增江流域派潭河上游段河道設(shè)計(jì)洪水研究

鄧瑞欣

(廣州市黃埔區(qū)水務(wù)設(shè)施管理所，廣州 510530)

1 基本概況

增江流域派潭河是派潭鎮(zhèn)境內(nèi)的主要河流，屬增江一級(jí)支流。派潭河上游為典型的中小河流，河道兩岸處于無堤防狀態(tài)，洪澇災(zāi)害頻繁。派潭河上游小流域位于增城市派潭鎮(zhèn)，派潭鎮(zhèn)地處珠江三角洲地區(qū)北端，是增城市北部最大的山區(qū)鎮(zhèn)。地形主要以山坡地為主，兼有沖積平原，總的走勢(shì)為北高南低。地貌主要為侵蝕-剝蝕地貌及河流沖積-沉積地貌、人工地貌等。雖然派潭河上游建有幾座中小型水庫(kù)，但除大封門水庫(kù)外，其它水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)蓄能力有限，而且河道防洪標(biāo)準(zhǔn)低，多數(shù)河段仍處于無堤防狀態(tài)，而高灘村地面高程較低，常受洪澇災(zāi)害威脅。

派潭河上游(何大塘攔河壩以上)范圍內(nèi)共有5座水庫(kù)，分別為大封門水庫(kù)、七星墩水庫(kù)、白水寨水庫(kù)、石馬龍水庫(kù)和大汾河水庫(kù)。其中，七星墩水庫(kù)和白水寨水庫(kù)并聯(lián)后匯入石馬龍水庫(kù)，石馬龍水庫(kù)、大封門水庫(kù)和大汾河水庫(kù)并聯(lián)后匯入派潭河。設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成十分復(fù)雜。見圖1。

圖1 派潭河上游水系圖

2 派潭河流域各水庫(kù)特征

派潭河何大塘攔河壩以上總集雨面積為82.13 km2，其中包括大封門水庫(kù)集雨面積25.8 km2，石馬龍水庫(kù)集雨面積10.82 km2(包括七星墩水庫(kù)和白水寨水庫(kù)集雨面積)，大汾河水庫(kù)集雨面積較小，僅有0.94 km2，對(duì)洪水調(diào)蓄影響較小。本次計(jì)算不考慮大汾河水庫(kù)調(diào)洪的影響，僅考慮大封門水庫(kù)、七星墩水庫(kù)、白水寨水庫(kù)、石馬龍水庫(kù)的調(diào)洪影響。

2.1 大封門水庫(kù)

大封門水庫(kù)位于派潭河干流上，南距派潭鎮(zhèn)19 km，距增城市區(qū)42 km。水庫(kù)于1969年12月動(dòng)工興建，1970年6月竣工，控制集雨面積25.8 km2，主河道長(zhǎng)8 km，河道平均比降21.6‰。死水位241.44 m，相應(yīng)庫(kù)容33.3×104m3；正常水位267 m，相應(yīng)庫(kù)容550×104m3；設(shè)計(jì)洪水位269.37 m，相應(yīng)庫(kù)容635×104m3；校核洪水位270.1 m，相應(yīng)庫(kù)容665×104m3，是一座以發(fā)電為主，兼有灌溉、防洪效益的小(I)型水庫(kù)。壩后建有二、三級(jí)發(fā)電站，總裝機(jī)5 270 kW，有效灌溉面積0.020 hm2。溢洪道為實(shí)用堰，無閘門控制自由溢流，進(jìn)口底高程267 m，堰頂寬50 m。目前，已經(jīng)完成除險(xiǎn)加固，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇。

2.2 七星墩水庫(kù)

