生态旅游开发项目水库防洪安全评价计算

2-夏县晋平黄河生态旅游开发项目防洪安全评价报告0-生态旅游开发项目水库防洪安全评价计算水文分析计算现收集水文资料有：(1)泗交水文站观测的泗交河支流王家河1973～1999年27年径流资料，见表4-1。(2)泗交河和清水河流域上游马家庙雨量站1960～2005年降雨实测资料，见表4-2。泗交水文站王家河年径流量统计表表4-1单位：万m3序号年份年径流量序号年份年径流量11973111.21519871412197472.2716198821131975212.517198923441976161.7181990256519771141919911366197888.920199220871979114211993198.381980171221994159.79198112823199574.7101982393241996120.711198339325199750.6121984423261998447.8131985401271999141.5141986158马家庙雨量站降水资料统计表单位：mm序号年份年降雨量序号年份年降雨量11960434.2241983966.321961948.5251984969.131962460.5261985872.641963566.5271986617.4519641039.4281987768.961965446.9291988782.171966756.3301989704.781967769.1311990781.391968831.1321991615.4101969670.2331992722.1111970692.6341993780.6121971890.8351994645.1131972596.0361995613.8141973785.6371996788.2151974703.8381997401.6161975781.9391998979.8171976725.2401999688.9181977684.1412000604.4191978688.6422001639.4201979698.0432002694.0211980704.54420031119.6221981647.9452004729.7231982994.8462005734.24.2径流4.2.1年径流量计算(1)泗交水库以上引泗济运工程在寨里河、王家河上建有简易引水设施，引取两河的清水基流。而南河、法河的清水基流尚未开发，此部分水量可作为受益区水源之一。泗交水库(已成)主要拦蓄泗交河扣除引泗济运工程引水量后的地表径流。泗交大坝位于泗交镇土崖头村，控制流域面积107.2km2，流域内有四条支流：寨里河、王家河、南河、法河，长60.25km。支沟7条，长48.5km，总长109.75km，各支流的流域面积见表4-3。泗交大坝控制流域面积汇总表表4-3河流名称流域面积(km2)土石山区(km2)岩石山区(km2)森林面积(km2)寨里河66.77.259.519.0王家河15.54.011.5南河14.51.812.75.8法河9.09.07.7支沟1.51.5合计107.21394.232.5①地表径流计算泗交水文站位于夏县泗交镇泗交村，测流断面设在泗交河支流王家河上，测流断面以上控制流域面积13.9km2，流域平均宽度‰。该站于1973年6月由山西省水文总站设立。从径流资料分析，1973～1999年共27年资料，既有1982～1985年的丰水年组，又有1988～1990年的平水年组，也有1994～1997年的枯水年组，包含了丰、平、枯各种年份，具有较好的代表性，基本满足分析计算要求。寨里河、南河、法河上无任何观测资料。因此，泗交河年径流分析计算借用其支流王家河测流断面处年径流资料，采用水文比拟法计算。水文比拟法的基础是影响设计年径流量的各项因素与参考流域极为相似，即气候条件一致，流域下垫面情况相似，现分析两流域的各项因素。A气候条件：王家河是泗交河的第二大支流，位于泗交河流域中部，均属于同一气候区，气候条件相似。km2，其中km2，无森林覆盖面积，故泗交河径流调节能力应好于王家河流域。因此，采用水文比拟法，将王家河流域的水文资料移植到泗交河流域上是可行的，且偏于保守的。根据王家河的实测资料，按流域面积比进行修正。计算公式为：W泗＝KW王K=F泗/F王式中：W泗、W王—泗交河的径流量和王家河径流量(万m3)；F泗、F王—泗交河的流域面积之和及王家河流域面积(km2)。计算年径流量详见表4-4，将各年可引水量大小按递减次序排列，详见表4-5。