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2.1流域概况
石门水库位于驻马店市确山县蚁蜂镇,控制洪汝河支流黄溪河上游支流,控制流域面积1.5平方公里,是一座以防洪、灌溉为主,结合养殖等综合利用的小二型水库。
该水库于1964年10月动工兴建,于1965年4月竣工。
水库所处流域属山丘区,坝址上游为山坡岗地,上游河道长2.25km,河道平均比降为0.031,水源多系周围岗地地表径流汇入。
流域属亚热带季风气候区,冬春季干燥少雨,夏秋季湿润多雨,多年平均气温14.6℃,极端最高气温41.3℃,最低气温-13.6℃,多年平均降雨量为980mm,年内分配极不均匀,汛期降水量占全年60%,全年无霜期约226天,年日照2180小时,最大风速20.7m/s。
2.2水文基本资料
本流域内无水文测站,无实测的流量资料,因而本次采用查河南省水文水资源局2005年12月编制的《河南省暴雨参数图集》(以下简称《05图集》)及河南省水利勘测设计院1984年编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(以下简称“84图集”)查取参数,利用小流域水文计算程序进行计算,以84图集与05图集得到两种成果相互比较来分析计算。
2.3径流
根据石门水库流域所处地理位置,查河南省1956~2000(73图集)年平均径流深等值线图,该流域多年平均径流深300mm。
多年平均径流量为45万m3。
径流变差系数CV=0.6,CS=2CV。
设计频率年径流深、年径流量由下式计算:
Rp=kp×R;Wp=1000×Rp×F
式中:
Kp——模比系数,由p—Ⅲ曲线查得;
Wp——设计年径流总量;F——流域面积;Rp——设计年径流;
R——多年平均年径流深。
各频率下径流总量计算成果见下表2-1:
表2-1石门水库各频率径流总量计算表
频率
50%
75%
90%
R(mm)
350
350
350
Kp
0.89
0.56
0.35
Rp(mm)
311.5
196
122.5
F(km2)
1.8
1.8
1.8
Wp(万m3)
56.1
35.3
22.1
2.4洪水分析
2.4.1洪水特性
本流域地处亚热带与暖温带的过渡地带,具有亚热带与暖温带的双重气候特征,是典型的大陆性季风型半湿润气候。
阳光充足,热量丰富,雨量充沛,四季分明,温和湿润。
暴雨多出现在6—8月份并呈南多北少、东多西少分布。
2.4.2洪水标准
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000),水库属小
(2)型水库,工程等级为Ⅴ等。
根据国家《防洪标准》(GB50201-94),当山区、丘陵区的水利水电工程永久性水工建筑物的挡水高度低于15m,且上下游水头差小于10m时,其洪水标准宜按平原、滨海区确定;平原、滨海区土石坝永久性建筑物(5级)设计洪水标准为10年一遇,校核洪水标准为20~50年一遇,本次石门水库按10年一遇洪水设计,50年一遇洪水校核对石门水库进行设计洪水复核计算。
溢洪道消能防冲建筑物的的设计洪水标准:
5级建筑物按10年一遇洪水设计。
2.4.2设计洪水计算方法
由于石门水库无实测洪水整编资料,故采用河南省水利勘测设计院1984年10月编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(以下简称《84图集》)和河南省水文水资源局2005年12月编制的《河南省暴雨参数图集》(以下简称《05图集》)查取参数,利用小流域水文计算程序进行计算,以《84图集》和《05图集》得到的两种结果进行比较确定。
2.7设计暴雨
2.7.1设计暴雨计算
本区域属Ⅱ区,设计面雨量计算按理论频率计算公式Htp=Ht·Kp,偏差系数Cs=3.5Cv,Kp由雨量变差系数查皮Ⅲ型曲线Kp值表求得,根据“84图集和05图集”提供雨量进行计算,由于石门水库流域面积小于50km2,面雨量采用点雨量。
计算成果见表2-2,和表2-3。
表2-2设计暴雨计算成果表(84图集)
项目
10分钟
1小时
6小时
24小时
点雨量(mm)
17.5
47.5
95.7
135
Cv
0.41
0.55
0.64
0.65
Cs/Cv
3.5
3.5
3.5
3.5
点面折减系数
1
1
1
1
10%面雨量(mm)
27.1
81.7
174.1
246.9
5%面雨量(mm)
31.4
99.5
218.6
311.1
2%面雨量(mm)
37
123
278.3
397.3
表2-3设计暴雨计算成果表(05图集)
