合江水電站洪水特征分析研究

溫建雄

(梅州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 梅州 514000)

1 流域和河流特征

合江水電站地處梅江干流，電站站址位于廣東省五華縣水寨鎮(zhèn)善坑村，在琴江與五華河交匯處下游，距水寨鎮(zhèn)約9 km；其下距水口水文站8 km，上距尖山站59 km。合江水電站壩址處河床寬235 m，壩址以上集水面積為4 900 km2，占梅江流域總面積(13 929 km2)的35.2%。

梅江是韓江的主流，是梅州市最主要的河流，地理位置在東經(jīng)115°13′～116°33′，北緯23°55′～24°48′，發(fā)源于廣東省陸豐、紫金縣交界的烏突山七星崠，上游河段稱琴江，流經(jīng)五華縣水寨與五華水匯合后始稱梅江，由西南向東北流經(jīng)五華、興寧、梅縣至大埔縣的三河壩與汀江匯合后稱韓江。梅江流域東西寬136.5 km，南北長172 km，干流全長307 km，流域集水面積13 929 km2，平均坡降0.4‰。梅江在梅州市境內(nèi)有集雨面積10 424 km2，河長270 km。

梅江流域總的地形是從西南向東北傾斜，地格結(jié)構(gòu)為多字形，山地占流域總面積的36%，丘陵占流域總面積的44%，臺地及小平原占流域總面積的20%。河流溪澗縱橫密布，集水面積在100 km2以上的一級支流共有19條，其中集水面積在500 km2以上的河流有華陽水、五華河、寧江、程江、石窟河、松源河等6條(見表1)。

表1 梅江流域主要支流概況

梅江流域以前水土流失較嚴(yán)重，但經(jīng)過近十幾年的封山育林和水土保持工作，水土流失狀況有所改善。合江水電站的主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧航運(yùn)，壩址以上控制集雨面積4 900 km2，占梅江流域面積的35.2%。水庫正常蓄水位99.4 m(黃基)，正常蓄水庫容430萬m3，電站總裝機(jī)容量7.2 MW。

2 梅江流域氣象特征

2.1 降雨

據(jù)梅州市水文分局統(tǒng)計(jì)資料：梅州市多年平均降雨量為1 435.58 mm，最大年降雨量為2 309 mm(1983年)，最小年降雨量為904.5 mm(1991年)，最大24 h降雨量為180.6 mm(1961年)。本流域雨量充沛，但年內(nèi)分配極不均勻，其中4—9月為雨季，降雨量約占全年降雨量的70%；10月至翌年3月為旱季，降雨量約占全年降雨量的30%。4—6月降雨多為鋒雨，7—10月降雨多為臺風(fēng)雨。

2.2 徑流

梅江流域徑流年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，以4—9月為汛期，約占年徑流量的70%～80%；最小徑流量為1月，只占年徑流量的3%左右。

據(jù)梅江干流的橫山、水口和支流等水文站的歷年測驗(yàn)整編資料統(tǒng)計(jì)，梅江主要站最大徑流深、最小徑流深、多年平均徑流深和最小流量如下所示(見表2)。

表2 梅江主要站年徑流特征值

2.3 洪水

梅江流域洪水主要是暴雨造成，而暴雨以臺風(fēng)雨為多，暴雨中心多在水口水文站以上及下游支流蕉嶺石窟河一帶。

3 洪水特征和電站設(shè)計(jì)洪水合理性分析

3.1 暴雨、洪水特性

梅州市屬亞熱帶氣候，雨量充沛，多年平均降雨量在1 400～1 800 mm之間，降雨年內(nèi)分配不均，年內(nèi)雨量集中在4—9月。由于受鋒面雨和臺風(fēng)雨影響，梅州的暴雨大且集中，暴雨中心多在水口水文站以上及下游支流蕉嶺石窟河一帶。

梅江洪水主要由暴雨所致，以降雨性質(zhì)區(qū)分，造成梅江洪水的暴雨以熱帶氣旋雨居多。據(jù)橫山水文站1943—1998年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)洪峰流流量超過5 000 m3/s的有9場，由臺風(fēng)雨造成的占7場，其中最大的是1960年6月的一場洪水，洪峰流量為6 810 m3/s，就是由臺風(fēng)雨造成的。該年梅江干流上、下游普遍發(fā)生大水，水口站測得洪峰流量為5 030 m3/s(見表3)。

表3 水口站1954—2018年最大流量統(tǒng)計(jì)

合江水電站是1座低水頭閘壩式徑流電站，洪水時(shí)，閘門全開泄洪，電站不承擔(dān)防洪任務(wù)，且電站庫容較小，對水電站安全起控制作用的主要是洪峰流量；因此設(shè)計(jì)洪水及施工只分析洪峰流量。

3.2 歷史洪水

梅江干流各站(或河段)的歷史洪水查測資料及洪峰流量推算成果經(jīng)多次整編審查，由廣東省水利廳組織調(diào)查成果匯總成《廣東省歷史洪水調(diào)查成果表》，并經(jīng)“全國雨洪辦”審定。此次洪水計(jì)算重現(xiàn)期的確定可依據(jù)該成果表中歷史洪水的調(diào)查成果確定。

根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載及洪水調(diào)查資料，梅江干流1864年普遍發(fā)生較大洪水，自上而下的尖山、水口、梅縣、橫山等河段，各河段測站均查測并記錄有該場洪水資料。據(jù)各站查測計(jì)算資料，1864年各站洪峰流量如下所示(見表4)。

