金沙江下游梯级水库设计洪水复核计算

Recheck of Design Floods for Cascade Reservoirs in Downstream Jinsha River

摘要: 金沙江下游建有乌东德~白鹤滩~溪洛渡~向家坝梯级水库，各水库初设坝址设计洪水成果采用的水文系列资料分别止于2008年、2009年、1998年和1998年。为考虑初设之后水文资料对设计成果的影响，采用华弹站、屏山站实测日径流资料及上游水库群实际运行资料，根据马斯京根法将两站序列还原并延长至2020年，进行梯级水库设计洪水复核计算。复核结果表明：1) 华弹站和屏山站设计洪水峰量的均值稍有增减(均变化0.6%左右)、Cv和Cs稍有减小，两者之比即Cs/Cv不变；2) 与原设计成果相比，乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝不同频率设计洪水的变幅基本控制在5%、3%、3%和3%以内；3) 设计洪水复核结果与初设误差基本控制在5%以内，且频率曲线也基本与原审定结果相符，可继续沿用初设成果。

Abstract: There are Wudongde~Baihetan~Xiluodu~Xiangjiaba cascade reservoirs in the downstream Jinsha River, and the hydrological series data used for the design flood results of each reservoir site in the preliminary design stage end at 2008, 2009, 1998, and 1998, respectively. To consider the influence of floods on the hydrological results in the years after the preliminary design, the actual measured daily runoff data of Huatan and Pingshan hydrological station and the actual operation information of the upstream reservoir group were used, and the series of the two stations were naturalized and extended to 2020 according to the Maskingen method for the design flood recheck calculation of the cascade reservoirs. The results show that: 1) the mean values of the design flood peaks at the Huatan and Pingshan stations change slightly (both by 0.6%). Cv and Cs decrease slightly, while Cs/Cv remain unchanged; 2) the variations of the design floods of Wudongde, Baihetan, Xiluodu and Xiangjiaba with different frequencies are mainly within 5%, 3%, 3% and 3%; 3) the design floods of the cascade reservoirs in the downstream Jinsha River are within 5% of the original design error, and the flood frequency curves are basically consistent with the original audited results, which is recommended to follow.

1. 引言

金沙江是中国长江的上游河段，流经西部的青海、西藏、四川和云南等省(区)，全长2308 km。金沙江下段始于四川省攀枝花雅砻江口，至宜宾市区岷江口，河长768 km。金沙江下游干流水能资源富集，从上至下依次规划建设乌东德~白鹤滩~溪洛渡~向家坝梯级水库 [1]，目前均已建成投运，四库总装机分别为1020、1600、1386和640万kW，总库容分别为74.08、206.27、129.1和51.63亿m³，梯级水库其它特征值详见《金沙江梯级与三峡水库群联合蓄水优化调度》 [2]。

乌东德~白鹤滩~溪洛渡~向家坝梯级水库初步设计阶段坝址设计洪水成果采用的水文系列资料范围从1939年始，分别止于2008、2009、1998和1998年。受超强厄尔尼诺事件影响，2016年6至7月副热带高压异常偏强偏西、同时西风带阻塞形势稳定，导致长江流域汛期降雨异常集中、暴雨过程频发 [3]。2020年8月，在副热带高压西进、冷高压中心向西南方向移动和西南涡的共同作用下，长江发生流域性大洪水，上游发生极端性强降水，出现了1998年以来最严重汛情 [4]。初设之后金沙江下游水库群历经了数次大洪水的检验。

考虑到初设年份之后的洪水对原设计水文成果的影响，郭生练等 [5] 将丹江口水库坝址洪水系列从1989年延长至2014年，重新考证了丹江口水库的最大历史洪水。钱名开等 [6] 对淮河流域的主要控制站点进行了逐月径流还原计算，将系列从2000年延长至2010年并对主要站点进行设计洪水复核，结果表明该流域不同时段设计暴雨和设计洪量与防洪规划成果基本一致。林荷娟等 [7] 将太湖流域降雨系列从2000年延长至2010年，在该年流域土地利用条件下，对太湖流域的设计暴雨、设计洪量等防洪规划成果进行了复核分析，结果表明沂沭泗河水系的设计洪水偏小，但淮河流域干流设计洪水与规划成果基本一致。