七星墩水庫(kù)位于高灘河支流上，控制集雨面積4.6 km2，主河道長(zhǎng)3.2 km，河道平均比降42‰。校核洪水位677.49 m，總庫(kù)容396×104m3；正常蓄水位676.5 m，相應(yīng)庫(kù)容362×104m3；設(shè)計(jì)洪水位677.06 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容377.29×104m3；死水位661.02 m，死庫(kù)容61.9×104m3。七星墩水庫(kù)放水隧洞出口處接天然小溪流入白水寨水庫(kù)，對(duì)白水寨水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)水。有效灌溉面積0.022 7×104hm2，年供水能力276×104m3。溢洪道為自由出流寬頂堰，采用螺桿式鋼閘門，用電動(dòng)及手搖螺桿操縱，進(jìn)口底高程674 m，堰頂寬8 m，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、補(bǔ)水等任務(wù)的綜合利用水庫(kù)。已于1999年完成除險(xiǎn)加固，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇。

2.3 白水寨水庫(kù)

白水寨水庫(kù)位于高灘河支流上，七星墩水庫(kù)下游，控制集雨面積1.6 km2，主河道長(zhǎng)1.41 km，河道平均比降56‰。校核洪水位592.4 m，總庫(kù)容132.1×104m3；正常蓄水位為591.0 m，相應(yīng)庫(kù)容為110×104m3；設(shè)計(jì)洪水位592.01 m，相應(yīng)庫(kù)容120.45×104m3；死水位578.5 m，相應(yīng)庫(kù)容10×104m3。該水庫(kù)原設(shè)計(jì)以蓄水發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉等任務(wù)的綜合利用水庫(kù)，由于旅游事業(yè)的發(fā)展和需要，現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換為向白水寨風(fēng)景名勝區(qū)供水，以形成瀑布景觀。目前，該水庫(kù)已經(jīng)完成除險(xiǎn)加固，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇。

2.4 石馬龍水庫(kù)

石馬龍水庫(kù)位于高灘河支流上，白水寨水庫(kù)下游，區(qū)間集雨面積4.62 km2，干流河長(zhǎng)5.14 km，河床坡降92‰。該水庫(kù)原設(shè)計(jì)具有防洪、灌溉等任務(wù)的綜合利用水庫(kù)，由于旅游事業(yè)的發(fā)展和需要，現(xiàn)功能調(diào)整為白水寨風(fēng)景名勝區(qū)周邊水系的人工湖面，以形成生態(tài)水面景觀。該水庫(kù)死水位為60.26 m，死庫(kù)容為30×104m3；正常蓄水位為63.26 m，相應(yīng)正常庫(kù)容為100×104m3；設(shè)計(jì)洪水位為65.31 m，相應(yīng)設(shè)計(jì)庫(kù)容為142×104m3；校核洪水位為66.45 m，相應(yīng)校核庫(kù)容即總庫(kù)容為165×104m3。新建泄洪閘寬12.1 m，設(shè)兩孔，每孔凈寬5.65 m，閘底板高程61.76 m，閘門頂高程63.56 m。目前，該水庫(kù)的除險(xiǎn)加固和庫(kù)區(qū)整治工程正在施工，經(jīng)整治后水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。

派潭河流域各水庫(kù)的特征參數(shù)見表1。

表1 派潭河流域各水庫(kù)特征參數(shù)

3 計(jì)算過程和方法

1) 計(jì)算需要調(diào)洪的水庫(kù)天然入庫(kù)洪水。先分別對(duì)七星墩水庫(kù)、白水寨水庫(kù)、大封門水庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪。由于七星墩水庫(kù)和白水寨水庫(kù)匯入石馬龍水庫(kù)，因此石馬龍水庫(kù)的入庫(kù)洪水應(yīng)該由七星墩水庫(kù)下泄洪水、白水寨水庫(kù)下泄洪水和石馬龍水庫(kù)區(qū)間洪水組成。

