增江流域派潭河上游段河道设计洪水研究

邓瑞欣

(广州市黄埔区水务设施管理所，广州 510530)

1 基本概况

增江流域派潭河是派潭镇境内的主要河流，属增江一级支流。派潭河上游为典型的中小河流，河道两岸处于无堤防状态，洪涝灾害频繁。派潭河上游小流域位于增城市派潭镇，派潭镇地处珠江三角洲地区北端，是增城市北部最大的山区镇。地形主要以山坡地为主，兼有冲积平原，总的走势为北高南低。地貌主要为侵蚀-剥蚀地貌及河流冲积-沉积地貌、人工地貌等。虽然派潭河上游建有几座中小型水库，但除大封门水库外，其它水库对洪水的调蓄能力有限，而且河道防洪标准低，多数河段仍处于无堤防状态，而高滩村地面高程较低，常受洪涝灾害威胁。

派潭河上游(何大塘拦河坝以上)范围内共有5座水库，分别为大封门水库、七星墩水库、白水寨水库、石马龙水库和大汾河水库。其中，七星墩水库和白水寨水库并联后汇入石马龙水库，石马龙水库、大封门水库和大汾河水库并联后汇入派潭河。设计洪水地区组成十分复杂。见图1。

图1 派潭河上游水系图

2 派潭河流域各水库特征

派潭河何大塘拦河坝以上总集雨面积为82.13 km2，其中包括大封门水库集雨面积25.8 km2，石马龙水库集雨面积10.82 km2(包括七星墩水库和白水寨水库集雨面积)，大汾河水库集雨面积较小，仅有0.94 km2，对洪水调蓄影响较小。本次计算不考虑大汾河水库调洪的影响，仅考虑大封门水库、七星墩水库、白水寨水库、石马龙水库的调洪影响。

2.1 大封门水库

大封门水库位于派潭河干流上，南距派潭镇19 km，距增城市区42 km。水库于1969年12月动工兴建，1970年6月竣工，控制集雨面积25.8 km2，主河道长8 km，河道平均比降21.6‰。死水位241.44 m，相应库容33.3×104m3；正常水位267 m，相应库容550×104m3；设计洪水位269.37 m，相应库容635×104m3；校核洪水位270.1 m，相应库容665×104m3，是一座以发电为主，兼有灌溉、防洪效益的小(I)型水库。坝后建有二、三级发电站，总装机5 270 kW，有效灌溉面积0.020 hm2。溢洪道为实用堰，无闸门控制自由溢流，进口底高程267 m，堰顶宽50 m。目前，已经完成除险加固，设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准500年一遇。

2.2 七星墩水库

七星墩水库位于高滩河支流上，控制集雨面积4.6 km2，主河道长3.2 km，河道平均比降42‰。校核洪水位677.49 m，总库容396×104m3；正常蓄水位676.5 m，相应库容362×104m3；设计洪水位677.06 m，设计库容377.29×104m3；死水位661.02 m，死库容61.9×104m3。七星墩水库放水隧洞出口处接天然小溪流入白水寨水库，对白水寨水库进行补水。有效灌溉面积0.022 7×104hm2，年供水能力276×104m3。溢洪道为自由出流宽顶堰，采用螺杆式钢闸门，用电动及手摇螺杆操纵，进口底高程674 m，堰顶宽8 m，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、补水等任务的综合利用水库。已于1999年完成除险加固，设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准500年一遇。

2.3 白水寨水库

白水寨水库位于高滩河支流上，七星墩水库下游，控制集雨面积1.6 km2，主河道长1.41 km，河道平均比降56‰。校核洪水位592.4 m，总库容132.1×104m3；正常蓄水位为591.0 m，相应库容为110×104m3；设计洪水位592.01 m，相应库容120.45×104m3；死水位578.5 m，相应库容10×104m3。该水库原设计以蓄水发电为主，兼有防洪、灌溉等任务的综合利用水库，由于旅游事业的发展和需要，现功能转换为向白水寨风景名胜区供水，以形成瀑布景观。目前，该水库已经完成除险加固，设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准500年一遇。

2.4 石马龙水库

石马龙水库位于高滩河支流上，白水寨水库下游，区间集雨面积4.62 km2，干流河长5.14 km，河床坡降92‰。该水库原设计具有防洪、灌溉等任务的综合利用水库，由于旅游事业的发展和需要，现功能调整为白水寨风景名胜区周边水系的人工湖面，以形成生态水面景观。该水库死水位为60.26 m，死库容为30×104m3；正常蓄水位为63.26 m，相应正常库容为100×104m3；设计洪水位为65.31 m，相应设计库容为142×104m3；校核洪水位为66.45 m，相应校核库容即总库容为165×104m3。新建泄洪闸宽12.1 m，设两孔，每孔净宽5.65 m，闸底板高程61.76 m，闸门顶高程63.56 m。目前，该水库的除险加固和库区整治工程正在施工，经整治后水库设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇。

派潭河流域各水库的特征参数见表1。

表1 派潭河流域各水库特征参数

3 计算过程和方法

1) 计算需要调洪的水库天然入库洪水。先分别对七星墩水库、白水寨水库、大封门水库进行调洪。由于七星墩水库和白水寨水库汇入石马龙水库，因此石马龙水库的入库洪水应该由七星墩水库下泄洪水、白水寨水库下泄洪水和石马龙水库区间洪水组成。