本文基于华弹站、屏山站径流资料和上游大型水库群的实际运行资料，利用还原方法将水文序列延长至2020年，并进行梯级水库设计洪水复核计算，为金沙江下游水库群防洪安全评价和水资源高效利用提供重要支撑。

2. 水文资料分析

华弹站和屏山站是金沙江下游乌东德~白鹤滩~溪洛渡~向家坝梯级水库设计洪水分析计算的依据站。需要说明的是，华弹站原设在云南省巧家城外龙王庙，名为巧家站，该站于1977年1月正式将左迁至四川省宁南县华弹，更名为华弹水文站并沿用至今；而屏山站测验断面初设于屏山县城南门外的燕耳岩，几经沿革后因库区淹没，原址于2012年6月改为水位站，而在向家坝水电站下游2 km新设向家坝水文站，观测至今。两站资料来源可靠、系列较长(均从1939年始)且加入了历史大洪水，资料代表性较好。

2.1. 径流还原计算

《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-2006)明确规定，设计洪水计算所依据的水文资料及其系列应具有一致性 [8]。金沙江流域水库群建成后，需开展各控制站点的洪水还原计算。洪水还原计算以水量平衡法为理论基础，根据水库的坝上水位和水位库容曲线开展洪水还原计算。

金沙江流域已建的大型水库有梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、溪洛渡、向家坝，以及雅砻江上的锦屏一级、二滩梯级水库(表1)。建库时间最早的是二滩水库，因此本次考虑华弹站和屏山站两个控制节点洪水还原的起始年份是1998年，1998~2011年的还原计算仅考虑二滩水库的调蓄影响，2012年开始增加考虑新建成的水库影响进行还原。

如表1所示，溪洛渡以上前8个水库。根据上游水库(梨园2014~2020年、阿海2012~2020年、金安桥2012~2020年、龙开口2013~2020年、鲁地拉2013~2020年、观音岩2014~2020年、雅砻江上的锦屏一级2013~2020年、二滩1998~2020年)的实际运行资料，采用水量平衡法逐级还原得到各水库的6 h天然入库洪水，考虑洪水传播时间，并采用马斯京根法 [9] 将之逐级演算到下游控制点与区间洪水叠加，最终推求得到华弹站1998~2020年的入库天然(还原后) 6 h洪水过程。

金沙江屏山水文站上游已建的对其洪水过程有影响的大型水库还有溪洛渡和向家坝水库(表1)。根据上游水库(上述8个水库资料及溪洛渡2013~2020、向家坝2012~2020年)的实际运行资料，采用前述方法推求得到屏山站1998~2020年的天然(还原后) 6 h洪水过程。为展示还原效果，选择还原前后洪峰、洪量有明显变化的2014年并绘制其洪水过程如图1所示。

Table 1. Considered reservoirs for runoff naturalization at Huatan and Pingshan stations