2) 當(dāng)量面積法推求設(shè)計(jì)洪水。由于本河段沒有實(shí)測(cè)洪水，難以分析洪水演進(jìn)參數(shù)，各水庫(kù)壩下的洪水演進(jìn)到各控制斷面很難做出定量的分析?，F(xiàn)采用當(dāng)量集雨面積法，即把一個(gè)水庫(kù)的某頻率洪水的下泄量模擬成相當(dāng)該下泄量的匯水面積來量，應(yīng)用流域面積n次方比的概念，再根據(jù)折減后的流域面積求出折減后的相應(yīng)河長(zhǎng)，然后利用折減后的流域面積、河長(zhǎng)和原坡降計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，此設(shè)計(jì)洪水即為各控制斷面考慮水庫(kù)調(diào)節(jié)后的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果。該方法多用于廣東地區(qū)，目前采用的主要項(xiàng)目有東江流域西福河地區(qū)的水面線推算和蘿崗區(qū)流溪河流域鳳凰河水面線的推算。

①當(dāng)量集雨面積。公式如下：

(1)

式中：Q1、Q2分別為水庫(kù)調(diào)洪前和調(diào)洪后的設(shè)計(jì)洪水；F1、F2分別為水庫(kù)原集水面積和折減后的集水面積；n值在廣東省10 km2以下特小流域?yàn)?.84，小流域10～100 km2為0.6～0.8，廣東省水文局分析流溪河、新街河干流(中等流域)為0.5，本次計(jì)算為小流域，采用0.7。

②當(dāng)量河長(zhǎng)。公式如下：

求得各水庫(kù)當(dāng)量集雨面積后，進(jìn)而求得各控制斷面處各頻率的當(dāng)量集雨面積。根據(jù)各控制斷面處當(dāng)量集雨面積，可按以下公式求得當(dāng)量河長(zhǎng)：

(2)

式中：F1為各控制斷面處原集雨面積，km2；L1為各控制斷面處原河長(zhǎng)，km；F2為各控制斷面處當(dāng)量集雨面積，km2；L2為各控制斷面處當(dāng)量河長(zhǎng)，km。

3) 根據(jù)求出的各控制斷面的當(dāng)量集雨面積和當(dāng)量河長(zhǎng)，求出各控制斷面的設(shè)計(jì)洪水。

4) 對(duì)計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行合理性分析。

4 設(shè)計(jì)洪水

4.1 暴雨參數(shù)

設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量按2003年廣東省水文局頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》成果提供的歷時(shí)為1、6、24、72 h的暴雨參數(shù)等值線圖，查出集水區(qū)域中心處各歷時(shí)點(diǎn)雨量的均值Ht和Cv值，按公式Htp=Ht×Ktp(KP值用Cs=3.5Cv的皮爾遜Ⅲ型曲線)，算得流域的P=5%和P=10%頻率各歷時(shí)點(diǎn)暴雨量Htp，得出各歷時(shí)設(shè)計(jì)面暴雨量。

4.2 流域參數(shù)

流域面積F、干流長(zhǎng)度L在1/10 000地形圖(1994年航測(cè)，1996年成圖)上量算，干流坡降J根據(jù)實(shí)測(cè)斷面特征點(diǎn)的高程和對(duì)應(yīng)的河長(zhǎng)，采用加權(quán)平均方法，沒有實(shí)測(cè)資料的在1/10 000地形圖(1994年航測(cè)，1996年成圖)上量算各特征點(diǎn)的高程和河長(zhǎng)，采用加權(quán)平均方法計(jì)算。公式如下：

(3)

式中：Z0、Z1、Z2、…Zn為自工程所在河流斷面起沿干流各比降變化特征點(diǎn)的地面高程，m；L0、L1、L2、…Ln為各特征點(diǎn)間的距離，km；L為總河長(zhǎng)，km。

