水電站洪水設計分析論文

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古田溪是閩江下游北岸支流之一，全河分四級開發，一級水電站控制集水面積1325km2，占全流域的78.4%，總庫容6.4億m3，為年調節水庫，二級龍亭水電站，三級高洋水電站，四級寶湖水電站，集水面積分別為1551km2、1697km2和1722km2，庫容甚小均為日調節水庫。一級水庫對于各個梯級的發電、防洪起著舉足輕重的作用，是設計洪水復核的重點。

一級水電站建于1959年，至今已40多年了。隨著時間的推移，各個水文站積累了一大批觀測資料和梯級水庫運行紀錄，情況也發生了很大變化。為確保水庫的防洪安全和提高防洪、發電效益，研究提高汛限水位的可行性，于是提出了對梯級電站設計洪水進行復核的工作。本次設計洪水的復核，包括洪水資料可靠性、代表性、一致性審查、特大洪水論證與處理、設計洪水頻率計算、設計洪水過程線推求和成果可靠性分析等。

1.資料的審查

水文資料是水文分析計算的依據，它直接影響著此次設計洪水計算的精度、可靠性，是設計洪水計算的基礎。該項工作包括資料的可靠性、代表性和一致性審查三個方面

1.1資料可靠性分析

古田溪一級水庫以上有大橋、前垅、達才、錢板、平湖（源里）等5個水文站和十五個雨量站。資料每年按規范要求整編和送福建省水文總站匯審，具有良好精度。建庫后，電廠對一級水庫庫水位、泄洪、發電、下游水位、入庫站流量均有系統完整的觀測記錄，因此用水量平衡法反算入庫洪水，是可靠的。

關于古田溪歷史特大洪水調查先后進行過兩次，第一次是1954年7月水電總局101工程勘測隊開展的，沿溪測量了1952年特大洪水痕跡，同時還調查了1948年洪水。第二次是1956年9月上海院會同古田水文站進行的，調查和推算了1952、1931、1948年特大洪水。1964年上海院最后確認一級水庫壩址1952、1931、1948年特大洪水洪峰流量依次為4200、3430、3170m3/s，估計1952年洪水重現期約為80~200年，1931年約為30年，1948年屬一般洪水。1964至今36年來尚未發生比1931年更大的洪水，因此，可將1952年的洪水重現期認定為116-236年，平均約為180年；1931年約為60年。特大洪量的重現期難于調查，除一天洪量與洪峰流量關系密切可認為與洪峰同頻率外，其它洪量重現期均難以確定，從安全考慮將作一般洪水看待。

1.2資料一致性分析

根據防洪計算要求，設計洪水應為建庫條件下的入庫洪水，對此進行調洪計算，推求設計洪水位和校核洪水位。因此必須把1931、1946~1958年建庫前的實測壩址洪水和1959年建庫后實測的庫水位、泄流、發電資料全部轉換為入庫洪水，以保證洪水系列的一致性。壩址洪水轉換，參照華東院1987年研究成果，入庫洪水與壩址洪水的洪峰流量、一天洪量、二天洪量、四天洪量的比值分別為1.16、1.04、1.00、1.00，按此將建庫前實測的壩址洪水轉換為入庫洪水。建庫后的入庫洪水，按照下述水量平衡方程反算：

式中是時段的平均凈入庫流量（即已扣除了水庫的蒸發、滲漏損失），取1小時；、分別為時段初、末的蓄水容積，由庫水位紀錄查庫容曲線求得；為溢洪道泄流和發電流量之和，分別由泄流記錄和發電負荷紀錄計算。

1.3資料代表性分析

一級水庫洪水系列具有1946~1958年的實測流量記錄和1959年至今反算的入庫洪水，洪水系列長達50多年，如圖1所示，包括多個豐枯周期性變化（每個周期約11年左右），并有可靠的歷史特大洪水資料，具備了良好的代表性要求。

以上表明，一級水庫洪水系列具有良好的可靠性、一致性和代表性，根據設計洪水計算要求，可以采用由流量資料推求設計洪水。

圖1多年洪峰流量變化過程

2．設計洪峰洪量計算

2.1洪水頻率分析

古田溪一級水電站為二級工程，按規范確定大壩設計洪水標準為100年一遇，即p=1%；校核標準為千年一遇，p=0.1%。

按規范要求，考慮特大洪水作用，對一級水庫入庫洪峰、洪量系列按統一樣本法計算經驗頻率，按矩法初估統計參數—均值、Cv和Cs，分布函數選用P-Ⅲ型，最后以適線法確定理論頻率曲線，如圖2為洪峰流量的理論頻率曲線，得設計洪峰、洪量見表1：

表1古田溪一級水庫入庫洪水頻率計算成果表

項目

成果名稱

洪峰流量

Qm(m3/s)