泗交河年径流量计算表表4-4序号年份年径流量(万m3)序号年份年径流量(万m3)11973857.601519871087.4021974557.401619881627.30319751638.801719891804.70419761247.101819901974.3051977879.201919911048.9061978685.602019921604.1071979879.202119931529.30819801318.802219941231.6091981987.20231995576.101019823030.90241996930.901119833030.90251997390.201219843262.302619983453.501319853092.602719991091.301419861218.50泗交河年径流量经验频率表表4-5序号年份年径流量(万m3)频率(%)序号年份年径流量(万m3)频率(%)119983453.503.571519861218.5053.60219843262.307.141619991091.3057.10319853092.6010.701719871087.4060.70419823030.9014.301819911048.9064.30519833030.9017.90191981987.2067.90619901974.3021.40201996930.9071.40719891804.7025.00211979879.2075.00819751638.8028.60221977879.2078.60919881627.3032.10231973857.6082.101019921604.1035.70241978685.6085.701119931529.3039.30251995576.1089.301219801318.8042.90261974557.4092.901319761247.1046.4271997390.2096.401419941231.6050.00年径流频率计算结果见表4-6。泗交水库年径流量频率计算成果表特征参数P=50%P=75%P=95%均值1520.01267.4787.2417.6Cv0.66Cs/Cv2.4C成果合理性分析王家河实测径流资料系列较长，包括了上世纪九十代中期枯水年组，具有很强的代表性。无论植被覆盖还是地形地貌，泗交河流域均优于王家河流域，因此，根据王家河的实测资料，采用水文比拟法确定泗交水库坝址处的地表年径流量是可靠的。(2)泗交水库～祁家河乡段此段无实测径流资料，年径流量分别采用清洪径流分别计算法、年降水与年径流关系法两种方法计算。①清洪径流分别计算法A清水径流量泗交水库～祁家河乡段均属石灰岩，岩溶裂隙发育，含水丰富,经走访当地群众，多年流量稳定。为给工程建设提供可靠依据，摸清清水基流的基本情况，自2006年10月份起，水文观测人员多次在拟建坝址进行实地测量，测量结果表明坝址处设计年枯水流量平均值为0.5m3/s，则年总来水量为1560万m3。清水基流观测成果表测流位置流量时间拟建坝址2009.10.50.552010.3.80.52010.9.100.53B洪水径流计算洪水径流量按下式计算：W＝0.1×F×h式中：W—径流量(万m3)；F—坝址以上流域面积(km2)，取77.5km2；h—径流深(mm)。流域附近有马家庙雨量站。因此采用马家庙雨量站资料进行分析计算。对1960～2005年46年的年降水量按递减次序排列，详见表4-8。年降水量及经验频率表表4-8序号年份降雨量（mm）频率(%)序号年份降雨量（mm）频率(%)120031119.62751.10219641039.44.26251980704.553.2031982994.86.38261974703.855.3041998979.88.51271979698.057.4051984969.110.60282002694.059.6061983966.312.80291970692.661.7071961948.514.90301999688.963.8081971890.817.00311978688.666.0091985872.619.10321977684.168.10101968831.121.30331969670.270.20111996788.223.40341981647.972.30121973785.625.50351994645