洪水特性（通用3篇）
洪水特性 篇1
安康水库系汉江上游大型水利工程, 它具有以发电为主, 兼顾防洪、航运、养殖等综合功能。与1989年12月开始下闸蓄水, 装机容量85万千瓦, 正常蓄水位330米, 汛期限制水位325米, 防洪库容3.5亿立方米, 总库容25.85亿立方米, 水库控制流域面积35700平方公里。水库建成后, 库区范围内天然河道及邻近坡面被淹没, 产、汇流规律发生明显变化。诸多差异的结症所在就是建库后坝址以上128公里长度的库区形成了一个水面宽广的人工湖泊, 改变了原来河道的水文特性。现就与安康防汛关系较大的几个方面进行论述。
1 流域概况及暴雨特性
1.1 流域概况
安康电站位于安康城区上游汉江干流, 流域内群山壁立, 峡谷纵横, 山丘面积占流域面积的90%以上。整个地势为西北高, 东南低。主要支流石泉以上北岸有褒河、淆水河、酉水河、金水河及子午河, 南岸有玉带河、漾家河、濂水河、冷水河、及牧马河。石泉以下北岸有池河, 南岸有任河、褚河、洞河、大道河及岚河。坝址以上有喜河、石泉水库两座大型水库及上游汉中盆地附近有较多的水利设施外, 其它地区水利设施不仅数量少, 总库容也小, 对雨洪拦蓄能力不大。区域内雨量站分布大致均匀, 主要支流及干流都有水文 (位) 站控制。
1.2 暴雨洪水特性
汉江上游属副热带季风区, 夏秋季节, 东移的低气压系统常受太平洋副热带高压阻塞停滞本区, 再加充足的西南暖湿气流影响和地形作用, 故多暴雨和大暴雨发生。
按上游来水地区不同, 该地区洪水组成分为三种不同类型:
1.2.1 全流域型洪水
该型洪水大多由先阻塞后的暴雨所造成。其形式表现为副高较强、暴雨被阻塞, 随着西风系统加强迫使副高东退, 暴雨随之懂东移。从暴雨中心看, 首先从玉带河、濂水河、冷水河上游的宁强, 喜神坝一带形成一个暴雨中心。随后在牧马河、褚河、任河上游的镇巴、观音堂及茅坝关一带形成第二个范围的暴雨中心。这类暴雨往往雨洪同步, 造成自上而下各支流洪水层层叠加, 危害极大, 解放后发生的两次最大洪水, 即“74.9”、“83.7”均属此型。
1.2.2 上游型洪水
这类洪水多由阻塞性暴雨所造成。其表现为汉中地区处于副高西边缘内, 暴雨系统在此受阻而第一暴雨中心单独出现, 洪水主要来自石泉以上。由于暴雨中心位于最上游, 笼罩面积相对较小, 加上洪水下传过程中调节作用, 此型不至于产生灾害性洪水。但常遇性洪水出现次数较多。
1.2.3 下游型洪水
同上游型洪水相比, 此型副高强度略有减弱, 石泉至安康区间正好处于强幅合带中, 第二暴雨中心单独出现, 且万全移入石泉以下区间, 石泉以下区间面积虽不足安康以上流域面积的1/2, 但由于流域内最主要的暴雨中心位于其间, 笼罩范围大且距安康由近, 即使上游来水不大也可能造成相当大的洪水。在历史灾害性洪水中, 此型洪水多次出现。如1583、1683、1770、1832、1852年洪水均属此型。
2 水库水文特性的变化
建库前坝址处洪水是上游各控制站入流过程加区间入流过程经河槽调蓄后的出流过程, 称为坝址天然洪水。建库后坝址天然洪水消失并转变为另一种概念的洪水, 即入库洪水。两者之间存在着一定的差别, 其差别大小取决于水库特性、降雨时空分布等因素。水库建成后, 库区范围内天然河道及邻近坡面被淹没, 形成了一个大的人工湖泊, 库区产汇现时间提前和峰值增大, 峰型比建库前的坝址洪水更为尖痩。根据水库实测资料分析, 建库后的入库洪峰较建库前的坝址洪峰增高约20~40%, 建库后的峰型系数亦较前有所增大。
2.1 产流量
