葉力明

(慈溪市水利局,浙江 慈溪 315300)

1 慈溪山塘水庫基本情況

慈溪市地處浙東杭州灣南岸,介于北緯 30°02'～30°24'和東經(jīng)121°02'～121°42'之間,為長江三角洲滬、杭、甬經(jīng)濟金三角地帶。全境地勢南高北低,呈丘陵、平原、灘涂3級臺階狀朝杭州灣展開。

慈溪全市共有山塘水庫95座,合計總庫容不到20萬m3,其中庫容最大為4.5萬m3,最小為0.15萬m3,分布在慈溪市東南部地區(qū)。壩型以均質(zhì)壩為主,壩高最高為17.8m,最低為1.7 m,集雨面積最大為2.4 km2,最小為0.05 km2。

2 山塘水庫防洪標準的確定

山塘水庫屬于庫容小于10萬m3小型擋水建筑物,水庫工程在當時建設(shè)時基本上是靠人力建造,且都沒有正式的設(shè)計,防洪標準普遍較低。在歷年暴雨和臺風雨期間,經(jīng)常發(fā)生壩體局部沖垮、壩坡沖毀和洪水越壩等危險情況,基于此,將山塘水庫防洪復核參照小(2)型水庫標準計算。依據(jù)國家標準GB 50201—94《防洪標準》中規(guī)定:當山區(qū)、丘陵區(qū)的水庫樞紐工程擋水建筑物擋水高度低于15 m,上下游水頭差小于10 m時,其防洪標準可按平原區(qū)、濱海區(qū)的規(guī)定確定,防洪標準可按設(shè)計重現(xiàn)期10 a,校核20～50 a,根據(jù)山塘水庫下游防洪重要性,失事后容易造成人員財產(chǎn)損失的山塘,特別是“屋頂山塘”,校核重現(xiàn)期取上限50 a,對于一些失事后損失不大的山塘,校核重現(xiàn)期可取下限20 a。

3 山塘水庫洪水及其洪水過程特性分析

流域內(nèi)洪水由暴雨形成,由于山塘流域集水面積較小,匯流時間短,一般均為全面積產(chǎn)流,漲洪歷時短,洪水陡漲陡落,山塘水庫洪水特性與暴雨特性基本一致。

設(shè)計洪水計算內(nèi)容一般包括設(shè)計洪峰流量、不同時段的設(shè)計洪水總量和設(shè)計洪水過程線3項,但根據(jù)工程特點和設(shè)計要求的不同,需要計算的設(shè)計洪水內(nèi)容和重點也不同。由于山塘水庫集水面積很小,再加上蓄水庫容較小,調(diào)蓄能力很弱,其防洪安全(最高庫水位)主要受洪峰控制,因此其設(shè)計洪水計算內(nèi)容主要是流域的設(shè)計洪峰流量的計算,對洪水過程線和洪水總量可不作詳細分析。

4 設(shè)計暴雨計算分析

山塘水庫分布散、數(shù)量多,幾乎沒有暴雨觀測資料,為計算方便,設(shè)計暴雨量的推求可采用《浙江省短歷時暴雨》(浙江省水文局,2003)圖集來查算。從圖集上查得各統(tǒng)計歷時的暴雨參數(shù),推求各歷時設(shè)計點雨量,并以此設(shè)計點雨量作為小流域設(shè)計暴雨量。對于山塘水庫這樣的小流域洪峰主要受短歷時暴雨控制,特別是10,60 min暴雨量顯得尤為重要。

此次防洪復核根據(jù)圖集中暴雨分布的特點,將慈溪劃分為東部山區(qū)和中部山區(qū)2個區(qū)塊分別查讀暴雨統(tǒng)計參數(shù)。各分區(qū)設(shè)計暴雨成果見表1。

表1 設(shè)計暴雨成果表 mm

5 設(shè)計洪水

慈溪山塘水庫其集水面積最大不超過3 km2,屬于特小流域,特小流域匯流主要以坡面匯流為主,針對其具體情況,在不影響計算精度的前提下,洪水計算方法應(yīng)具有3個方面的特點:適用于無資料地區(qū)、簡便易行、著重計算洪峰流量。

目前國內(nèi)推求特小流域設(shè)計洪水使用最廣的是推理公式法,而關(guān)于集水面積在3 km2以下的特小流域的研究并無經(jīng)驗的計算公式,且該研究領(lǐng)域的資料較少。在此次洪水分析中,根據(jù)浙江省小流域中推理公式的實際應(yīng)用情況,對于缺乏流域特征資料的具體情況,研究其適應(yīng)性及準確性。另外,根據(jù)慈溪市其他幾個中小型水庫的各頻率的設(shè)計洪峰流量來建立“洪峰流量模數(shù)～面積～重現(xiàn)期”回歸方程,采用區(qū)域回歸法來推求設(shè)計流域的設(shè)計洪峰流量。此次分析將通過這2種計算方案的分析比較,最終選定一種方案的計算結(jié)果作為設(shè)計流域洪峰流量的設(shè)計值。

5.1 推理公式法

推理公式法在國外稱為 “合理化”法,該方法結(jié)構(gòu)形式簡單,應(yīng)用方便,特別適用于無水文資料的地區(qū)。在徑流形成過程中,特別是在最大流量形成過程中,在一定降雨條件下,凈雨歷時tC與匯流時間τ的相對大小起了決定性的作用。這是因為,最大流量是由最大造峰面積上的凈雨形成的,而最大造峰面積則與凈雨歷時 tC有著密切關(guān)系,tC與τ的相對大小有2種情況:

當 tC＞τ,稱為全面匯流,意指造峰面積為全流域,此時

式中:hτ為相應(yīng)于τ時段的最大凈雨,mm;τ為流域匯流歷時,h;F為流域面積,km2。

當tC≤τ,成為部分匯流,意指造峰面積為部分面積,此時:

式中:hR為1次降雨的全部徑流深,mm;匯流時間τ,按下述方法求得,令匯流速度為:

式中:L為干流河長,km;J為河道坡降(以小數(shù)計);m為匯流參數(shù)。

由建立的方程組通過圖解法計算求得Qm和τ。

根據(jù)慈溪市其他幾個中小型水庫安鑒資料來進行地區(qū)綜合,可建立集雨面積F～匯流時間τ關(guān)系,并以此關(guān)系式確定τ。在集雨面積較小、等效河長比較短的情況下,匯流時間一般趨向于某一定值,據(jù)經(jīng)驗估計,該流域各山塘水庫匯流時間一般處在0.3～0.7 h之間,以此來校核計算所得τ是否在合理范圍內(nèi)。各中小型水庫匯流時間與流域特征值見表2。

對各水庫的集雨面積和匯流時間擬合關(guān)系線見圖1。由圖1可知,集水面積和匯流時間兩者基本呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.981,點據(jù)基本均勻分布在擬合直線的兩側(cè),可將此關(guān)系應(yīng)用于推求設(shè)計流域匯流時間。

擬合直線方程:τ=0.133 7F+0.323

據(jù)此求出τ后,再由暴雨衰減指數(shù)來計算匯流時間內(nèi)的最大降雨強度,從而由推理公式計算得各特小流域設(shè)計洪峰流量。由于匯流時間均很小,可忽略此時段內(nèi)土壤穩(wěn)定下滲的損失量,故產(chǎn)流計算可簡化不計。計算成果見表3。

表2 各水庫匯流時間與流域特征值表

圖1 集水面積與匯流時間相關(guān)圖

5.2 區(qū)域回歸法

區(qū)域回歸法也可稱為地區(qū)綜合法,是通過流域特征變量來估計無資料地區(qū)設(shè)計洪水的一種方法。首先,可以利用流域內(nèi)有資料地區(qū)的設(shè)計洪水成果,建立一定重現(xiàn)期下洪峰流量與流域特征值的回歸方程;然后針對建立的回歸方程,采用線性回歸分析或非線性優(yōu)化方法確定回歸方程的系數(shù);最后,根據(jù)水文分區(qū),選取相應(yīng)的回歸方程,確定方程中所含流域特征項的值,直接代入公式計算洪峰流量。

通過分析“洪峰流量模數(shù)(M)— 集水面積(F)— 重現(xiàn)期(N)”之間的關(guān)系線,來確定回歸方程。根據(jù)收集得的慈溪市一些中小型水庫的流域特征值,計算2,5,10%等3個頻率的設(shè)計洪峰流量,將各頻率洪峰流量模數(shù)M與集水面積F點繪在坐標紙上(見圖2),通過線性回歸分析擬合出各重現(xiàn)期洪峰流量模數(shù)M與F的數(shù)學關(guān)系。

通過回歸分析,得出洪峰流量模數(shù)M與F關(guān)系:

從回歸方程中可以看出,回歸系數(shù)呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,隨重現(xiàn)期減小而增大,相關(guān)系數(shù) r則隨著重現(xiàn)期減小而減小,故區(qū)域回歸方程的精度也隨之降低,總體上相關(guān)性顯著,可利用此關(guān)系線作適當外延。

圖2 各重現(xiàn)期洪峰模數(shù)與集水面積關(guān)系圖

根據(jù)建立的回歸方程,將各小山塘的集水面積代入公式中,即可求得各頻率的洪峰流量,計算成果見表3。

5.3 設(shè)計洪水成果合理性分析

由表3可知,由區(qū)域回歸法計算得到的各頻率設(shè)計洪峰流量小于由推理公式法計算成果,通過相對差分析可以發(fā)現(xiàn),集水面積越小,2種方法的計算成果偏差越大,隨著集水面積的增大,計算成果的相對差趨于縮小,如石門檻水庫,集水面積為2.4 km2,2種方法計算相對差在7%～8%,而集水面積為0.05 km2的山塘,2種方法計算相對差甚至達到35%～40%。經(jīng)分析比較洪峰流量模數(shù),認為區(qū)域回歸法計算成果較為合理,而推理公式法在推求匯流時間時,外延部分的幅度與精度不宜掌握。

將由計算所得的50 a一遇洪峰流量與相應(yīng)集水面積點繪在雙對數(shù)坐標紙上,繪制相關(guān)圖,詳見圖3。

圖3 洪峰～面積相關(guān)圖 (N=50 a)

由圖3可知,點據(jù)上部斜率較小,而下部斜率較大,這符合一般規(guī)律。

綜上所述,此次推薦采用區(qū)域回歸法所得成果。

表3 不同方法洪峰流量和需要溢洪道尺寸計算成果表

6 泄洪能力復核計算

采用區(qū)域回歸法的計算結(jié)果作為設(shè)計流域洪峰流量的設(shè)計值。水庫泄洪主要依靠溢洪道,溢洪道多為漿砌實用堰,以此計算各頻率下所需溢洪道的尺寸,成果見表3。

溢洪道泄流采用:

式中:m為流量系數(shù),實用堰采用0.42;B為溢洪道寬,B=20 m;H0為堰上水頭。

7 結(jié) 語

通過以上分析計算,山塘水庫設(shè)計選用區(qū)域回歸法的計算成果較為合理,并以此洪峰流量來確定溢洪設(shè)施的規(guī)模,為山塘水庫治理提供了設(shè)計參數(shù)。慈溪市按照此方法完成了新一輪的水庫綜合整治,并經(jīng)歷了多次短歷時暴雨和臺風暴雨的考驗,證明按此方法計算成果比較合理,也符合實際。