水库水文

2  水 文 2.1  概述 2.1.1  流域概况 黑虎山水库位于老河口市洪山咀办事处池岗村，拦截汉江水系杜槽河。流域为低山丘陵地形，侵蚀剥蚀地貌，植被一般，水质良好。拦截承雨面积17.4km2，流域长度11.25km，平均纵坡比降为5.24‰。 该库以灌溉为主，可从引丹干渠樊庄泵站提水灌库。 2.1.2  水文气象 水库区域属北亚热带季风气候区，兼有南北过渡气候特征。流域多年平均降水量843mm，历年最大年降雨量1245.3mm（1954年），最小年降雨量416.3mm（1976年），年平均降雨日数48.5天，日最大降雨量245mm（2004年7月31日）。流域多年平均径流深约200mm，多年平均气温15.3℃，多年平均蒸发量1221.7mm，多年平均最大风速15.5m/s。 2.2  设计洪水 2.2.1  暴雨特性及洪水成因分析 黑虎山水库洪水多由一日暴雨形成，由于暴雨的季节性，使洪水也具有明显的季节性。流域自4月进入雨季，直至10月为多雨季节，洪水亦发生在这段时期内。最大洪峰流量一般出现在5~9月，以6、7月份出现次数最大，约占70%。 2.2.2  历次洪水计算成果 黑虎山水库设计洪水计算工作，以往曾进行过数次复核，均由设计暴雨推求设计洪水。 水库枢纽为Ⅲ等工程，其挡泄水等主要永久性建筑物为3级建筑物。水库原设计洪水为100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；《湖北省中型基本资料汇编》中按100年一遇设计、1000年一遇校核，水库各特征参数如下： （1）正常蓄水位177.5m，相应库容765万m3； （2）死水位167.2m，死库容83万m3； （3）兴利调节库容682万m3，系多年调节水库； （4）设计洪水位（P=1%）179.1m，相应库容964万m3； （5）校核洪水位（P=0.1%）179.7m，相应库容1035万m3。 1980年水库加固设计时按100年一遇设计，1000年一遇校核，求得设计情况下洪峰流量为238m3/s，洪量为356.1万m3；校核情况下洪峰流量为319m3/s，洪量为550万m3。 2.2.3  设计洪水复核 由于黑虎山水库流域内没有水文站，也无实测的洪水观测资料，本次设计洪水采用三种推算，相互校核。方法一：按暴雨途径，采用《湖北省暴雨径流查算图》(以下简称《图表》)提出的瞬时单位线法计算；方法二：按暴雨途径，采用《图表》提出的推理公式法计算；方法三：按暴雨途径，采用《图表》提出的地区综合公式法计算。对三种方法计算的成果相互对比分析，确定坝址处设计洪峰流量。 2.2.3.1  设计洪水标准 根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》，黑虎山水库为中型水库，工程等别为Ⅲ等，大坝、溢洪道等挡、泄水主要永久性建筑物属于3级建筑物。按《防洪标准》（GB50201-94），确定其相应的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。 2.2.3.2  由暴雨资料用瞬时单位线法推求设计洪水 （1）设计点暴雨推求 黑虎山水库流域无雨量站，距该流域不远处有古城雨量站，位于古城水库坝址处，资料年限为33年，没有最大1h的降雨资料，有最大6h和最大24h的降雨资料，其统计分析值见表2-1。 表2-1            古城水库雨量站点雨量统计成果表 时段 点雨量均值（mm） CV 6h 66.6 0.49 24h 86.1 0.43       本次最大1h、最大6h、最大24h点雨量设计值拟分析采用2002年版新《图表》中参数。新《湖北省暴雨参数等值线图》延长了水文系列，暴雨的均值和Cv值符合地区分布，采用该暴雨参数比较可靠。本次洪水复核设计暴雨采用新《图表》中成果。所有计算采用Cs=3.5Cv，各频率统计参数及设计点暴雨计算成果见表2-2。 表2-2                  点雨量计算成果表 时段 点雨量均值（mm） CV KP P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 1h 40.0 0.48 3.63 3.35 2.65 2.35 2.22 6h 67.0 0.60 4.62 4.20 3.20 2.76 2.57 24h 88.0 0.53 4.03 3.69 2.87 2.52 2.36                 （2）流域设计面雨量推求 根据《图表》，黑虎山水库流域在水文分区上属于第六区。