陈家坑水库水文计算

2023-02-18

1 流域概况

拟建的陈家坑水库是桃花山三级电站的调节水库, 坐落在九峰桥河中游主河流上。位于湖北省鹤峰县燕子乡清水湄村三组, 距桃花山三级电站大长湄引水坝上游约2km。九峰桥河是一条以岩溶地下暗河为主的河流, 发源于湖北省五峰县的上弯子河, 上游为夹沙溪, 由北向西南流经鹤峰县的清湖, 燕子坪等地于鹤峰县城关上游4km处汇入溇水, 流域面积216.8km2, 干流长约40km, 总落差1461m, 平均坡降36.5‰。该流域地处灰岩地区, 岩溶发育, 岩溶泉、洼地、天坑、暗河、落水洞以及溶洞遍布是本流域最显著的特征。天坑的面积占全流域面积约30%, 这些天坑溶洞对雨洪和径流有明显的滞蓄和调蓄作用。流域内森林植被茂密, 森林覆盖率在80%以上, 流域内人类活动影响小, 水土流失不严重, 河流含沙量低, 清水期约300d。

2 水文气象

2.1 水文气象站网及基本资料

工程所在的流域九峰桥河没有水文资料, 而该流域属溇水上游的鹤峰水文站控制范围。鹤峰水文站流域面积649km2, 于1959年设站, 从1960年起有实测水位流量资料, 是国家基本水文站网, 水文测验和资料整编均合乎规范要求。鹤峰以上溇水流域共设有鹤峰、清湖、下坪、燕子坪、中营等7个雨量站, 其中燕子坪、清湖站在九峰桥河流域内。上述雨量站以鹤峰站系列最长, 达40年以上, 其他站系列长为20～25年左右。以鹤峰水文站作为陈家坑水库水文分析的参证站, 7个雨量站能满足径流分析中考虑流域降雨量改正的要求。

2.2 水文气象特征

本流域属亚热带湿润地区, 雨量充沛, 且年雨量变差较小。据统计, 溇水上游单站实测最大年降雨量中营站达3049mm (1983年) , 实测最小年降雨量燕子坪站1207.3mm (1971年) 。降雨受流域地形影响明显, 总的趋势是由北而南, 由西而东递增, 每年4～10月为汛期, 降雨量约占全年的80%;11～3月为枯期, 降雨量约占全年的20%。形成暴雨的天气系统主要是梅雨降系, 加上地形对气象抬升作用, 是长江流域著名的暴雨区。“35.7”暴雨就发生在溇水上游五峰县湾潭镇, 调查一日点雨量达600mm以上。流域内的鹤峰气象站, 站址海拔500m, 而研究流域海拔在1300m左右, 海拔悬殊, 地形复杂, 故鹤峰气象站实测资料不能代表全流域, 仅作参考使用。其他特征值为:多年平均蒸发量1002mm;多年平均气温15.4℃;极端最高气温40.7℃;极端最低气温-10.1℃;多年平均风速0.70m/s;历年实测最大风速14.3m/s;最多风向为SSW, 多年平均无霜期226日。溇水径流来自降水, 由于降雨量丰沛, 相应径流深值也较大, 且径流年间变化较小, 枯期径流占全年的比重较小, 是本流域的特点。鹤峰水文站实测年最大径流深为1783.3mm (1964年) , 最小径流深346.6mm (2001年) 。从1960～2002年长43年系列中, 径流特性如表1所示。

洪水由暴雨形成, 洪水发生频繁, 过程陡涨陡落。每年4～10月为汛期, 其中 (6～8) 月为主汛期。九峰桥河的洪水过程线以单峰为主, 历时1d～2d。鹤峰水文站实测最大洪峰流量1960m3/s (1962年) , 最小洪峰流量288m3/s (2001年) 。

3 鹤峰水文站水文年及11～3月径流分析

3.1 统计参数及设计值

鹤峰水文站实测流量系列1960～2002年, 多年平均流量22.74m3/s, 相应径流深1105mm。年平均流量最大值为34.95m3/s (1964.4～1965.3) , 最小值8.74m3/s (2001.4～2002.3) ;枯水期11～3月, 平均流量最大值1 6.0 2 m3/s (1989.1 1～1990.3) , 最小流量1.56 m3/s (199 8.11～1999.3) , 多年平均流量8.63m3/s。

