。

【例11.3】　湖南省澧南垸洪水风险图制作。

（1）背景与概况。澧南垸是湖南24个蓄滞洪区之一，位于湖南澧县澧水河以南的澧水河和道水河相夹区域，总面积为34.3km2，围堤长24.20km，垸内人口达2.8326万人。澧南垸设计蓄洪水位为44.61m，最大进洪流量为2380m3／s，最大蓄洪量为2.00亿m3，该蓄洪垸用过两次，一次是1998年7月漫溃，第二次是2003年7月启用蓄洪。

澧南垸防洪堤防24.2km，堤顶高程为43.745～46.245m，堤顶面宽3～8m，防洪标准5年一遇。现建有进退水闸，安全转移道路30km，其中混凝土路面、简易路面各15km。通信警报设施1套。

澧南垸担负着澧水超额洪水的蓄洪任务，启用标准为1954年型洪水，当津市水位44.0m（冰结基面）以上时启用。分洪闸调度运用的基本原则是：当控制点外河水位达到分洪水位且预报上游来水有继续增加的趋势、而下游需要减轻洪水压力时，则开闸分洪。在闸门刚刚开启时，垸内无水，水流流速大，为避免流速过大而使闸下游出现冲刷，需控制闸门开启度和闸门开启孔数；随着垸内蓄水量的增加和水位的抬高、水头降低，水流流速减缓，可增加闸门开启度和闸门孔数，分洪流量也相应增大；随着垸内水位的抬高，内外水位差越来越小，分洪流量也越来越小，直至最后水位持平，分洪流量为零，即分洪流量存在由开始时的比较小，随着开启度和闸门孔数的增大逐渐增大，又随着内水位的抬高而逐渐变小，到内外水位持平时分洪流量变为零的两头小、中间大的变化过程。

（2）河道设计水位及设计流量计算。

1）基本资料。澧南垸附近防洪范围内有津市水文站、刘家河水位站（澧县水利局设）和小渡口水位站，防洪范围外上有福桥水位站、石门水文站，下有新洲上水位站及石龟山水文站，观测资料齐全。因此洪水分析计算主要采用津市水文站和刘家河水位站资料进行。

津市水文（二）站位于津市城区，集水面积为17549km2，上距澧南垸刘家河12km，区间无大的支流加入。该站以上澧水干流河长388km，河流坡降为0.80‰。水文（位）站基本情况见表11.10。

表11.10　水文（位）站基本情况表

图11.7　关山水库洪水风险图

2）分洪频率。利用津市站1953～2005年历年最高洪水位资料进行频率计算，成果见表11.11：

表11.11　津市水文站设计洪水位计算成果表（56黄海基面）

注　均值＝37.95，Cv＝.06，Cs／Cv＝2。

再利用津市水文站与刘家河水位站1974～2005年32年的历年最高水位观测资料，建立津市水文站与刘家河水位站水位关系图，据此关系，计算得刘家河设计水位见表11.12。

表11.12　刘家河水位站设计洪水位计算成果表（56黄海基面）

3）河道设计流量过程线。澧水津市河段多年平均流量为478m3／s，实测最大洪峰流量15900m3／s。津市水文站1956～2005年共50年实测系列，有历史洪水1935年、1862年的调查资料，并对分流、溃垸年份的洪峰流量进行了还原计算，最后组成历史洪水和实测洪水的不连序系列进行频率计算，成果表11.13。

表11.13　津市水文站设计洪水计算成果表

澧水1998年和2003年发生了大洪水，津市站洪峰流量分别达到15900m3／s和17100m3／s，根据津市水文站该两年的洪水资料，按不同频率的设计流量进行同频率放大，得设计条件下不同典型年的各频率设计洪水过程线。

（3）洪流演进。由于澧南蓄洪垸用过两次，主要采用实际洪水年法进行分析；对反映洪水进行过程中的实时淹没范围、流速分布、水深分布等动态风险信息，因资料不足，故采用水文学法进行适当补充。分洪时洪水位计算主要采用津市水文站和刘家河水位站资料进行，分别计算20年、50年、100年一遇频率洪水的洪水位及分洪后的洪水过程、洪水淹没范围、特征点水深和历时。

1）分蓄洪计算。将设计条件下不同典型年的各频率设计洪水过程线按上述调度原则以及澧南垸高程—容积曲线，进行澧南垸在不同开闸孔数或开度组合情况下水位—泄流量的分洪计算，得各频率洪水的最大分洪流量和最大分洪量，成果见表11.14。

澧南垸分洪闸设计最大分洪流量为2380m3／s，从表11.14可看出，当发生20年一遇以上的洪水时分洪闸不能有效分洪，必须进行破口蓄洪（1998年和2003年分别为漫溃和破口蓄洪，进洪流量分别达到了9800m3／s和7500m3／s）。

表11.14　澧南垸分洪计算成果表

2）蓄洪水位计算。根据澧南垸高程与容积关系，计算出发生不同频率洪水时，澧南垸垸内最高蓄洪水位，见表11.15。

表11.15　澧南垸最高蓄洪水位计算成果表

根据前述计算结果可知，当发生50年一遇以上的洪水时，最大分洪量超过了澧南垸设计最大蓄洪量2.0亿m3，必须进行退洪和启用其他蓄洪垸进行蓄洪（如1998年和2003年进洪流量虽然达到了9800m3／s和7500m3／s，由于退洪等措施，澧南垸蓄洪量也只有2.0亿m3），因此，当发生不同频率洪水时，澧南垸垸内最高蓄洪水位采用成果见表11.16。

表11.16　澧南垸最高蓄洪水位采用成果表

3）最大流速计算。根据不同频率刘家河的设计洪水位及典型年洪水位，以及计算的最大进洪流量，假如均从分洪闸进洪，计算得可能的最大进洪流速见表11.17，100年一遇洪水最大进洪流速达到近10m／s。若按设计控制流量2380m3／s计算（其他流量由其他蓄洪垸分洪或澧南垸破堤蓄洪），100年一遇洪水最大进洪流速为3.28m／s。

表11.17　刘家河水位站设计洪水位计算成果表

4）最大水深计算。根据前述计算成果，不同频率最大水深采用成果见表11.18。

表11.18　澧南垸最大水深采用成果表

5）淹没历时估算。由于没有具体的退洪方案，没有进行洪水演进，也就没有淹没历时，但根据历史洪灾情况，淹没历时在35天左右。

（4）洪水风险图制作。根据上述洪流演进成果及历史洪水淹没情况，湖南省澧南垸洪水风险图如图11.8所示。

图11.8　湖南省澧南垸洪水风险图

水文分析计算及水资源评价实例分析

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