项目
10分钟
1小时
6小时
24小时
点雨量(mm)
18.5
46.5
94
135
Cv
0.38
0.6
0.75
0.75
Cs/Cv
3.5
3.5
3.5
3.5
点面折减系数
1
1
1
1
10%面雨量(mm)
27.9
82.6
180.9
259.9
5%面雨量(mm)
32.1
102.3
235.8
338.6
2%面雨量(mm)
37.3
128.6
310.8
446.3
由“84图集”和“05图集”查算的暴雨参数进行对比,差别不大,考虑水库遇到较不利情况,初步设计暴雨参数采用“05图集”查算结果。
2.7.224小时设计雨型
24时净雨概化时程的分配,依暴雨递减指数n1p、n2p、n3p按“84图集”P2表⑶所列比例进行。
暴雨递减指数采用下式计算:
n1p=1-1.285lg
;
式中:
H1p、H6p、H24p--分别为同一设计频率年最大1小时、6小时、24小时面雨量;
α--暴雨点面折减系数α=1;
暴雨递减指数计算成果见表2-4,及各频率24小时净雨概化时程分配表见表2-5。
各频率年暴雨递减指数计算成果表2-4
重现期(年)
暴雨递减指数
10
20
50
n1p
0.395
0.352
0.31
n2p
0.562
0.534
0.507
n3p
0.739
0.739
0.739
24小时设计暴雨过程成果
表2-5单位:
mm
时段
10%
5%
2%
1
3.13
4.08
5.38
2
3.13
4.08
5.38
3
3.13
4.08
5.38
4
3.13
4.08
5.38
5
3.13
4.08
5.38
6
3.13
4.08
5.38
7
3.9
5.09
6.71
8
4.32
5.64
7.43
9
4.87
6.34
8.36
10
5.61
7.31
9.63
11
6.68
8.71
11.48
12
13.79
19.13
26.5
13
17.95
24.49
33.67
14
29.3
39.02
52.37
15
82.59
102.33
128.57
16
21.74
29.4
40.04
17
15.56
21.39
29.61
18
7.46
9.72
12.81
19
6.09
7.94
10.46
20
5.21
6.79
8.95
21
4.58
5.97
7.86
22
4.1
5.34
7.05
23
3.73
4.86
6.4
24
3.57
4.65
6.13
2.7.3产流计算
由24小时设计雨量查山丘区次降雨径流关系P+Pa~R曲线,求24小时设计净雨量。
本流域采用水文分区Ⅱ区,最大初损值Imax=45mm,前期影响雨量Pa值,50年一遇以上暴雨Pa=Imax,10~20年一遇Pa=
Imax;6小时净雨由R6=R24
计算
表2-6设计净雨计算成果(05图集)
单位:
mm
频率
10%
5%
2%
P
259.9
338.6
446.3
Pa
30
30
45
P+Pa
289.9
368.6
491.3
R
213.4
289.5
409.5
2.7.4汇流计算
1、设计洪峰流量计算
洪峰流量采用推理公式计算:
(小时)
式中:
Qm--设计洪峰流量 m3/s;
ψ’--洪峰径流系数;
τ--洪峰汇流时间,小时;
F--流域面积,F=1.5km2;
L--干流长度,L=2.25km;
J--L的平均坡度以小数计J=0.031
S--设计最大1小时雨量平均强度,即设计频率1小时雨量,mm/小时;
n--设计暴雨递减指数,当τ=1-6小时代入n2,
τ=6~24小时代入n3;
μ--平均入渗率,取μ=4mm/小时;
m--汇流参数,依公式
求出θ,查θ-m关系图。
2、设计24小时洪量计算
洪水总量由算式:
W24=1000R24F 求得
式中:
R24--24小时净雨深;
F--流域面积(km2)。
计算成果见表2-7;
表2-7设计洪峰洪量计算成果
项目
10%
5%
2%
S(mm/h)
84.4
104.5
131.3
n1
0.347
0.303
0.258
n2
0.611
0.583
0.556
n3
0.72
0.732
0.743
m
1.19
1.19
1.19
μ(mm/h)
4
4
4
ψ
0.953
0.962
0.97
τ(h)
1.05
1
0.9
Q(m3/s)
39
50
66
W(万m3)
37
49
68
2.7.5洪水过程线
采用概化过程叠加方法,根据净雨概化时程分配和计算得的洪峰绘制洪水过程线,主峰τ前后各个τ时段的净雨量Rτ,当τ不够整时段时,可按小时平均分配取值。
以各个时段的净雨平均强度计算各次洪峰的洪水流量Qi=0.278