流域內(nèi)各水庫(kù)流域參數(shù)、派潭河上游流域參數(shù)成果見表2、表3。

表2 派潭河上游流域內(nèi)各水庫(kù)流域參數(shù)表

表3 派潭河天然情況下各控制斷面流域參數(shù)表

4.3 天然情況下設(shè)計(jì)洪水成果

根據(jù)各歷時(shí)暴雨均值、Cv值以及河流地理特征值，采用綜合單位線和推理公式計(jì)算派潭河、高灘河沿程各控制斷面以及大封門水庫(kù)、七星墩水庫(kù)、白水寨水庫(kù)和石馬龍水庫(kù)各頻率的設(shè)計(jì)洪水。計(jì)算結(jié)果表明，同頻率綜合單位線法和推理公式法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量相差較大，按查算圖表使用說明，適當(dāng)調(diào)整單位線的m1和推理公式的m后，使兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量比較接近，差值在20%以內(nèi)。由于綜合單位線的設(shè)計(jì)洪水要比推理公式的洪水略大一些，因此本次計(jì)算從偏安全的方面考慮，采用綜合單位線的計(jì)算成果。不考慮水庫(kù)調(diào)節(jié)，兩種方法計(jì)算的派潭河沿程設(shè)計(jì)洪水成果見表4。

表4 派潭河沿程設(shè)計(jì)洪水表(不考慮水庫(kù)調(diào)節(jié))

4.4 考慮水庫(kù)調(diào)洪后流域參數(shù)

由于本河段沒有實(shí)測(cè)洪水，難以分析洪水演進(jìn)參數(shù)，各水庫(kù)壩下的洪水演進(jìn)到各控制斷面很難做出定量的分析?，F(xiàn)采用當(dāng)量集雨面積法，即把一個(gè)水庫(kù)的某頻率洪水的下泄量模擬成相當(dāng)該下泄量的匯水面積來量，應(yīng)用流域面積n次方比的概念，再根據(jù)折減后的流域面積求出折減后的相應(yīng)河長(zhǎng)，然后利用折減后的流域面積、河長(zhǎng)和原坡降計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，此設(shè)計(jì)洪水即為各控制斷面考慮水庫(kù)調(diào)節(jié)后的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果。根據(jù)式(1)和式(2)求得的各水庫(kù)當(dāng)量集雨面積見表5，考慮水庫(kù)調(diào)洪影響后的派潭河上游流域參數(shù)見表6。

4.5 考慮水庫(kù)調(diào)蓄的設(shè)計(jì)洪水成果

根據(jù)考慮水庫(kù)調(diào)洪后斷面的當(dāng)量集雨面積和當(dāng)量河長(zhǎng)，采用綜合單位線和推理公式法分別計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，最終選用綜合單位線的成果，考慮水庫(kù)調(diào)洪后斷面的設(shè)計(jì)洪水成果見表7。

4.6 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

在《增城市派潭鎮(zhèn)派潭河上游小流域綜合治理規(guī)劃報(bào)告》(已批復(fù))中，已有派潭河在何大塘攔河壩上各頻率的洪水成果，與本次計(jì)算成果進(jìn)行分析對(duì)比，兩者各頻率的洪水成果差值均在0.27%以內(nèi)，說明本次設(shè)計(jì)洪水值基本合理，可以采用。分析結(jié)果見表8。

表5 派潭河上游流域內(nèi)各水庫(kù)當(dāng)量集雨面積計(jì)算結(jié)果

表6 考慮水庫(kù)調(diào)洪影響后的斷面流域參數(shù)

表7 考慮水庫(kù)影響后斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

表8 本次設(shè)計(jì)成果與已批復(fù)成果對(duì)比

5 結(jié) 語

本文較好地解決了多水庫(kù)影響下的中小河流設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算問題，避免了復(fù)雜的洪水演進(jìn)，簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟。研究成果為派潭河中小河流的治理提供了依據(jù)，當(dāng)量集雨面積和當(dāng)量河長(zhǎng)的計(jì)算方法也可以為其它有多座水庫(kù)影響的河道設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算提供參考。本文應(yīng)用了流域面積n次方比的概念，但對(duì)參數(shù)n值的選取，地方經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，缺乏充分的理論依據(jù)和系統(tǒng)的步驟方法，今后可從n值可能代表的物理含義角度出發(fā)，深入開展n值選取的理論研究。