3.2 设计代表年

以设计代表年年径流量和枯季 (11～3月) 径流设计值相接近的原则选取设计代表年。经比较分析, 选取结果如表2所示。由于实测值和设计值有一定的差值, 以设计年平均流量值和实测年平均流量值之比值来修正, 求得该站设计代表年4月至翌年3月的逐日平均流量过程。

4 径流推算

4.1 径流

九峰桥河无实测流量资料, 而该流域为鹤峰水文站所辖的一条支流, 两者具有相同的水文气象特征, 两流域同属一个暴雨区, 下垫面条件基本一致, 流域形状相似, 具有相似的产汇流特点。陈家坑水库集水面积为150.95km2, 占鹤峰水文站流域面积 (649平方公里) 的23.3%, 故以鹤峰水文站作为陈家坑水库坝址的径流设计参证站。

鹤峰水文站1960～2002年多年平均流量为22.74m3/s。考虑到两流域降雨的差异, 进行降雨量修正, 分别计算出本流域分月降雨量修正折算系数, 采用水文比拟法, 得到陈家坑水库坝址1960～2002年共43年径流系列, 其多年平均流量为5.19m3/s, 多年平均径流量为1.637亿m3, 多年平均径流深为1084.5mm, 径流系数为0.61。陈家坑水库坝址多年平均月径流分配见表3。

4.2 径流系列代表性分析

坝址径流计算参证站为鹤峰水文站, 其水文资料能满足本阶段水文精度要求。径流系列中大于系列均值有19年, 小于系列均值24年。连续大于平均值的丰水年不超过5年 (1967～1971年) , 连续小于平均值的枯水年达6年 (1991～1997年) , 连续接近系列均值的平水年不超过3年。从年径流的年序变化过程看, 20世纪60年代末至70年代初为年径流偏丰段, 20世纪60年代中期为年径流偏枯期, 1980～2002年丰枯现象交替出现。

4.3 径流特性

九峰桥流域径流由降水补给形成, 多年平均年降水量约1771.5mm, 径流深为1105mm。与降水量的地区分布较为一致。鹤峰水文站43年系列中包括丰、平、枯水年份, 其中1998年、1983年为丰水年, 丰水年径流约为枯水年的2～3倍, 为平水年的1～2倍;年径流变差系数CV为0.27, 说明该流域位于暴雨区, 径流年际变化不大。径流年内分配不均匀, 径流量主要集中在丰水期5～9月, 占年水量67.5%, 以7月为最大, 占年水量18.5%;4月、10月分别约占年水量7.85%、7.8%, 枯水期中以1、2月为最枯。

4.4 坝址设计年径流

根据鹤峰水文站历年年平均流量, 采用面积比, 用雨量修正推算陈家坑水库坝址年平均流量系列, 采用P-Ⅲ型曲线适线, 统计参数及设计成果见表4。

4.5 陈家坑水库可蓄水量推算

陈家坑水库坝址的径流量由三部份组成, 即 (1) W1桃花山一级电站 (董家坪滚水坝及清湖取水口以上流域) 引水后多余的径流量; (2) W2陈家坑水库坝址至董家坪滚水坝～清湖取水口以下17.55Km2的来水量; (3) W3董家坪滚水坝的渗漏流量 (根据大肠湄站2003～2007年实测流量成果推算) 。

根据统计参数采用配线法求得陈家坑水库丰、平、枯年份来水量, 扣除 (1) 桃花山一级电站引水量, (2) 湖坪分洪遂洞分洪量, (3) 桃花山三级电站引水量。根据水量平衡原理推算陈家坑水库建库后设计频率的可蓄水量如下表5。

5 洪水

九峰桥流域无实测水文资料, 本次采用了以流量及暴雨资料两种方法分别进行计算。

5.1 用流量资料推求设计洪水

九峰桥河为鹤峰水文站以上溇水流域的一条支流, 两者具有相同的水文气象特征。根据鹤峰站实测的流量资料, 采用水文比拟法推求陈家坑水库坝址的洪峰流量, 并以多年平均雨量来修正。