.174.50131988782.127.70362001639.476.60141975781.929.80371986617.478.70151990781.331.90381991615.480.90161993780.634.00391995613.883.00171967769.136.20402000604.485.10181987768.938.30411972596.087.20191966756.340.40421963566.589.40202005734.242.60431962460.591.50212004729.7044.70441965446.993.60221976725.246.80451960434.295.70231992722.148.90461997401.697.90经计算，多年平均降水量为733.0mm，Cv=0.21。采用适线法，确定参数X=733.0mm，Cv=0.23，Cs=2Cv。各设计频率年降水量见表4-8。夏县晋平黄河生态旅游开发项目防洪安全评价报告查《山西省运城地区水文计算手册》附表2-3和附表3-3，求汛期降水量占全年降水量的百分比,按流域各地类分区面积加权平均计算设计频率汛期径流深。计算结果见表4-9。年径流计算成果表（一）表4-9特征参数年频率年降水量（mm）汛/年(%)汛期降水量（mm）汛期径流深（mm）流域面积（Km2）洪水径流量（万m3）均值73350%720.267.4485.4101.7877.5789Cv0.2375%611.360.5369.855.6277.5431Cs/Cv295%479.358.3279.431.9877.5247C年径流总量清水和洪水径流之和为年径流量：P=50%W=2349万m3P=75%W=1991万m3P=95%W=1807万m3②年降水与年径流关系法根据各频率的年降水量，查《运城地区水文手册》年降水量与年径流深表，求得年径流量，计算成果表见表4-10。年径流计算成果表（二）表4-10频率年降水量（mm）年径流深（mm）控制流域面积（Km2）年径流量（万m3）P=50%720.2212.677.51648P=75%611.3143.777.51114P=95%479.378.1277.5605③成果分析两种方法计算成果见表4-11。年径流计算成果汇总表频率清洪分别计算法年降雨与径流深关系法P=50%23491648P=75%19911114P=95%1807605由表4-11知，两种计算的成果偏差较大。后者所查资料仅用至1972年，资料系列短，误差较大。特殊的地质构造和岩体结构使水文手册统计的降雨与径流规律已不符合实际情况，所以采用清洪分别计算法计算的成果。4.2.2径流年内分配⑴设计典型年泗交河1997年径流量为390.2万m3，与P=95%时年径流量为417.6万m3接近，则选1997年王家河径流资料作为设计典型年,进行径流年内分配。清水河与泗交河相邻，暴雨量基本一致，平均纵坡坡比较接近，选用王家河1997年暴雨径流资料作为设计典型年，进行径流年内分配。各月径流量见表4-12。典型年径流量各月分配表月份4.8650.6⑵径流年内分配泗交水库和祁家河水库各月径流见表4-13。径流年内分配表水源23.94.3洪水由于本流域内无洪水资料，洪水计算采用《山西省暴雨洪水计算实用手册》(以下简称《手册》)推荐的“推理公式配合概化过程线”法进行计算,推求各频率下洪峰流量及洪量。4.3.1暴雨特性和洪水特性流域地处中条山迎风面，地形复杂，夏季多暴雨，集中在7～8月份，暴雨来势猛烈，破坏性大，相应的洪水具有历时短、强度大、灾害重的特点。4.3.2设计洪水⑴推求设计暴雨采用间接法计算，即先求流域中心设计点暴雨量，然后通过暴雨的点面关系，求相应的面暴雨量。查《手册》附图一至附图十得控制历时为10min、1h、6h、24h、3d的点暴雨量均值hot及变差系数Cv，再根据需求的设计频率，查《手册》附表1求得模比系数KP。各种历时的暴雨量Ht可由下式求得：Ht=KP·Hot式中：Ht—频率为P历时t的设计点暴雨量（mm）；KP—频率为P的摸比系数；Hot—历时t的暴雨均值（mm）。设计频率的点暴雨量、面暴雨量见表4-14、4-15。