表1. 华弹和屏山站径流还原计算考虑水库情况

Figure 1. Observed and naturalized flood hydrograph at Pingshan station in 2014

图1. 屏山站2014年实测和还原洪水过程

2.2. 重现期考证与洪水特大值

历史文献中的巧家河段历史上洪涝灾害的记载较少，而下游屏山河段洪水在《马湖府志》(马湖府即今屏山县)《屏山县志》《屏山县续志》等历史文献有较为详细记载。在巧家、屏山河段，洪水具有较好的一致性，因此，华弹站历史洪水重现期参照屏山站的考证。19世纪初至有水文观测的1939年共130年间，文献记录的历史洪水达14次之多，洪水发生的间隔年份，与1939~2000年62年实测资料中大洪水发生情况基本相似，可以认为19世纪大洪水的记载是较全面的，无大洪水漏记情况。本次复核重新查阅了屏山县史书记录，根据《屏山县续志》对1813年洪水的描述以及对史书记载的反复调查考证，认为1813年以来不可能遗漏大于或相当于1966年量级的洪水，故考证期始于1813年，按洪水大小依次排列为1924年、1860年、1892年、1905年、1928年、1966年(实测)，其中1966年在实测系列中为首大洪水，由于量级突出，故作特大值处理。

3. 华弹和屏山站设计洪水复核

3.1. 基本方法与计算成果

本次复核所用资料为：1939~1998年华弹站和屏山站实测系列以及1998~2020年两站还原流量系列，分别按年最大值独立取样，历史洪水仍沿用初设阶段成果。频率计算时段根据规范要求和梯级水库特点，选择洪峰、W_1d、W_3d、W_7d、W_15d和W_30d。

前述6年大洪水排位及复核重现期见表2。华弹站1924年、1860年、1892年、1905年、1928年、1966年(实测)等6年大洪水次序与屏山站一致，重现期亦参照屏山站。

华弹站、屏山站样本由1924年、1860年、1892年、1905年、1928年、1966年等历史特大洪水和各自的实测洪水组成不连续系列。华弹站、屏山站历史洪水的W_1d、W_3d和W_7d，根据各站峰量相关关系插补，相关系数为0.96~1.00，洪峰与W_15d、W_30d相关点据分布呈带状，相关线具有一定的不确定性，偏安全考虑进行插补。以华弹站为例，洪峰与W_1d、W_3d、W_7d和W_15d的相关关系如图2所示。历史洪水各时段洪量重现期考证方法与洪峰一致。

特大洪水系列经验频率采用公式(1)计算：

$P_M=\frac{M}{N+1}M=1,2,\cdots ,a$ (1)

实测系列经验频率采用公式(2)计算：

$P_m=\frac{a}{N+1}+\left(1-\frac{a}{N+1}\right)\frac{m-l}{n-l+1}m=l+1,l+2,\cdots ,n$ (2)

式中：M为特大洪水由大到小排列的序号；P_M为特大洪水第M序号的经验频率；N为自最远的调查考证年份至今的年数；a为特大洪水个数(含实测中的特大洪水)；m为实测系列由大到小排列的序号； $P_m$ 为实测系列第m项的经验频率；n为实测系列的年数；l为实测系列中作特大值处理的个数。

理论频率曲线采用P-III型曲线，不同分期各时段的年最大值参数，均以矩法的计算结果为初始值，通过目估适线法确定参数，结果见表3和表4。以年最大洪峰、W_1d、W_3d和W_7d为例，华弹和屏山站的原设计与复核频率曲线分别见图3和图4。对比华弹站和屏山站的原设计成果和本次复核成果，可以看出各个设计变量的均值和C_v变化均较小，本次复核成果和原设计成果基本一致。

Table 2. Historical flood peaks and recheck of return periods at Huatan and Pingshan stations

表2. 华弹和屏山站历史大洪水洪峰流量和复核重现期

Figure 2. Plots of annual maximum flood peaks related with to W_1d, W_3d, W_7d and W_15d at Huatan station

图2. 华弹站年最大洪峰与W_1d、W_3d、W_7d和W_15d相关图

Figure 3. Frequency curve of annual maximum flood peak, W_1d, W_3d, and W_7d at Huatan station

图3. 华弹站年最大洪峰、W_1d、W_3d和W_7d频率曲线

Figure 4. Frequency curve of annual maximum flood peak, W_1d, W_3d, and W_7d at Pingshan station

图4. 屏山站年最大洪峰、W_1d、W_3d和W_7d频率曲线

Table 3. The rechecking results of design floods at Huatan station

表3. 华弹站设计洪水成果表(Q_m：m³/s，洪量：亿m³)