水库淹没区范围内产流量随产流条件的改变而改变, 其影响因素主要为下渗损失和蒸发损耗。水库形成后, 库面由路面变成水面直接承纳降水, 蒸发也由路面变为水面, 库区地下水位抬升, 下渗损失量减少。洪水期间库面蒸发可以达到忽略不计的程度, 因此库面产流量要比天然情况大。当以石泉以上流域降雨为主产生的洪水过程时, 安康水库在正常高水位330米时库面面积仅77.5平方公里, 占石泉以上流域面积的比重较小, 可以不计产流量增大的问题, 当以石泉至安康区间流域降雨为主产生的洪水过程时, 尤其是库区附近降雨较大时, 对产流量的增大问题就不能不顾及。根据近几年雨洪计算的成果分析, 当采用石泉至安康区间降雨径流关系方案时, 产流量增大5~10%。
2.2 洪峰流量
在现行的各种入库洪水计算方法中, 只有合成流量法比较符合入库洪水的基本概念, 即以上游干支流入库断面洪水过程及库周区流量过程同时叠加组合成入库洪水。实际上回水区域是在不断变化的, 变动入库周边的入库洪水计算十分困难, 可将入库段面与实际回水末段之间存在一段河槽的调蓄作用所引起的误差, 与动库容调洪多考虑的这段河槽的库容调节作用所引起的误差可以相互抵消, 因此采用固定在水库最远回水末端附近的干支流水文站断面上, 不仅使入库洪水计算和调洪计算都很简便, 且对调洪最终成果也不会有多大影响。安康水库上游干流控制站汉城, 支流控制站任河髙滩、褚河红椿、洞河洄水、大道河民主及岚河六口均在正常高水位时的回水末端附近, 因此可以将它们作为入库控制站参加计算, 入库过程计算采用如下公式:
当来水以汉城以上为主且Q汉城.t达到最大时, 或来水以汉城以下最大支流任河以上为主且Q髙滩.t达到最大时, 1) 式计算值即Q入.M为最大入库流量。上述各支流均发源与大巴山北坡, 属同一暴雨区, 洪水同步性好, 来势凶猛, 往往主雨峰结束时刻即为相应控制站洪峰出现时间。流量过程的时段几乎同时直接注入水库, 诸站与汉城或髙滩洪峰相应时刻的流量最大, 大多达到或接近洪峰流量。Q库周.t为库周区入流过程, 它包括库区附近各入库控制站尚未控制陆面上的来水过程及库面直接承纳降雨所转化的流量过程。这部分面积尽管只有2345平方公里, 仅占各入库站控制面积33255平方公里的7%, 但由于属无资料区域, 这里采用入流系数法予以处理。即将上述各支流入库控制站同时刻流量合成值Qt乘以入流系数做为总的入库洪水过程。即:
当∑Qt达到最大时, Q入.t即为入库洪峰Q入.M。
天然情况下的洪水过程也可采用上式计算, 但∑Qt的计算应考虑相应河段的洪水传播时间。根据实际资料分析, 天然洪水以汉城以上来水为主时a的取值范围1.0~1.03;以汉城下为主时a的取值范围1.07~1.1。A值的变化范围同坝址以上流域面积与各入库站控制面积的比值1.07接近。
水库蓄水后, 水库回水末端基本达到各支流入库控制站附近, 原河槽调蓄能力已经丧失。同时, 库面形成使流量组合方式发生改变, 上游干支流来水和库面周区来水极易遭遇, 从而导致入库洪峰大于坝址天然洪峰。根据实际资料分析, 相应入流系数a值一般也有所增大。当降水主要集中汉城以下或库区降雨较大时, a的取值范围1.25~1.4;但几乎全为石泉以上流域来水或汉城以上来水时a的取值范围1.0~1.15。如与天然河道情况洪水过程相比, 则上述第一种情况, 入库洪峰比坝址天然洪峰增大25~30%;第二种情况两者洪峰大体相当, 第三种情况即全流域降雨产生的洪水过程, 峰值增大5~20%。
2.3 汇流时间
入库洪水比坝址天然洪水峰现时间提前, 主要是两者过水断面位置不同。提前的时间为入库断面至坝址天然河道洪水传播时间, 建库前, 在天然河道情况下, 正常高水位330米时, 洪水过程从汉城传播到坝址的时间为6.5~8.5小时, 红椿、髙滩、民主、洄水、六口至坝址的汇流时间为2.5~7.0小时, 建库后, 洪水过程从汉城传播到坝址的时间为1.5小时, 髙滩、民主、洄水、六口至坝址的汇流时间为0.5~1.5小时, 汇流时间汉城传播到坝址提前5~7小时, 髙滩、民主、洄水、六口至坝址汇流时间提前1.5~5.5小时, 从而缩短了预见期, 甚至无预见期。为下游安康城区防汛工作增加了难度, 安康城区防洪安全撤离最少要六小时。