根据坝址以上流域面积（本次复核亦为17.4km2），查“湖北省暴雨面深系数表”，得设计暴雨点面换算系数。设计面雨量计算见表2-3。 表2-3    黑虎山水库流域设计面雨量计算成果表 时段 面深换算系数 面 雨 量（mm） P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 1h 0.9722 141.2 130.3 103.0 91.4 86.3 6h 0.9805 303.5 275.9 210.2 181.3 168.8 24h 0.9875 350.2 320.7 249.4 218.5 205.1               （3）雨型设计及净雨过程 根据流域面积，本次雨型设计采用Δt=0.5h，tc=6h，不扣初损，只扣稳损作为净雨过程。 A、稳损计算 稳损：fc=0.0615 稳损计算见表2-4。 表2-4                      稳损计算成果表                  单位：mm 项目 P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% R总 327.7 298.2 226.9 196.0 182.6 fc 2.11 1.99 1.68 1.54 1.47             B、净雨过程推求 面雨量递减指数： 面雨量： 面雨量累计过程计算公式见表2-5。 表2-5                    Ht面计算表                  单位：mm 频率 参数 P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 1 0.465 0.472 0.490 0.504 0.511 2 0.867 0.860 0.843 0.830 0.823 n1 0.573 0.581 0.602 0.618 0.626 n2 0.897 0.892 0.877 0.865 0.860             根据计算公式，可求得黑虎山水库流域的净雨过程，其中P=0.1%和P=2% 的计算成果列于表2-6。 表2-6                净雨过程表                单位：mm 时段(h) P=0.1% P=2% Ht面 H设 Ii Ht面 H设 Ii 0 0.00 0 0.00 0.00 0 0.00 0.5 104.98 12.45 11.40 70.11 6.76 5.99 1 141.16 13.23 12.18 91.38 7.18 6.41 1.5 167.85 14.01 12.95 106.71 7.60 6.83 2 189.80 15.56 14.51 119.11 8.45 7.68 2.5 208.78 18.34 17.29 129.72 10.35 9.58 3 225.69 30.01 28.96 139.09 16.93 16.17 3.5 241.05 53.64 52.59 147.53 34.73 33.96 4 255.20 87.52 86.47 155.26 56.66 55.89 4.5 268.37 22.49 21.43 162.41 12.69 11.92 5 280.72 13.69 12.64 169.08 7.73 6.96 5.5 292.39 11.67 10.62 175.36 6.33 5.57 6 303.51 10.89 9.84 181.32 5.91 5.14               （4）瞬时单位线参数计算 根据本流域所处的水文分区，瞬时单位线地区综合公式为： m1的非线性改正，对F<20km2且ip>50mm/h时，需考虑： 改正后的m1为： 式中： 根据库区地形图，坝址以上的河道比降5.24‰，河道长度为11.25km，流域面积为17.4km2。流域的形状系数f为0.14，属于山丘区长形流域。 则： 当ip<50mm/hr： 当ip>50mm/hr： 瞬时单位线参数计算见表2-7。 