增江流域派潭河上游段河道設計洪水研究

鄧瑞欣

(廣州市黃埔區水務設施管理所，廣州 510530)

1 基本概況

增江流域派潭河是派潭鎮境內的主要河流，屬增江一級支流。派潭河上游為典型的中小河流，河道兩岸處于無堤防狀態，洪澇災害頻繁。派潭河上游小流域位于增城市派潭鎮，派潭鎮地處珠江三角洲地區北端，是增城市北部最大的山區鎮。地形主要以山坡地為主，兼有沖積平原，總的走勢為北高南低。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，但除大封門水庫外，其它水庫對洪水的調蓄能力有限，而且河道防洪標準低，多數河段仍處于無堤防狀態，而高灘村地面高程較低，常受洪澇災害威脅。

派潭河上游(何大塘攔河壩以上)范圍內共有5座水庫，分別為大封門水庫、七星墩水庫、白水寨水庫、石馬龍水庫和大汾河水庫。其中，七星墩水庫和白水寨水庫并聯后匯入石馬龍水庫，石馬龍水庫、大封門水庫和大汾河水庫并聯后匯入派潭河。設計洪水地區組成十分復雜。見圖1。

圖1 派潭河上游水系圖

2 派潭河流域各水庫特征

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集雨面積25.8 km2，石馬龍水庫集雨面積10.82 km2(包括七星墩水庫和白水寨水庫集雨面積)，大汾河水庫集雨面積較小，僅有0.94 km2，對洪水調蓄影響較小。本次計算不考慮大汾河水庫調洪的影響，僅考慮大封門水庫、七星墩水庫、白水寨水庫、石馬龍水庫的調洪影響。

2.1 大封門水庫

大封門水庫位于派潭河干流上，南距派潭鎮19 km，距增城市區42 km。水庫于1969年12月動工興建，1970年6月竣工，控制集雨面積25.8 km2，主河道長8 km，河道平均比降21.6‰。死水位241.44 m，相應庫容33.3×104m3；正常水位267 m，相應庫容550×104m3；設計洪水位269.37 m，相應庫容635×104m3；校核洪水位270.1 m，相應庫容665×104m3，是一座以發電為主，兼有灌溉、防洪效益的小(I)型水庫。壩后建有二、三級發電站，總裝機5 270 kW，有效灌溉面積0.020 hm2。溢洪道為實用堰，無閘門控制自由溢流，進口底高程267 m，堰頂寬50 m。目前，已經完成除險加固，設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準500年一遇。

2.2 七星墩水庫

七星墩水庫位于高灘河支流上，控制集雨面積4.6 km2，主河道長3.2 km，河道平均比降42‰。校核洪水位677.49 m，總庫容396×104m3；正常蓄水位676.5 m，相應庫容362×104m3；設計洪水位677.06 m，設計庫容377.29×104m3；死水位661.02 m，死庫容61.9×104m3。七星墩水庫放水隧洞出口處接天然小溪流入白水寨水庫，對白水寨水庫進行補水。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，用電動及手搖螺桿操縱，進口底高程674 m，堰頂寬8 m，是一座以發電為主，兼有防洪、灌溉、補水等任務的綜合利用水庫。已于1999年完成除險加固，設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準500年一遇。

2.3 白水寨水庫

白水寨水庫位于高灘河支流上，七星墩水庫下游，控制集雨面積1.6 km2，主河道長1.41 km，河道平均比降56‰。校核洪水位592.4 m，總庫容132.1×104m3；正常蓄水位為591.0 m，相應庫容為110×104m3；設計洪水位592.01 m，相應庫容120.45×104m3；死水位578.5 m，相應庫容10×104m3。該水庫原設計以蓄水發電為主，兼有防洪、灌溉等任務的綜合利用水庫，由于旅游事業的發展和需要，現功能轉換為向白水寨風景名勝區供水，以形成瀑布景觀。目前，該水庫已經完成除險加固，設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準500年一遇。

2.4 石馬龍水庫

石馬龍水庫位于高灘河支流上，白水寨水庫下游，區間集雨面積4.62 km2，干流河長5.14 km，河床坡降92‰。該水庫原設計具有防洪、灌溉等任務的綜合利用水庫，由于旅游事業的發展和需要，現功能調整為白水寨風景名勝區周邊水系的人工湖面，以形成生態水面景觀。該水庫死水位為60.26 m，死庫容為30×104m3；正常蓄水位為63.26 m，相應正常庫容為100×104m3；設計洪水位為65.31 m，相應設計庫容為142×104m3；校核洪水位為66.45 m，相應校核庫容即總庫容為165×104m3。新建泄洪閘寬12.1 m，設兩孔，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，該水庫的除險加固和庫區整治工程正在施工，經整治后水庫設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇。

派潭河流域各水庫的特征參數見表1。

表1 派潭河流域各水庫特征參數

3 計算過程和方法

1) 計算需要調洪的水庫天然入庫洪水。先分別對七星墩水庫、白水寨水庫、大封門水庫進行調洪。由于七星墩水庫和白水寨水庫匯入石馬龍水庫，因此石馬龍水庫的入庫洪水應該由七星墩水庫下泄洪水、白水寨水庫下泄洪水和石馬龍水庫區間洪水組成。