各频率点暴雨量表4-14单位：mm历时H10%H3%H0.5%10min22.430.041.31h54.977.8112.26h92.0130.5188.224h131.5182.4257.63d160.0219.5310.6各频率面暴雨量表4-15单位：mm历时H5%H2%H0.5%10min22.430.041.31h53.073.9102.96h88.7125.6180.824h128.9179.4253.63d157.5216.8307.1⑵时程雨型设计根据短历时暴雨的时—深关系计算式中：Ht—某一频率下历时为t的面暴雨量(mm)S—雨力，即某一频率下历时1小时的面暴雨量(mm)、—1～6小时和1～24小时的暴雨强度衰减指数。根据上式计算逐时暴雨量，按主雨日雨量时程分配表的时程安排进行计算，结果见表4-16。各频率暴雨过程线表4-1611:00(3)产流分析本流域地类为变质岩石山区密敝林，产流分区为17区，该区为“饱和产流”，流域面积为77.5km2，由《手册》图3-1上查得全面产流雨量为68mm，“饱和产流”的检验雨量为主雨峰及其以前暴雨量，从表4-18知，各频率下逐时暴雨累积量分别为128mm、180.8mm、256.1mm，都大于65mm，即检验全部通过。“饱和产流”，模式采用随暴雨量及可能最大损失量而异的双曲正切损失模型：式中：R—一次暴降雨产流深(mm)；P—包括前期影响量Pa在内的流域平均次雨量，由《手册》表3-7，半干旱区中前期影响量Pa.1=40；a′、b′—损失系数的经验参数。主雨日产流过程计算：Rt′=Ht′-μt′式中：Rt′—历时t′的产流深(mm)；Ht′—分段按时序累计的暴雨量(mm)；μ—全降雨过程平均入渗率(mm/h)。计算结果见表4-17、4-18和4-19。P=10%暴雨产流计算表表4-17t′P=3.3%暴雨产流计算表表4-18t′P=0.2%暴雨产流计算表表4-19隔时间时段平均入渗率(4)汇流计算按《手册》的划′～t、Qm′～τ两条曲线交点求“造峰雨”洪峰流量Qm与汇流历时τ。m=0.19ht-0.22θ0.38式中：—造峰雨形成的洪水流量,m3/s；F—流域面积，Km2；ht—某一频率下历时t的面暴雨量，mm；t—降雨历时，h；τ—汇流历时，h；m—汇流参数；θ—流域特征值；L—流域水度，Km；J—流域纵坡，J=19‰。计算结果见下表4-20。造峰雨洪水计算成果表表4-20项目P=10%P＝5%P＝1%流峰流量(m3/s)400.1575.41160.9汇流历时(h)2.32.412.22暴雨历时(h)333洪水上涨历时1.91.961.86净雨深(mm)42.8282.25127.33洪量(万m3)331.86637.44986.81洪峰形状系数0.820.840.79主雨日造峰雨前后两段按三角形过程线计算，然后把三段过程叠加，即得到各频率洪水流量过程线，见表4-21，4-22，4-23。洪水计算成果表见表4-24。洪水过程线(P=10%)表4-21时间流量(m3/s)时间流量(m3/s)004.5653.60.3819.24.9445.60.7679.25.3241.61.14185.65.7034.41.52287.36.6530.41.90400.17.6026.42.28315.38.5522.42.66221.69.5018.03.04156.010.4514.43.42113.611.4010.43.8084.813.3004.1862.4洪水过程线(P=5%)表4-22时间流量(m3/s)时间流量(m3/s)004.7073.60.3926.55.1062.10.78112.85.4956.41.18263.55.8847.21.57412.06.8641.41.96575.47.8435.72.35452.28.8229.92.74315.39.8024.23.14218.610.7818.43.53154.311.7612.73.92117.413.7204.3187.5洪水过程线(P=1%)表4-23时间流量(m3/s)时间流量(m3/s)004.46163.70.3759.24.84140.50.74233.35.21128.91.12546.85.58106.81.49837.06.5194.01.861160.97.4482.42.23924.18.3770.82.60665.29.3059.22.98477.110.2347.63.35354.111.1636.03.72258.913.022.34.09190.414.880洪水计算成果表表4-24 频率项目P=10%P=5%P=1%设计暴雨H24（mm）131.5182.4257.6洪峰流量Qp(m3/s)400.1575.41160.9洪量（万m3）339.86637.44986.81洪水历时13.3013.7214.88(5)成果合理性分析查《运城地区水文计算手册》附表6—1运城地区各河流历史洪水调查成果表，可知在老鸭池推测的1958年7月17日洪水的洪峰流量为743m3/s，该年马家庙雨量站实测最大24小时暴雨量为135mm，历史重现期为十年一遇。