表2-7              瞬时单位线参数计算表 频率 P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% tR(h) 2.21 2.21 2.21 2.21 2.21 HtR(mm) 198.00 181.52 141.23 123.71 116.13 ip(mm/hr) 89.66 82.20 63.95 56.02 52.59 i 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 1 0.605 0.605 0.605 0.605 0.605 2 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 m1 3.705 3.705 3.705 3.705 3.705 n 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09 m1i 1.174 1.205 1.300 1.352 1.378 K 1.077 1.105 1.192 1.240 1.264             （5）地面径流过程计算 由净雨过程及瞬时单位线参数计算坝址处地表径流过程。 （6）地下径流过程计算 由稳损产生的地下径流计算公式如下： 当tT时： 当t>T时： 式中： 地下径流计算公式见表2-8。 表2-8              地下径流计算参数 计算参数 P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 0.060 0.060 0.060 0.060 0.060 T 14.0 14.0 14.5 15.0 15.0 tc 6 6 6 6 6 Q0 0.85 0.80 0.66 0.60 0.57 Qg 2.92 2.76 2.30 2.07 1.98             （7）由暴雨资料推求的设计洪水过程线及成果 将地面径流过程与地下径流过程叠加，即得设计洪水过程，见表2-9；由暴雨资料采用瞬时单位线法计算的设计洪水成果见表2-12。 表2-9            瞬时单位线法设计洪水过程表      单位：m3/s 频率 时段(h) P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.6 0.5 39.6 35.2 21.1 17.4 15.8 1 64.6 57.5 38.0 31.4 28.5 1.5 87.5 77.9 53.6 42.4 38.6 2 107.3 93.8 65.3 52.6 47.8 2.5 128.0 114.3 79.5 65.1 59.4 3 181.8 162.1 111.6 92.6 84.8 3.5 294.3 268.2 189.3 162.6 151.6 4 480.8 440.7 317.9 275.9 259.3 4.5 381.0 346.3 278.4 235.8 221.0 5 312.1 280.9 227.2 186.2 174.0 5.5 236.0 208.2 163.3 146.2 136.2 6 180.6 171.8 129.9 116.6 108.2 6.5 121.3 108.5 90.9 81.8 75.9 7 78.9 75.4 63.6 55.4 51.4 7.5 52.5 46.8 42.8 38.4 35.6 8 33.3 32.6 27.9 26.6 24.7 8.5 22.4 21.2 18.9 18.5 17.0 9 15.6 15.2 13.8 13.3 12.1 9.5 10.7 9.8 10.2 9.4 8.4 10 7.5 7.5 7.1 6.9 6.8 10.5 5.8 5.6 5.2 5.2 5.0 11 5.0 4.8 4.2 4.2 4.0 11.5 4.1 4.2 3.8 3.4 3.3 12 3.2 3.1 3.4 3.1 3.1 12.5 3.7 3.6 3.2 3.5 3.5 13 3.0 2.8 2.4 2.2 2.1 13.5 2.9 2.8 2.3 2.1 2.0 14 2.9 2.8 2.3 2.1 2.0 14.5 2.8 2.7 2.3 2.1 2.0 15 2.8 2.6 2.2 2.1 2.0 15.5 2.7 2.5 2.2 2.0 1.9 