F(m/s),按等腰三角形对应于净雨过程绘于图上,叠加绘出洪水过程线。
计算成果见表2-8
表2-8
设计洪水过程线成果
单位:
m3/s
时段
10%
5%
2%
1
0
0
0
2
0
0
0
3
0
0
0
4
0
0
0
5
0
0
0
6
0
0
0
7
0
0
0
8
1
1
1
9
1
1
1
10
1
2
2
11
2
3
4
12
3
5
8
13
7
7
14
14
10
12
20
15
35
44
56
16
12
17
17
17
4
8
12
18
2
4
7
19
1
2
3
20
1
2
2
21
1
1
1
22
1
1
1
23
0
0
0
24
0
0
0
洪峰合计
35
44
56
洪量(万m3/s)
30
40
54
2.5施工期洪水计算
根据《水利水电工程等级划分标准》及《水利水电工程施工组织设计规范》,永久性工程为5级的水工建筑物,其临时建筑物级别为5级,设计洪水标准为枯水期五年一遇洪水标准。
由于石门水库控制流域范围内无实测流量资料和雨量资料,因此,本次计算拟采用附近水文站实测流量资料。
石门水库所在流域附近有王勿桥水文站。
王勿桥水文站有1983年~2005年的流量观测资料进行施工期洪水计算,因王勿桥水文站与石门水库处于相近流域内,下垫面和地形地貌、气象相似的,所以根据面积比推算石门水库非汛期洪峰及流量。
根据工程施工总体安排,石门水库施工期均为非汛期的11月~12月,因此,由实测观测资料,选取1983~2005年历年非汛期(11月~12月)实测流量为分析系列,进行经验频率计算,暴雨经验频率计算成果见表2-6。
王勿桥水文站11~12月施工期洪水成果表
表2-6
频率分析
设计流量(m3/s)
均值
Cv
Cs/Cv
5年一遇
10年一遇
20年一遇
9.11
1.6
2.5
12.23
23.31
41.24
由于石门水库地形、地貌及下垫面因素和王勿桥水文站相似,故根据王勿桥水文站的非汛期11月~12月成果根据面积比推算(洪峰折算是面积比的0.75次方,洪量折算是面积比的1次方)。
王勿桥水文站测站面积200km2,石门水库流域面积20.80km2。
石门水库非汛期11月~12月设计洪水成果如下表2-7。
表2-7石门水库非汛期(11月~12月)洪水成果表
项目
设计流量(m3/s)
5年一遇
10年一遇
20年一遇
施工期洪峰(m3/s)
2.24
4.27
7.55
施工期洪量(万m3)
21.49
34.90
54.54
2.6泥沙
河流泥沙的主要来源是流域表面的侵蚀和河床的冲刷,而泥沙的多少和流域的气候、植被、土壤、地形等因素有关。
因此,影响河流输沙量的因素与影响径流的因素一样也有三个方面:
气候因素、下垫面因素和人类活动。
气候因素中影响最大的是气温和降水。
在没有植被的地表,太阳直接照射,表层土壤十分干燥,若遇暴雨,则松疏土层极易被暴雨产主的地面径流冲走。
春季急速融雪形成的洪水也常常引起大量表土流失。
气温的变化是造成岩石风化的主要原因之一,一些较为寒冷、土壤含水量较大的地区,常常发生冻融侵蚀,从而增加河流泥沙。
垫面因素主要是流域的地形、植被和土壤特性等。
地面坡度愈大,土壤流失严重。
植被是防止地面侵蚀的积极因素,它既可保护土壤免受降水直接冲击,并可阻滞地面径流的发生和发展,减少甚至完全控制水上流失。
人类活动通过改变流域的下垫面状况对河流泥沙起着很大的影响。
采用不合理的耕作制度和方式,盲目地砍伐森林、无计划地开发土地等,都使地表侵蚀加剧。
相反,若采取积极有效措施,如植树造林,坡地改梯田等,就能防止水土流失。
石门水库上游河道的泥沙主要来源于流域上游的土壤侵蚀,受季节性变化影响较大,汛期降雨量雨强大,洪水时含有一定的泥沙,非汛期降雨量少,河道流量小,含沙量低。
石门水库上游为山丘区,无生活污水及点污染源,据现场观察,库水清洁透明,无杂物,能够满足农田灌溉、水产养殖及人畜饮水水质要求。
石门水库运用至今,无详细的泥沙观测资料。
依照河南省水文总站1984年出版的《河南省地表水资源附图》,查得该流域侵蚀模数介于200~500t/km2·n。
由于该水库上游汇流区基本为山区、丘岭区,植被好,且经过2.25km河道沿程沉淀,汇流水入库时沉沙量较少,取多年平均侵蚀模数200t/km2·n,淤积物干容重1.2t/m3,泥沙沉积率0.85,则石门水库平均每年淤积量为0.02万m3,淤积总量为0.9万m3。
石门水库设计死库容4.8万m3,实际淤积量大大低于死库容,对水库功能影响不大。
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