5.2 用暴雨资料推算设计洪水

流域内气候温和多雨, 雨量充沛, 年平均雨量为1771.5mm;雨量的年内分配受季风环流的影响很不均匀, 3、4月进入雨季, 暴雨出现时间多在6～9月, 7月出现机会最多;经统计, 流域内最大日雨量为1981年2 7 7.8 m m。

根据本流域燕子坪雨量站的实测降雨量 (1970～2002年) 资料, 计算出流域面平均降雨量, 并对年最大24h暴雨系列进行了频率分析。雨型分配采用《湖北省可能最大暴雨图集》综合概化24h设计雨型 (△t=1h) 。据《图集》查得不同历时点暴雨统计参数及不同降雨历时点面折算系数, 采用原水科院推理公式推求Qm。

推理公式为:

5.3 洪水成果合理性分析

用流量、暴雨两种途径推求的陈家坑水库设计洪水成果, 见表6。

由表6可知, 采用流量方法计算稀有频率的设计洪峰流量比暴雨推算的流量小28%～22%, 百年以下频率设计洪峰比暴雨推算的大1%～2%。由于设计面暴雨采用的是图集最大1h、6h、实测最大24h雨量成果, 图集中降雨等值线勾绘, 考虑了历史特大暴雨资料, 暴雨时空分布、走向及地形对等值线的影响等诸多综合成因, 稀有频率《图表》查算雨量值一般情况下均大于实测资料。因此, 用图集短历时暴雨推算出的洪峰流量偏大, 用实测24h雨量推算出的洪量与流量推算成果较为一致, 从降雨成因上分析是合理的。因此, 本次推荐用流量法计算的成果作为陈家坑水库坝址处的设计洪水。

5.4 产汇流计算

5.4.1 产流计算

产流过程是暴雨通过扣除损失后得到的净雨过程, 净雨过程是由设计面雨量扣去初损和稳损而得。本次设计初损取22.5mm。

稳损计算公式为:

5.4.2 汇流计算

流域汇流采用瞬时单位线法推求本站坝址处的洪峰流量及洪水过程线。陈家坑流域属湖北省七水文分区, 同时也属于岩溶发育流域, 其天坑率按0.30考虑, 水库设计洪水采用岩溶区特殊流域汇流参数计算。

5.4.3 坝址处的单位线及地表径流计算

九峰桥河是一条以岩溶地下暗河为主的河流, 瞬时单位线采用考虑天坑影响的单位线的成果。

5.4.4 坝址处的地下径流计算

退水指数为β=0.133F-0.28=0.044径流过程底宽为T=tc+D-△t小时。

设起涨流量Q0, 地下径流洪峰Qg并计算如下:Q0=0.021*fc^1.14*F;

根据Q0, Qg和T按如下公式计算地下径流Qt;

6 泥沙

流域内森林植被茂密, 森林覆盖率在80%以上, 人类活动影响小, 水土流失不严重, 河流含沙量低, 清水期约300天。因该流域无泥沙资料, 可以借用清江恩施站年平均悬移质含沙量0.539kg/m3, 推移质为悬移质含沙量的20%计算区间年均总输沙量及水库淤积过程。

7 结语

九峰桥河流域自然地理条件特殊, 属于岩溶发育地区, 岩溶泉、洼地、天坑、暗河、落水洞星罗棋布, 其来水量研究的难点在于如何处理好研究断面上游的两处跨流域调水量, 即 (1) 桃花山一级电站引水量, (2) 湖坪分洪遂洞汛期分洪量。本文采用了数理统计法、水文比拟法、参数等值线法, 根据水量平衡原理对径流的形成, 洪水的组成进行了研究。

陈家坑水库的来水量成果对桃花山三级电站的可持续发展 (即调节水库的建设) 具有指导意义, 对岩溶地区类似水电工程设计洪水提供了参考。

摘要：本文以鹤峰水文站为参证站, 采用数理统计法、水文比拟法、参数等值线法, 根据水量平衡原理对分析了陈家坑水库的径流特性, 可供类似工程参考。

关键词：水库,水文,径流