16 2.6 2.4 2.1 1.9 1.9 16.5 2.5 2.4 2.0 1.9 1.8 17 2.4 2.3 2.0 1.8 1.8 17.5 2.4 2.2 1.9 1.8 1.7 18 2.3 2.2 1.9 1.7 1.7 18.5 2.2 2.1 1.8 1.7 1.6 19 2.2 2.0 1.8 1.6 1.6 19.5 2.1 2.0 1.7 1.6 1.5 20 2.0 1.9 1.7 1.5 1.5 20.5 2.0 1.9 1.6 1.5 1.4 21 1.9 1.8 1.6 1.4 1.4 21.5 1.9 1.8 1.5 1.4 1.3 22 1.8 1.7 1.5 1.4 1.3 22.5 1.8 1.7 1.4 1.3 1.3 23 1.7 1.6 1.4 1.3 1.2 23.5 1.7 1.6 1.3 1.2 1.2 24 1.6 1.5 1.3 1.2 1.2             2.2.3.3  由推理公式法推求设计洪峰流量 (1) 计算m、u值 黑虎山水库位于水文分区第六区，选用《图表》表2-1中公式： P≤2%， m=0.45θ0.21  P>2%， m=0.50θ0.21 式中：θ=L/ u=0.0384R240.756    R24=H24面-22.5 （2）计算Qm 式中：K1=0.278 K2= K3= K4=0.278× 各频率的有关参数及设计洪峰成果见表2—10。 表2-10            推理公式法设计洪水成果表 参 数 P(%) 0.1 0.2 1 2 3.3 n 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 s(mm) 141.2 130.3 103.0 91.4 86.3 θ 64.8 64.8 64.8 64.8 64.8 m 1.08 1.08 1.08 1.08 1.08 u(mm/h) 3.1 2.9 2.3 2.1 2.0 K1 0.528 0.534 0.549 0.561 0.567 K2 0.669 0.680 0.709 0.730 0.742 K3 1.167 1.170 1.177 1.183 1.185 K4 0.329 0.329 0.331 0.333 0.334 τ 4.03 4.14 4.49 4.68 4.78 Qm(m3/s) 292.3 261.9 190.6 160.2 147.2 Q0(m3/s) 10.7 10.0 8.3 7.5 7.1 tc 6 6 6 6 6 T(h) 8.1 8.1 8.1 8.1 8.1 tp(h) 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 Cr 0.58 0.59 0.61 0.63 0.63               （3）查《图表》的附表（16）得相应的一组ti/tp～Qi/Qm再分别乘以tp和Qm得设计洪水过程线。见表2-11。 表2-11            推理公式法设计洪水过程表        单位：m3/s 频率 时段(h) P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 0.0 10.7 10.0 8.3 7.5 7.1 0.4 51.6 46.7 35.0 29.9 27.7 0.8 168.6 151.5 111.2 94.0 86.6 1.2 256.3 230.1 168.4 142.1 130.8 1.6 297.2 266.7 195.1 164.5 151.4 2.0 303.1 272.0 198.9 167.7 154.4 2.4 291.4 261.5 191.3 161.3 148.5 2.8 256.3 230.1 168.4 142.1 130.8 3.2 215.4 193.4 141.7 119.6 110.2 3.7 180.3 162.0 118.9 100.4 92.5 4.1 156.9 141.0 103.6 87.6 80.8 4.5 133.5 120.1 88.4 74.8 69.0 4.9 110.1 99.1 73.1 62.0 57.2 5.3 86.7 78.1 57.9 49.1 45.4 5.7 66.3 59.8 44.5 