2) 当量面积法推求设计洪水。由于本河段没有实测洪水，难以分析洪水演进参数，各水库坝下的洪水演进到各控制断面很难做出定量的分析。现采用当量集雨面积法，即把一个水库的某频率洪水的下泄量模拟成相当该下泄量的汇水面积来量，应用流域面积n次方比的概念，再根据折减后的流域面积求出折减后的相应河长，然后利用折减后的流域面积、河长和原坡降计算设计洪水，此设计洪水即为各控制断面考虑水库调节后的设计洪水结果。该方法多用于广东地区，目前采用的主要项目有东江流域西福河地区的水面线推算和萝岗区流溪河流域凤凰河水面线的推算。

①当量集雨面积。公式如下：

(1)

式中：Q1、Q2分别为水库调洪前和调洪后的设计洪水；F1、F2分别为水库原集水面积和折减后的集水面积；n值在广东省10 km2以下特小流域为0.84，小流域10～100 km2为0.6～0.8，广东省水文局分析流溪河、新街河干流(中等流域)为0.5，本次计算为小流域，采用0.7。

②当量河长。公式如下：

求得各水库当量集雨面积后，进而求得各控制断面处各频率的当量集雨面积。根据各控制断面处当量集雨面积，可按以下公式求得当量河长：

(2)

式中：F1为各控制断面处原集雨面积，km2；L1为各控制断面处原河长，km；F2为各控制断面处当量集雨面积，km2；L2为各控制断面处当量河长，km。

3) 根据求出的各控制断面的当量集雨面积和当量河长，求出各控制断面的设计洪水。

4) 对计算的设计洪水进行合理性分析。

4 设计洪水

4.1 暴雨参数

设计点暴雨量按2003年广东省水文局颁布的《广东省暴雨参数等值线图》成果提供的历时为1、6、24、72 h的暴雨参数等值线图，查出集水区域中心处各历时点雨量的均值Ht和Cv值，按公式Htp=Ht×Ktp(KP值用Cs=3.5Cv的皮尔逊Ⅲ型曲线)，算得流域的P=5%和P=10%频率各历时点暴雨量Htp，得出各历时设计面暴雨量。

4.2 流域参数

流域面积F、干流长度L在1/10 000地形图(1994年航测，1996年成图)上量算，干流坡降J根据实测断面特征点的高程和对应的河长，采用加权平均方法，没有实测资料的在1/10 000地形图(1994年航测，1996年成图)上量算各特征点的高程和河长，采用加权平均方法计算。公式如下：

(3)

式中：Z0、Z1、Z2、…Zn为自工程所在河流断面起沿干流各比降变化特征点的地面高程，m；L0、L1、L2、…Ln为各特征点间的距离，km；L为总河长，km。

流域内各水库流域参数、派潭河上游流域参数成果见表2、表3。

表2 派潭河上游流域内各水库流域参数表

表3 派潭河天然情况下各控制断面流域参数表

4.3 天然情况下设计洪水成果

根据各历时暴雨均值、Cv值以及河流地理特征值，采用综合单位线和推理公式计算派潭河、高滩河沿程各控制断面以及大封门水库、七星墩水库、白水寨水库和石马龙水库各频率的设计洪水。计算结果表明，同频率综合单位线法和推理公式法计算的设计洪峰流量相差较大，按查算图表使用说明，适当调整单位线的m1和推理公式的m后，使两种方法计算的设计洪峰流量比较接近，差值在20%以内。由于综合单位线的设计洪水要比推理公式的洪水略大一些，因此本次计算从偏安全的方面考虑，采用综合单位线的计算成果。不考虑水库调节，两种方法计算的派潭河沿程设计洪水成果见表4。

表4 派潭河沿程设计洪水表(不考虑水库调节)

4.4 考虑水库调洪后流域参数

由于本河段没有实测洪水，难以分析洪水演进参数，各水库坝下的洪水演进到各控制断面很难做出定量的分析。现采用当量集雨面积法，即把一个水库的某频率洪水的下泄量模拟成相当该下泄量的汇水面积来量，应用流域面积n次方比的概念，再根据折减后的流域面积求出折减后的相应河长，然后利用折减后的流域面积、河长和原坡降计算设计洪水，此设计洪水即为各控制断面考虑水库调节后的设计洪水结果。根据式(1)和式(2)求得的各水库当量集雨面积见表5，考虑水库调洪影响后的派潭河上游流域参数见表6。

4.5 考虑水库调蓄的设计洪水成果

根据考虑水库调洪后断面的当量集雨面积和当量河长，采用综合单位线和推理公式法分别计算设计洪水，最终选用综合单位线的成果，考虑水库调洪后断面的设计洪水成果见表7。

4.6 设计洪水合理性分析

在《增城市派潭镇派潭河上游小流域综合治理规划报告》(已批复)中，已有派潭河在何大塘拦河坝上各频率的洪水成果，与本次计算成果进行分析对比，两者各频率的洪水成果差值均在0.27%以内，说明本次设计洪水值基本合理，可以采用。分析结果见表8。

表5 派潭河上游流域内各水库当量集雨面积计算结果

表6 考虑水库调洪影响后的断面流域参数

表7 考虑水库影响后断面设计洪水成果表

表8 本次设计成果与已批复成果对比

5 结 语

本文较好地解决了多水库影响下的中小河流设计洪水的计算问题，避免了复杂的洪水演进，简化了计算步骤。研究成果为派潭河中小河流的治理提供了依据，当量集雨面积和当量河长的计算方法也可以为其它有多座水库影响的河道设计洪水的计算提供参考。本文应用了流域面积n次方比的概念，但对参数n值的选取，地方经验性较强，缺乏充分的理论依据和系统的步骤方法，今后可从n值可能代表的物理含义角度出发，深入开展n值选取的理论研究。