Table 4. The rechecking results of design floods at Pingshan station

表4. 屏山站设计洪水成果表(Q_m：m³/s，洪量：亿m³)

3.2. 成果合理性分析

由表3可见，此次华弹站设计洪水复核，资料系列延长到2020年，延长系列后华弹站设计洪水(天然情况)与初设的审定成果差别如下：华弹站设计洪峰流量和1 d、7 d、30 d洪量均值分别增加0.6%、0.7%、1.5%和1.0%；设计洪峰流量和7 d、15 d洪量C_v值从0.29减小到0.28，设计30 d洪量C_v值由0.28减小到0.27。设计洪峰流量与1 d、3 d、7 d、15 d、30 d洪量不同频率设计误差百分比分别在−1.1%~0.4%、0.5%~0.9%、−0.4%~−1.2%、−1.2%~0.8%、−1.3%~−3.8%、−1.5%~0.3%之间，虽然略有变化，但与原设计差别不大，不超过3.8%，且频率曲线也基本与原审定结果相符，因此可认为华弹站的设计洪水计算结果是合理的。

此次屏山站设计洪水复核(表4)，延长系列后屏山站设计洪峰流量和3 d、7 d、15 d洪量均值分别减小0.6%、0.9%、2.1%和1.1%，设计30 d洪量均值增加1.0%；设计洪峰流量C_v值从0.30减小到0.29，设计洪量的C_v值不变。设计洪峰流量与1 d、3 d、7 d、15 d、30 d洪量不同频率设计误差百分比分别在1.2%~2.4%、−0.9%~0.2%、−0.6%~0.2%、2.0%~3.2%、1.2%~2.2%、−0.5%~0.7%之间，与变化百分比(小于3.2%)和频率曲线均与原设计差别不大，因此认为屏山站的设计洪水成果合理。

4. 水库设计洪水复核结果

4.1. 乌东德水库

长江设计集团有限公司负责乌东德水利枢纽工程设计，2013年完成设计报告，其设计洪水依据站为华弹水文站和屏山水文站，资料序列范围为1939~2008年¹。乌东德水电站坝址以上集水面积40.61万km²，下距华弹站143.4 km、屏山站517 km。华弹站和屏山站的控制面积分别为42.59 km²和45.86 km²。

乌东德水电站设计洪水设计值采用式(3)计算：

$W_{乌}=W_{华}-\frac{W_{屏}-W_{华}}{F_{屏}-F_{华}}\cdot \left(F_{华}-F_{乌}\right)$ (3)

式中：W_乌、W_华、W_屏为乌东德水电站、华弹站、屏山站设计洪量或洪峰；F_乌、F_华、F_屏分别为乌东德水电站、华弹站、屏山站集水面积。

由表5知，此次乌东德设计洪水复核，资料系列延长到2020年，延长系列后乌东德坝址设计洪水(天然情况)与初设阶段的审定成果相比，不同频率乌东德坝址设计洪峰流量、W_1d、W_3d、W_7d、W_15d、W_30d的误差百分比分别在−0.2%~1.6%、0.7%~2.2%、−2.0%~0.2%、0.3%~3.2%、−5.1%~−1.4%、−2.3%~0.1%之间。

Table 5. Rechecking results of design floods at the Wudongde reservoir dam site

表5. 乌东德坝址设计洪水成果表(Q_m：m³/s，洪量：亿m³)

复核结果显示：系列延长至2020年，乌东德设计洪峰略有增加、时段洪量略有减小，但与设计值差别不大，且频率曲线也基本与原审定结果相符，因此可认为乌东德水库的设计洪水计算结果是合理的。

4.2. 白鹤滩水库

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司负责白鹤滩水利枢纽工程设计，2011年完成设计报告，其设计依据站为华弹水文站，资料序列范围为1939~2009年²。白鹤滩水电站坝址位于金沙江干流下游，坝址集水面积430,308 km²，上距华弹站42 km (河道距离)。