37.9 35.1 6.1 51.6 46.7 35.0 29.9 27.7 6.5 37.0 33.6 25.5 21.9 20.4 6.9 28.3 25.8 19.7 17.1 16.0 7.3 19.5 17.9 14.0 12.3 11.6 7.7 16.6 15.3 12.1 10.7 10.1 8.1 10.7 10.0 8.3 7.5 7.1             2.2.3.4  由地区综合公式法推求设计洪峰流量 根据《图表》所载暴雨途径设计洪水的地区综合Qm～F表，黑虎山水库处在水文分区的第六区，流域面积为17.4km2，地区经验公式如下： P=1% ：Qm=68.8F0.537 P=0.1%：Qm=87.7F0.562 根据此公式计算出的设计洪峰流量见表2-12。 2.2.3.5  设计洪水成果合理性审查 历次洪水成果比较见表2-12。 表2-12          不同阶段设计洪水成果比较表  单位：m3/s、万m3 不同阶段 频率 P=0.1% P=0.2% P=1% P=2% P=3.3% 1980 Qm 319   238     W 550   356.1     本次复核 瞬时单位线法 Qm 480.8 440.7 317.9 275.9 259.3 W24 523.7 475.9 362.1 311.9 290.4 推理公式法 Qm 303.1 272.0 198.9 167.7 154.4 W24 400.1 359.8 264.7 224.0 206.6 地区经验公式法 Qm 436.7   319.0                     从表2—12可知，本次复核三种方法计算成果有一定差别，以瞬时单位线法计算成果为大，且设计洪峰流量成果与地区经验公式法成果较为接近。考虑工程安全，兼顾成果合理性，本次设计洪水复核采用瞬时单位线法计算出的设计洪水成果。 本次设计洪水与历次洪水有一定差别，主要是因为本次洪水复核与其他阶段采用的设计暴雨参数和设计雨型及产汇流参数有所调整，本次是在以往历次工作的基础上，对设计洪水的各个环节作了进一步的复核，采用的有关参数更为合理，分析认为本次以《水利水电工程等级划分及防洪标准》确定设计洪水标准是正确合理的，因此应以本次设计洪水成果作为水库安全鉴定采用成果。 2.3  分期设计水位 根据流域降雨及洪水特点，拟定4～10月为丰水期，11～3月为枯水期，其中12～1月为最枯期。 根据湖北省径流深等值线图和黑虎山水库多年平均年降雨量，结合当地实际情况，径流系数取0.27，承雨面积取17.4km2。把每年的11～3月分月雨量进行排频统计，排频统计值见表2-13。 表2-13            施工期5年一遇分月来水量  月份 11 12 1 2 3 雨量(mm) 46 23 19 34 57 来水量(万m3) 21.6 10.8 8.9 16.0 26.8             枯水期设计洪水根据该分期实测的历年最大日降雨量经计算排频得到相应的统计参数，枯水期11～3月最大1日降水量为26.0mm，洪水总量为12.2万m3；枯水期12～1月P=20%的设计总降水量为44.0mm，相应的来水总量为20.7万m3。 枯水月份施工期水库由于有输水管可以下泄径流，其设计水位采用11～3月5年一遇最大1日降水量所产生的洪水进行调洪得出。调洪演算起调水位为死水位，洪水来临时，输水管开始自由溢流。死水位为167.2m，输水管为圆形有压涵管，内径为0.7m。 输水管封堵后，上游来水没有出路，此时取12～1月两个月总来水量加上死库容后的库容（83万m3）所对应的库水位即为12～1月施工期设计库水位。 施工洪水计算成果见表2-14。 表2-14              施工期设计洪量及水位  频率 施工期 (输水洞封堵前) 11～3月 施工期 (输水洞封堵后) 12～1月 P=20% 洪水总量（万m3） 12.2 来水总量（万m3） 20.7 水位（m） 167.50 水位（m） 167.90           2.4 水雨情自动测报系统 目前水库无水雨情自动测报系统，仅设有简易的水位观测标尺，水库运行多年来，不能及时掌握水库坝址以上区域的实时雨水情，影响了水库的安全渡汛和兴利调度。根据安全鉴定意见，拟建立水库水雨情自动测报系统。 