3 结语
安康水库形成后, 产流量增大、峰值增高、回流时间提前比较明显, 汉江上游近年来又新建成了喜河水电站, 使汉江洪水的天然属性受到了人为的控制。特别是安康电站离下游安康城区只有18公里, 对城区防汛影响非常大, 其调洪容只有3.5亿立方米, 对中小洪水的调度可发挥一定防洪效益, 而面对大洪水及特大洪水调洪消峰仍有一定的困难。如遇大洪水一旦开闸泄洪, 下游洪水上涨速度快, 从坝址至安康城区洪水传播时间只有一个小时, 洪水预见期偏短, 给防汛指挥与群众安全撤离带来很大难度。
因此应重视修改和补充完善洪水预报方案, 使之与建库后的水文特性相适应;要改进水雨情情报传递手段并将洪水预报延伸到区域降雨量预报, 增加入库洪水预报预见期, 同时做好水库的科学调度, 根据洪水预报提前预泄, 增加防洪库容, 减轻下游防洪压力, 充分发挥水文、气象、水库管理部门的作用, 搞好上游水库的联合调度, 做好洪水预报工作, 尽最大努力确保下游人民群众生命财产安全, 确保安康城区安全度汛。
洪水特性 篇2
丹凤、商南7・29暴雨洪水特性分析
调查并整理了丹凤、商南207月29日发生的`特大暴雨资料.分析和总结了该流域发生的短历时、高强度、暴涨暴落、破坏力强的局部暴雨洪水的特点、变化规律和形成条件,提出了防御局部暴雨洪水灾害的对策.
作 者：杨永平作者单位：商洛水文局,陕西,商洛,726000刊 名：陕西水利英文刊名：SHAANXI WATER RESOURCES年，卷(期)：“”(3)分类号：P426关键词：暴雨 洪水 特征
洪水特性 篇3
根据统计,至2008年底,全国各类尾矿库共12 655座,尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流的危险源。在长达十多年甚至数十年的时间里,各种自然的和人为的不利因素都会直接威胁着尾矿库的安全。尾矿库一旦失事,必将对下游人民的生命财产造成严重损失。尾矿库最严重的事故是溃坝,洪水漫顶是造成尾矿库溃坝事故的直接原因之一[1]。
为了保证尾矿库不发生洪水漫顶事故,一是要合理确定尾矿库排洪系统的型式及尺寸,二是要保证排洪系统不失效。保证尾矿库排洪系统安全稳定的运行是尾矿库建成后,运行阶段尾矿管理工作的主要任务之一,而确定排洪系统合理的型式和尺寸是尾矿库设计阶段的主要任务之一[2]。尾矿库洪水计算的结果是尾矿库排洪系统设计的主要依据,洪水计算方法及结果的合理与否关系着排洪系统型式及尺寸的选择。对于尾矿库这种小流域的洪水计算,基本上都采用暴雨推求洪水的方法,目前从暴雨推求洪水的计算方法比较多,所以有必要对尾矿库雨洪特性及洪水计算方法进行探讨,以确定合理的计算方法。
2 与洪水计算相关的尾矿库特点
尾矿库从洪水计算角度考虑,主要有以下两个特点。
(1)所占流域汇水面积小。尾矿库一般都选择在矿山附近较小的支流上,并尽可能放在支流的末端。这主要是为了减轻对环境的影响,减小雨水汇入尾矿库内的量,同时也减少排洪设施的投资,这就决定了尾矿库所占流域的汇水面积都较小,一般在10km2左右,小型尾矿库所占流域的汇水面积有的只有1～2km2,甚至更小。即使有的尾矿库所占的流域汇水面积较大,常规上都会在上游做截排洪工程,就尾矿库而言,汇水面积也较小。尾矿库的汇水面积一般都不超过50 km2,所以尾矿库所处流域从水文学角度分都属于特小流域[3]。
(2)建库后,尾矿库的水面面积、流域特征参数等洪水计算参数是动态的。尾矿库一般使用年限比较长,在使用过程中,由于尾矿坝的升高、库内贮存的尾矿不断增加,造成尾矿库汇水面积、库内水面面积、流域特征参数、下垫面等参数都在不停的变化中。尤其是库内水面面积改变比较大,如江西德兴铜矿4#尾矿库在使用的后期,库内水面面积已经占到全部汇水面积的40%以上[4]。
3 尾矿库雨洪特性
3.1 降雨特性