白鹤滩坝址设计洪水成果复核成果直接采用华弹站的设计洪水复核成果，如表3所示。由3.2节可知，白鹤滩水库坝址设计洪水计算结果是合理的。

4.3. 溪洛渡水库

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司负责溪洛渡水利枢纽工程设计，2001年完成设计报告，其设计洪水依据站为屏山水文站，资料序列范围为1939~1998年³。溪洛渡水电站位于金沙江下游，下距124 km设有屏山水文站，溪洛渡电站控制面积45.86万km²，溪洛渡坝址与屏山区间面积仅占屏山站控制面积的0.9%。屏山站的洪峰及洪量频率曲线如图4所示；溪洛渡坝址设计洪水成果复核成果采用屏山站的设计洪水复核成果，如表4所示。由4.2节可知，溪洛渡水库坝址设计洪水计算结果是合理的。

4.4. 向家坝水库

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司负责向家坝水利枢纽工程设计，2003年完成设计报告，其设计依据站为屏山水文站，资料序列范围为1939~1998年⁴。向家坝水电站位于金沙江下游河段，是金沙江梯级中最末一级电站。坝址控制流域面积45.88万km²，上距屏山水文站28 km，两处集水面积相差不足200 km²，仅占坝址集水面积的0.04%。屏山站的洪峰及洪量频率曲线如图4所示，向家坝坝址设计洪水复核成果采用屏山站的设计洪水复核成果，见表4。由4.2节可知，向家坝水库坝址设计洪水计算结果是合理的。

Figure 5. 1000-year design flood hydrographs for the cascade reservoirs based on 1966 typical year

图5. 梯级水库1966典型年千年一遇设计洪水过程线

4.5. 设计洪水过程线

在金沙江下游各个水库的初设阶段，乌东德水库选择1966年8月、1974年8月和1993年8月的大洪水过程线作为典型；白鹤滩水库选择1962年8月、1966年8月、1974年9月和1993年8月四场洪水过程为典型；溪洛渡水库选择1962年7月、1965年8月、1966年8月和1974年8月四个典型过程；向家坝水库则选择1962年7月和1966年8月的典型过程。

由于1966年8月洪水为金沙江下游四座水库的共同典型年设计洪水过程线，因此对其采用设计洪峰和1 d、3 d、7 d、15 d、30 d设计洪量，按同频率放大法计算 [10]，其千年一遇设计洪水过程见图5。

5. 结论

本文延长洪水资料系列至2020年，对金沙江下游梯级水库乌东德~白鹤滩~溪洛渡~向家坝设计洪水进行复核计算，主要结论如下：

1) 延长系列后，金沙江下游梯级水库的依据水文站华弹站和屏山站设计洪水峰量的统计参数中，均值稍有增减(均变化0.6%左右)、C_v和C_s稍有减小，两者之比即C_s/C_v不变。

2) 延长系列后，金沙江下游梯级水库的坝址设计洪峰和洪量均有所增减；与原设计成果相比，乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝不同频率设计洪水的变幅基本控制在5%、3%、3%和3%以内。

3) 金沙江下游梯级水库设计洪水复核结果与初设误差基本控制在5%以内，且频率曲线也基本与原审定结果相符，因此认为初设成果是合理的，建议沿用。

基金项目

中国长江三峡集团有限公司(0799254)和国家自然科学基金(51879192)项目资助。

NOTES

¹长江勘测规划设计院.金沙江乌东德水电站可行性研究报告[R]，2013年。

²华东勘测设计研究院.金沙江白鹤滩水电站可行性研究报告[R]，2011年。

³成都勘测设计研究院.金沙江溪洛渡水电站可行性研究报告[R]，2001年。

⁴中南勘测设计研究院.金沙江向家坝水电站可行性研究报告[R]，2003年。