表4 梅江各河段1864年洪水調(diào)查成果

3.3 設(shè)計(jì)洪水

3.3.1 洪水計(jì)算方法

根據(jù)參證站的選擇，擬選定水口水文站作為設(shè)計(jì)洪水推求的參證站，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用面積比指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。合江水電站壩址上下游有尖山、河子口、水口、梅縣的水文測站，根據(jù)各站位置及統(tǒng)計(jì)資料可知，尖山站和河子口站位于壩址上游，匯合后才流經(jīng)壩址，電站壩址以上控制集水面積為4 900 km2，尖山站和河子口站址以上集水面積分別占壩址控制面積32%和31%，不足50%，對壩址起不到控制作用，且用兩支流作為參證站來反求主流面積指數(shù)并不合理；故采用尖山站和河子站作為參證站進(jìn)行面積指數(shù)反求不合適。同理可知，用上游尖山站或河子口站與下游水口站或梅縣站作參證站反求面積指數(shù)也不合適。

水口站距電站壩址僅8 km，且其與壩址控制面積相差僅24%，其上有寧江河匯入，梅縣站與壩址控制面積差也未超過50%；其上有程江河匯入，兩站同屬梅江，自然地理?xiàng)l件均比較一致，兩者作為參證站反求面積指數(shù)較為合理(見表5)。

表5 合江水電站上、下游測站基本情況

采用水口水文站和梅縣水位站1960年實(shí)測的同場最大洪峰水及各自所控制的流域面積反推面積比指數(shù)，計(jì)算公式如下：

Q梅縣=Q水口(F梅縣/F水口)n

n=lg(Q梅縣/Q水口)/lg(F梅縣/F水口)

式中，Q梅縣=5 811 m3/s；Q水口=5 030 m3/s；F梅縣=8 152 km2；F水口=6 480 km2。

代入上式可求得n=0.63，故合江水電站洪峰流量為：

Q合江=Q水口(4 900/6 480)0.63=0.839Q水口

3.3.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

(1)基本資料

水口水文站位于合江水電站壩址下游8 km，設(shè)立于1952年，至今有較完整洪水資料，資料成果可靠；故合江水電站設(shè)計(jì)洪水、施工洪水資料系列可采用水口水文站整編刊布成果換算而得。

(2)歷史洪水及重現(xiàn)期

由《廣東省歷史洪水調(diào)查成果表》中查得，水口站歷史洪水年份有1864年，重現(xiàn)期起算年份為1864年，重現(xiàn)期N=155年。

(3)頻率分析

系列采用：1954—2018年實(shí)測系列，加1864年歷史洪水組成不連續(xù)系列。

經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算：將實(shí)測系列與歷史洪水作為同一總體的一個(gè)樣本來考慮，即歷史洪水頻率按下式計(jì)算：

PM=[M/(N+1)]×100%

實(shí)測洪水頻率按下式計(jì)算：

Pn=[m/(n+1)]×100%

線型：PⅢ型理論分布。

(4)分析成果

由1954—2018年水口水文站實(shí)測最大洪水加歷史洪水組成不連續(xù)系列進(jìn)行排頻并適線，計(jì)算得水口站多年平均洪峰流量Q平均=2 146 m3/s，Cv=0.53，Cs=3Cv(見圖1)。

合江水電站壩址處設(shè)計(jì)洪水采用水口水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果按面積比指數(shù)法推求，計(jì)算公式如下：

Q合江=Q水口(F合江/F水口)0.63=0.839Q水口

頻率計(jì)算方法同上。經(jīng)計(jì)算，合江水電站壩址多年平均洪峰流量Q平均=1 800 m3/s，Cv=0.53，Cs=3Cv。

水口站、合江水電站壩址各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量如下所示(見表6)。

表6 各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果

圖1 水口站年最大洪水頻率曲線

3.3.3 合理性分析

2004年4月，設(shè)計(jì)單位編制的《五華縣合江水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》(簡稱《初步設(shè)計(jì)》)，水口站多年平均洪峰流量為2 272 m3/s，Cv=0.50，其采用的水口站資料系列為1954—1999年。2012年10月，梅州市水務(wù)局、廣東省水文局梅州分局編制的《梅州市流域綜合規(guī)劃修編報(bào)告書(2011—2030年)》(簡稱《規(guī)劃修編報(bào)告》)，水口站多年平均洪峰流量為2 140 m3/s，Cv=0.55，其采用的水口站資料系列為1954—2005年(見表7)。

本次計(jì)算水口站成果與《初步設(shè)計(jì)》和《規(guī)劃修編報(bào)告》計(jì)算成果相差均較小，與《初步設(shè)計(jì)》成果相比，洪峰流量相差-5.87%，Cv值相差5.66%；與《規(guī)劃修編報(bào)告》成果相比，洪峰流量相差0.28% ，Cv值相差-3.77%。本次計(jì)算采用水口資料系列為1954—2018年，比《初步設(shè)計(jì)》《規(guī)劃修編報(bào)告》計(jì)算時(shí)采用的資料分別延長了19 a和13 a，資料系列的代表性更好。因此，認(rèn)為本次計(jì)算成果是合理的。

表7 水口站多年平均洪峰流量計(jì)算成果對比

4 結(jié) 語

暴雨和洪災(zāi)一直對河流重點(diǎn)區(qū)域造成極大傷害，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)和居民生活造成了難以估量的影響。本文以梅江合江水電站地區(qū)為研究對象，對合江水電站的歷史暴雨和洪水情況重點(diǎn)分析，詳細(xì)論述研究區(qū)的暴雨成因特點(diǎn)、洪水成因特征和設(shè)計(jì)洪水合理性，為未來防汛主管機(jī)構(gòu)決策積累經(jīng)驗(yàn)和決策支持，也為合江水電站工程建設(shè)的水文分析與設(shè)計(jì)提供了理論參考。