洪量W（106m3）

一天

二天

四天

統計參數

均值

1719

66.1

91.3

122.6

Cv

0.49

0.46

0.45

0.43

Cs/Cv

3.5

線型

P-Ⅲ

設計值

頻率

（%）

0.1

6370

229

310

399

1

4622

169

229

298

圖2一級水庫洪峰流量理論頻率曲線

3.設計洪水過程線推求

采用典型洪水同頻率控制放大法推求設計洪水過程線，即首先選擇典型洪水，然后按推求的設計洪峰、洪量對典型洪水進行放大。

古田溪屬山溪性雨洪河流，洪水由暴雨形成，溪水源短流急，暴漲暴落，降雨分布常常不均勻，洪水峰型以雙峰和多峰居多。年最大洪水發生在3~10月，以5月下旬至7月中旬和9月居多，前者多為鋒面雨，后者常為臺風雨。根據洪水特性和工程設計要求，從一級水庫實測資料的入庫洪水中，選擇了前八位的大洪水年份，即1966，1990，1977，1988，1968，1974，1982和1992年的洪水過程進行比較分析，最后從中選擇了兩個典型：(1)1966年9月洪水發生時間比較靠后，地區分布上主要來源于上游，是晚期大洪水典型；(2)1992年7月5日~9日洪水，屬多峰型洪水，峰、量都很大，尤其洪量無論在一級水庫還是在區間均居第二位，地區分布上區間較大，是主汛期大洪水典型。據以往分析，對一級水庫防洪起決定作用的是設計洪峰和一天洪量、二天洪量、四天洪量，因此以設計洪峰、一天洪量、二天洪量和四天洪量為控制，分段放大典型洪水過程線，在保持時段設計洪量不變的條件下進行修均，即得某種典型計算的設計洪水過程線（見圖3、圖4,）。

圖3設計洪水過程線(66年9月型)

圖4設計洪水過程線(92年7月型)

4.結論

從以下幾個方面看，此次復核計算成果是比較合理可靠的，可作為下一步研究提高汛限水位可行性時調洪計算的依據。

1、實測洪水從1946-1999年，歷時54年，超過洪水設計規范要求的不低于30年的要求，并有豐富可靠的洪水調查成果，為正確計算奠定了牢固的基礎；

2、古田溪屬典型山區性河流，洪水陡漲陡落，其洪水統計參數Cv隨統計時段增長而逐漸減小，符合洪水變化的一般規律；設計洪水統計參數——均值、（=W/T,W為歷時T的洪量）、Cv、Cs/Cv隨統計歷時的變化，均有很好的規律性；

3、各頻率曲線綜合在一張圖上，彼此協調，不會出現相互交叉現象；

4、與上下游及相鄰流域洪水頻率分析成果比較，一級水庫的設計洪水統計參數與相關線（地區經驗公式）配合緊密，符合洪水的地區變化規律。

5、與1987年、1993年洪水復核成果相比（見表2），雖稍有偏大，但相差甚微，說明成果是相當穩定可靠的。

表2古田溪一級水電站洪水復核成果比較

復核年份/復核單位

P=0.1%

P=1%

Q

W1

W2

W4

Q

W1

W2

W4

1987/華東院

6110

239

311

374

4470

173

228

295

1993/武水

6330

219

300

386

4610

162

223

290

2001/武漢大學

6370

229

310

399

4622

169

229

298

注：Q代表洪峰流量，單位為m3/S；W1、W2、W4分別為一天、二天、四天洪量，單位為106m3。

Abstract:WestudythefeasibilityofheighteningthelimitingwaterlevelduringfloodseasonaboutthefirstcascadedpowerstationGutianxi,itbaseonthenewhydrologicaldataandoperationalrecordofthepowerstationafterbuildingreservoirin1959.Scientificallyprobethecalculationmethodofreservoirflood、dealwiththeextraordinaryflood、analyzingtherepresentationofdata、frequencyanalysisandassaytherationalityofresults.Insuretheresultsofcalculatingthedesignfloodofthefirstcascadedpowerstationisaccurateandreliable,makethesturdybasefordeeperstudythefeasibilityofheighteningthelimitingwaterlevelduringfloodseason.

Keywords:Feasibility；Designflood；Calculate；Analyzetherationality

作者簡介：陳剛（1977—），男，湖北孝感人，助理工程師，從事水文水資源工作。

參考文獻：

（1）雒文生、宋星原，洪水預報與調度，湖北科技出版社，2001；

（2）古田溪梯級電站設計洪水復核與優化調度方案研究，武漢水利電力大學，福建省古田溪水力發電廠，1999；

（3）郭生練，水庫調度綜合自動化系統，武漢水利電力大學出版社，2000。