2.4.1 测报系统建设目标 系统实时采集、接收遥测站的雨、水情信息；具有数据处理功能，建立实时、历史雨水情数据库；进行联机洪水预报；系统能够可靠稳定运行，具有较强的防雷、抗干扰能力；能与本地计算机水情局域网共享雨水情信息。 2.4.2 测报系统布设 （1）遥测站布设原则 尽量在现有报汛水文站、雨量站处设立遥测站；遥测站尽量靠近交通便利的村镇，要具备通信条件；所设遥测站能够控制测区的雨水情，满足洪水预报、调度需要。 因本水库汇流面积较小，根据上述原则，可仅在坝址附近设置雨量站和水位站，进行降雨和库水位观测。事先建立洪水预报模型，根据实测降雨预报入库洪水，并根据当时的库水位确定水库的防洪度汛方案。 （2）遥测站布设 按照上述布站原则，根据流域暴雨洪水情况，本次规划布设1个遥测雨量站和1个遥测水位站，而且均设置在水库大坝水位观测井上，共一个RTU装置。 （3）中心站布设 自动测报系统的中心站设在水库管理处办公楼内。 2.4.3 系统工作体制与通信方式 系统采用自报式工作体制，通信方式为超短波通信。通信频段应采用国家无线电管理委员会分配给水文遥测的专用频率，并向当地无线电管理委员会申请批准。 2.4.4 设备配置 2.4.4.1系统硬件配置 中心站设备与水库信息化平台共享，另配置有：一台服务器、一台监控工作站、数传电台一台、天馈系统一套。 水位、雨量监测站配置有：太阳能供电设备（包括：太阳能板、充电控制器、蓄电池）、数传电台和天馈系统、信号避雷器、终端测控装置RTU、浮子式水位计、雨量计。 2.4.4.2系统软件配置 系统软件包括： 操作系统软件（Windows2000/Windows XP） SQLServer6.5/Sybase11/Oracle8 数据采集软件 水雨情自动测报软件 2.4.5系统功能 （1）中心站的功能 1) 数据采集存储及分析处理 自动采集RTU装置发送的数据，并进行分析处理，为水库防洪调度和运行管理提供数据支持。同时将所有实时监测的数据存储到数据服务器中，以供查询和分析。 2) 人机接口 通过键盘(或鼠标)实现人机接口功能，操作键盘（或鼠标）可以调出各类数据画面及过程曲线画面，操作键盘可以设置传感器的初始值，并可以通过操作键盘输入人工观测的数据等。 3) 屏幕显示 屏幕显示水位、雨量站的当前数据、历史数据及过程曲线，当系统检测到故障时，屏幕自动弹出故障画面，并显示其故障内容。 4) 打印 定时或召唤打印各类数据和曲线，当系统检测到故障时，则自动打印故障信息。 5) 通信 中心站与水位、雨量监测站采用超短波无线通信,中心站通过公网与水利信息网连接，。 6) 系统诊断 在线或离线诊断系统故障，并可诊断到各测点传感器，当检测到故障时，系统给出故障信息。 7）数据发布 采用WEB方式向水利信息网发布监测数据信息。 （2）水位、雨量站功能 水位、雨量站完成实时测量水位和雨量，并通过超短波无线通信方式将测量的数据传输到中心站。具体功能： 1）定时采集水位信息，一般采集周期设为1分钟，采样时间小于1秒。实际应用中，由于水位变化的速度快慢来设置采集周期。另外对于防洪类安全性要求高的场合，可设置多个不同的采集周期。即当水位在预警水位以下时，使用较长的采集周期采集数据，当水位超过预警水位时，使用较短的采集周期，以随时掌握水情的变化。 2）定时或定量向中心站传送水位信息，定时的时间间隔可以设定，定量中的数据可以设定。 3）雨量监测具有自报和查询两种通信方式，并可在当地或通过远程通信进行设置。 4）能在当地或通过远程通信设置自报数据的起动条件（累计降雨量1-100mm或降雨强度0.1-12mm/h）和发送一次数据的时间间隔（10分钟-48小时可调）。 5）能实时扫描采集和存贮一次雨量计送来的雨量数据功能。 6）能储存一个月内每十分钟的降雨，一年内每日的降雨记录。记录可在当地查看或主站，记录只能溢出不可清除。 7）具有定时和实时向中心站发送数据功能，中心站能够以图表或曲线的形式查看。 8）具有故障判断和告警功能。当传感器故障、程序意外飞走、电池电压下降等能及时判断，并自动向中心站发送告警信息。 9）软硬件看门狗防止死机，提高了系统工作可靠性。 10）具有上电复位，定时复位和控制复位功能。 2.4.6主要设备技术要求 （1）监控工作站 监控工作站设备采用原装研华工控机，主要技术性能要求如下： ●CPU：P4 ● 主频：2.4G ● 内存：512MB ● 硬盘：120G ● 显示器：19寸液晶显示器 （2）数传电台