降雨特性主要指其在不同降雨成因条件下的时程分配和空间分布,其中暴雨是小流域雨洪计算的基础,暴雨的时程分配和空间分布影响着整个一场洪水过程的形成[3]。暴雨有长历时、低强度和短历时、高强度,均匀和不均匀,暴雨中心移动、少动之别。从大量观测资料表明,暴雨分布不均匀的特性在很大程度上干扰中、小量级洪水的参数分析。暴雨分布不均匀多半是在暴雨中心移动的情况下发生的,因此,与选取的分析计算时段有关[5]。对于尾矿库这种特小流域,因为流域面积小,忽略暴雨在地区上分布的不均匀性,可以把流域中心的点雨量作为流域面雨量,无需考虑点面雨量的折算[6,7]。
尾矿库所处的特小流域,一般没有水文站,往往缺乏暴雨和流量资料,可以从经过审批的暴雨统计参数等值线图上查算工程所需历时的设计点暴雨量,当本地区及邻近地区近期发生大暴雨时应对查算成果进行检查,必要时作适当调整。如果能够获得本地区或邻近地区的长系列的暴雨资料,应该进行设计点暴雨量和面暴雨量的频率分析[6]。
3.2 洪水特性
流域出口断面的洪水过程,综合反映了流域上暴雨和下垫面相互制约的结果。同一场暴雨在不同流域的下垫面作用下,形成不同流域出口断面洪水过程。对于特小流域而言,洪水有以下特点[3]。
(1)从众多的雨洪对应资料观察表明,由于流域面积小,雨峰洪峰一一对应,雨停峰现是普遍现象。
(2)特小流域面积上的较大洪水,其峰形往往由强度大、历时短的暴雨所支配,一般多呈单瘦的单峰型。
(3)下垫面单一因子的作用比较突出。
尾矿库的洪水除了具有上述特点外,由于尾矿库在使用过程中的水面面积、流域特征参数等因素是变化的,即使是同频率的暴雨,在尾矿库使用的不同时期,所形成的洪水也是不同的。随着尾矿库的使用,洪峰流量和洪水总量都有变大的趋势。
4 洪水计算方法选择
尾矿库所处流域往往缺乏暴雨和流量资料,特别是流量资料,目前洪水计算主要通过暴雨资料推求设计洪水。
4.1 对洪水计算结果的要求
目前在小流域上建的水利工程,一般对洪水的调节能力比较小,工程规模主要是受洪峰流量控制,因而对设计洪峰流量的要求高于对设计洪水过程的要求。尾矿库排洪系统的泄水过程类似无闸溢洪道水库的泄水过程,排洪系统泄流量的大小是由库内水位决定的,这必然导致在尾矿库设计时会预留足够的调洪高度,以使排洪系统形成足够的泄流量,而这部分调洪高度对应着相对较大的调洪库容。对于特小流域洪水而言,多呈单瘦的单峰型,虽然洪峰流量很大,但洪峰历时短,洪峰时段所包括的洪水量很少,尾矿库的调洪库容可以很好地削减洪峰流量。
洪水计算结果是排洪系统的设计依据,对洪水计算结果的要求是由尾矿库和选用排洪系统的自身特点决定的。对于尾矿库而言,排洪系统的设计不是由设计洪峰流量控制的,而是由洪水总量及洪水过程控制的。为使排洪系统的设计合理,尾矿库的洪水计算除了要计算洪峰流量和洪水总量外,还需要推求其设计洪水过程线。
4.2 洪水计算方法的选择
由暴雨资料推求设计洪水的计算方法非常多,主要有推理公式法、经验公式法和综合单位线法、瞬时单位线法、水量平衡法等方法。其中推理公式法[3,5,7,8]由于计算过程简单,各地水文图册或图集都有根据此法的计算参数,所以在小流域洪水计算中使用最为广泛。推理公式法在尾矿库洪水计算中也得到了广泛的应用,但此方法只能计算坝址处的洪水,而尾矿库在建成后由于入库洪水和坝址洪水的形成条件不同,从而导致了它们之间的差异,主要表现如下。
(1)产流条件的变化。尾矿库建成后,尾矿库的淹没区由原来的陆面变成水面,陆面产流变为降雨直接产生径流,加大了洪水总量。
(2)汇流条件的变化。坝址洪水是指建库前进入坝址断面处的洪水,而入库洪水是沿水库周边入库的洪水。因此,尾矿库建成后,库区汇流消失,流域汇流的路程和历时变短,一般将使峰现时间提前,洪峰流量增大。
(3)调蓄作用的变化。尾矿库建成后,回水区原天然河道调蓄作用消失,必然使入库洪水的洪峰增大,峰现时间提前。