本次洪水计算的十年一遇洪峰流量为400.1m3/s。坝址以上流域面积占整个流域面积43%，本流域属小流域，取流域面积对洪峰流量影响程度指数为0.67，则洪峰流量的面积因素比值为0.57，与洪峰流量比值0.54相接近，表明本次洪水计算成果符合实际。4.4泥沙坝址以上岩石山区占流域面积90%，土石山区占10%，流域内有大面积的森林覆盖，约占45%，对防止水土流失起到了很好的保护作用。土石山区植被覆盖较差，在汛期暴雨冲蚀下，泥沙汇入河流中，以悬移质、推移质方式挟带到水库内。采用水文手册法和水文比拟法分别计算多年平均输沙量。4.4.1水文手册法根据多年平均降雨量733mm,查《运城地区水文计算手册》附表7-1“运城地区年降雨量与年水蚀模数表”，推得石山区、森林石山区、土石山区的水蚀模数，按面积加权平均求得整个流域的年水蚀模数为994t/km2，见表4-25。年平均悬移质输沙量按下式计算：W沙＝M×F/I式中：W沙—年平均输沙量(万m3)；F—坝址以上流域面积(km2)，取77.5km2；M—水蚀模数（t/km2）；Ⅰ—泥沙容重(t/m3),取1.5t/m3。水蚀模数计算表表4-25山区分类石山区森林石山区土石山区平均水蚀模数面积比例（%）454510994水蚀模数(t/km2)10992353939经计算，年平均悬移质输沙量为8.4万m3。年输沙量为悬移质输沙量和推移质输沙量之和，在石山区推移质输沙量约为悬移质输沙量的三分之一，则推移质输沙量为2.8万m3。4.4.2水文比拟法邻近流域泗交河多年平均年输沙量为8.8万m3。泗交河泗交水库段与祁家河水库段流域的岩石组成、植被覆盖、暴雨强度都非常接近，因此，可采用水文比拟法推算水库上游流域的年平均输沙量。经计算年平均输沙量为2.1万m3，其中推移质输沙量为0.53万m3。手册采用的资料系列短，概括性强，因而误差较大。水文比拟法是根据实测资料分析的，相对较为可靠。因此，选用水文比拟法计算的成果。4.5坝址水位流量关系算。式中：Q－断面过流量(m3/s)；n－河段糙率；A－过流面积(m2)；R－水力半径，；X－湿周；J－河道纵坡。水面比降取河底平均比降12‰,糙率按经验取0.04,计算水位～流量关系。4.6洪水调节计算(1)防洪标准根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）中3.2.2、3.4.2～3.4.4及3.5.1有关规定，水库大坝设计防洪标准为20年一遇，校核防洪标准为100年一遇。(2)调洪计算水库的泄水建筑物有溢流坝、排沙洞。溢流坝的孔口形式采用堰顶溢流式，为减少投资，降低坝高，方便运行管理，溢流孔不设闸门。根据坝址河道地形，溢流坝段长度为48m，分7孔泄流，单孔净宽6m。排沙洞直径1.5m,长度为25m。①溢流坝坝的溢流堰下泄流量按下式计算。式中：Q—流量，m3/s；mz—流量系数，取mz=0.47；ε—侧收缩系数，取ε=0.92；σm—堰流自流出流，σm=1；n—孔数；b—孔口宽度；②冲沙洞冲沙洞为圆形断面，直径1.5m，洞长28.62m。其泄量按下式计算：式中：μc—流量系数；A—过水断面面积m2；H—洞顶水头；调洪计算从堰顶起调，考虑冲沙洞及溢流堰段泄洪。库容曲线见图4-1。调洪计算结果见表4-26。调洪计算成果表表4-26频率洪峰流量（m3/s）实施方案最大泄量（m3/s）库水位(m)水库容量（万m3）水库面积(万m2)P=5%575.4518.8120043.69.8P=1%1160.91057.020365.812.14.7河道壅水的影响分析根据河道雍水分析计算可知，水库建成后。设计洪水为P=5%的干流回水尖灭点距离坝址约为0.64km。根据调查结果表明，水库建设淹没涉及夏县祁家河乡窑泉一个行政村。根据设计洪水回水水面线和坝前水位，调查水库淹没实物指标如下表。水库淹没主要实物指标汇总表表4-27项目单位水库一、人口搬迁安置人口人0二、房屋及附属建筑物m20三、土地亩61.41、耕地（滩地）亩15.42、林地亩46四、交通道路Km0五、输电线路Km0对淹没影响的专业项目进行复建和一次性补偿处理。4.8冲刷与淤积分析计算4.8.1冲刷分析当河床经过长时间的冲刷后，河床纵剖面将达到河床泥沙停止起动的状态。在河床