2) 當量面積法推求設計洪水。由于本河段沒有實測洪水，難以分析洪水演進參數，各水庫壩下的洪水演進到各控制斷面很難做出定量的分析。現采用當量集雨面積法，即把一個水庫的某頻率洪水的下泄量模擬成相當該下泄量的匯水面積來量，應用流域面積n次方比的概念，再根據折減后的流域面積求出折減后的相應河長，然后利用折減后的流域面積、河長和原坡降計算設計洪水，此設計洪水即為各控制斷面考慮水庫調節后的設計洪水結果。該方法多用于廣東地區，目前采用的主要項目有東江流域西福河地區的水面線推算和蘿崗區流溪河流域鳳凰河水面線的推算。

①當量集雨面積。公式如下：

(1)

式中：Q1、Q2分別為水庫調洪前和調洪后的設計洪水；F1、F2分別為水庫原集水面積和折減后的集水面積；n值在廣東省10 km2以下特小流域為0.84，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，本次計算為小流域，采用0.7。

②當量河長。公式如下：

求得各水庫當量集雨面積后，進而求得各控制斷面處各頻率的當量集雨面積。根據各控制斷面處當量集雨面積，可按以下公式求得當量河長：

(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，km；F2為各控制斷面處當量集雨面積，km2；L2為各控制斷面處當量河長，km。

3) 根據求出的各控制斷面的當量集雨面積和當量河長，求出各控制斷面的設計洪水。

4) 對計算的設計洪水進行合理性分析。

4 設計洪水

4.1 暴雨參數

設計點暴雨量按2003年廣東省水文局頒布的《廣東省暴雨參數等值線圖》成果提供的歷時為1、6、24、72 h的暴雨參數等值線圖，查出集水區域中心處各歷時點雨量的均值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%頻率各歷時點暴雨量Htp，得出各歷時設計面暴雨量。

4.2 流域參數

流域面積F、干流長度L在1/10 000地形圖(1994年航測，1996年成圖)上量算，干流坡降J根據實測斷面特征點的高程和對應的河長，采用加權平均方法，沒有實測資料的在1/10 000地形圖(1994年航測，1996年成圖)上量算各特征點的高程和河長，采用加權平均方法計算。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的地面高程，m；L0、L1、L2、…Ln為各特征點間的距離，km；L為總河長，km。

流域內各水庫流域參數、派潭河上游流域參數成果見表2、表3。

表2 派潭河上游流域內各水庫流域參數表

表3 派潭河天然情況下各控制斷面流域參數表

4.3 天然情況下設計洪水成果

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

表4 派潭河沿程設計洪水表(不考慮水庫調節)

4.4 考慮水庫調洪后流域參數

由于本河段沒有實測洪水，難以分析洪水演進參數，各水庫壩下的洪水演進到各控制斷面很難做出定量的分析。現采用當量集雨面積法，即把一個水庫的某頻率洪水的下泄量模擬成相當該下泄量的匯水面積來量，應用流域面積n次方比的概念，再根據折減后的流域面積求出折減后的相應河長，然后利用折減后的流域面積、河長和原坡降計算設計洪水，此設計洪水即為各控制斷面考慮水庫調節后的設計洪水結果。根據式(1)和式(2)求得的各水庫當量集雨面積見表5，考慮水庫調洪影響后的派潭河上游流域參數見表6。

4.5 考慮水庫調蓄的設計洪水成果

根據考慮水庫調洪后斷面的當量集雨面積和當量河長，采用綜合單位線和推理公式法分別計算設計洪水，最終選用綜合單位線的成果，考慮水庫調洪后斷面的設計洪水成果見表7。

4.6 設計洪水合理性分析

在《增城市派潭鎮派潭河上游小流域綜合治理規劃報告》(已批復)中，已有派潭河在何大塘攔河壩上各頻率的洪水成果，與本次計算成果進行分析對比，兩者各頻率的洪水成果差值均在0.27%以內，說明本次設計洪水值基本合理，可以采用。分析結果見表8。

表5 派潭河上游流域內各水庫當量集雨面積計算結果

表6 考慮水庫調洪影響后的斷面流域參數

表7 考慮水庫影響后斷面設計洪水成果表

表8 本次設計成果與已批復成果對比

5 結 語

本文較好地解決了多水庫影響下的中小河流設計洪水的計算問題，避免了復雜的洪水演進，簡化了計算步驟。研究成果為派潭河中小河流的治理提供了依據，當量集雨面積和當量河長的計算方法也可以為其它有多座水庫影響的河道設計洪水的計算提供參考。本文應用了流域面積n次方比的概念，但對參數n值的選取，地方經驗性較強，缺乏充分的理論依據和系統的步驟方法，今后可從n值可能代表的物理含義角度出發，深入開展n值選取的理論研究。