根据水利部门的许多计算实例统计,水库的入库洪水与坝址洪水的洪峰比值在1.01～1.54[7],而对于尾矿库而言,在尾矿库使用的后期,由于水面面积所占的比重越来越大,这一比值会更大。针对这一情况,《选矿厂尾矿设施设计规范》第4.2.1条规定,库内水面面积不超过流域面积的10%,则可按全面积陆面汇流计算[2]。否则,水面和陆面面积的汇流应分别计算。在尾矿库使用的初期,以坝址处的设计洪水作为尾矿库建成后的入库洪水是可行的,此时采用推理公式作为由暴雨推求设计洪水的计算方法是合理的。但随着尾矿库的使用,库区范围内产汇流条件会发生改变,特别是尾矿库内的水面面积占汇水面积的比重越来越大。目前工程实践中,很多尾矿库在使用终期,库内水面面积已经都超过尾矿库总的汇水面积10%,这时以坝址洪水作为尾矿库防洪设计的依据明显不合理,在这种情况下推理公式已经不能满足要求了。
4.3 水量平衡法
水量平衡法[8]是非线性汇流计算法,用水动力学方法分别解决坡面、地下和河槽的汇流计算问题,从而求出坝址断面处的洪水过程线及洪峰流量,故本法尤适用解决流域内分部计算的问题。基本计算方程式为:
式中:——时段平均入流;
Qi-1——按时段初值的出流;
Mi-1——时段初M值;
Mi——时段末M值。
此方法可以把尾矿库分为陆面区域和水面区域分步计算,陆面区域采用此方法计算,水面区域按直接降雨计算,最后把两区域的洪水合在一起,作为尾矿库最终的设计洪水过程线。此方法的详细计算过程参见《尾矿设施设计参考资料》的相关章节[8]。由于此方法计算特别繁琐,费时费力,目前使用的范围不广。笔者把此方法程序化后,只须输入暴雨时程分配、尾矿库的陆面面积、水面面积等流域特征参数后,就可以给出洪水计算结果,大大加快计算速度。
4.4 工程实例
某铜矿尾矿库坝址以上的汇水面积,Kp=0.1%=3.78,m=0.45,n1=0.47,n2=0.58,初、中、后期的流域特征参数见表1,用推理公式法和水量平衡法分别计算尾矿库不同使用时期P=0.1%的设计洪水过程线,计算结果见图1。
注:①L为陆面部分的流域长度。②E0=d∑P/FL,P为一条等高线长度,km;d为相邻等高线的高差,m。
对于推理公式法而言,只能计算坝址处的洪水过程线,对于同频率的暴雨,在尾矿库使用的不同阶段,计算出的结果是一样的。
从图1的计算结果可以看出,在尾矿库使用的初期阶段,推理公式和水量平衡法计算出的结果相差不大,但是当尾矿库使用到中、后期,用水量平衡法得到的入库洪水的洪峰流量、洪水总量明显变大。如果此时再采用坝址处的洪水代替尾矿库使用时的入库洪水是不合理的,以此为依据设计出的排洪系统是偏危险的。
从上述计算结果可以得出结论:在尾矿库使用的初期,采用推理公式和水量平衡法作为由暴雨推求设计洪水的计算方法都是可行的。而在尾矿库使用的中、后期,水量平衡法计算出的洪水过程线与尾矿库的实际雨洪特性是相符的,计算过程也符合规范对库内水面面积超过流域面积的10%,水面和陆面面积的汇流应分别计算的要求。所以在尾矿库使用的中、后期,采用水量平衡法作为暴雨推求设计洪水的计算方法是合理的。
5结语
本文对尾矿库的特点、雨洪特性、尾矿建成后在使用的不同阶段洪水形成的特点进行了较系统的研究,得出以下结论。
(1)尾矿库一般都属于特小流域,建库后,尾矿库的水面面积、流域特征参数等洪水计算参数是动态的,对于同频率的暴雨,在尾矿库使用的不同时期,所形成的洪水是不同的,随着尾矿库的使用,洪峰流量和洪水总量都有变大的趋势。
(2)在尾矿库使用的初期,采用推理公式和水量平衡法作为由暴雨推求设计洪水的计算方法都是可行的。在尾矿库使用的中、后期,采用水量平衡法作为暴雨推求设计洪水的计算方法是合理的,也满足规范对库内水面面积超过流域面积的1 0%,水面和陆面面积的汇流应分别计算的要求。
参考文献
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