北江干流石角断面过流能力变化及影响因素分析

◎ 王宁 何勇 广东省水文局清远水文分局

1.基本概况

北江是珠江第二大水系，发源于江西省信丰县石碣大茅坑，经大余县进入广东，自东北往西南穿山越岭，流经南雄、始兴、曲江等市（县），至韶关市沙洲尾与支流武江汇合，始称北江；再自北向南流经英德、清远至三水河口，在思贤滘与西江相通，注入珠江三角洲网河区。北江干流至三水区思贤滘全长468km（广东省境内458km），平均坡降0.26‰，流域集雨面积46710km2，其中广东省境内集雨面积达42930km2，其余位于湖南、江西等省境内。北江干流总比降平缓，洪水涨快退慢，持续时间长。上游高山峡谷众多，集水面积超过1000km2的支流有墨江、锦江、武江、南花溪、南水、滃江、烟岭河、连江、青莲水、潖江、滨江、绥江、凤岗河等13条，其中一级支流9条，按叶脉状排列，从东西两侧汇入干流。

石角水文站设立于1924年8月，集水面积38363km2，为北江干流总控制站，对下游珠三角城市防洪等方面起着关键作用。该站测验河段顺直，属易冲淤沙质河床，测验断面为复式断面，河宽约1060m，水位低于5m时水流归右岸主槽，过水断面收窄至300～600m。受上游水利工程调节及下游潮汐顶托影响，高水期或受西江洪水顶托，水位流量关系复杂。

2.断面过流能力变化情况

过流能力是衡量河道防洪能力的重要指标之一，而某一特征水位下的流量变化是衡量河道过流能力的重要指标[1-2]。通过对1994年6月、2006年7月、2013年8月、2022年6月北江发生的四场典型洪水（见表1）的水位流量关系进行对照分析，发现北江干流石角断面过流能力在近20年间发生明显变化。

通过将“1994·06”“2006·07”“2013·08”“2022·06”四场典型洪水水位流量关系曲线进行单值化处理（见图1），查算不同水位级所对应的流量，分析得出2006年、2013年、2022年过流能力明显大于1994年，且1994～2013年呈明显递增趋势，与对应年份水位～流量关系逐渐右偏趋势一致。2013年与2022年断面过流能力较为接近，与该两年断面面积相差不大、水位流量关系曲线重合度较高情况一致。

图1 石角断面典型洪水水位～流量关系曲线

如果利用“1994·06”“2006·07”洪水水位～流量关系查算19500m3/s（“2022·06”洪水实测最大流量）对应的水位，查算结果均高于实测水位12.24m（“2022·06”洪水实测最高水位）；而利用“2022·06”洪水水位～流量关系曲线查算“1994·06”“2006·07”洪水实测最大流量所对应的水位，查算水位均远低于当时实测水位。说明随着时间的先后，相同水位情况下对应的流量增大，相同流量情况下对应的水位降低。

3.石角断面过流能力变化影响因素分析

3.1 断面形态变化

石角断面河床属于易冲淤沙质河床[3]，由断面图（见图2）可以看出，1994～2013年河床下切趋势严重，导致石角断面河底平均高程不断降低，各级水位所对应断面面积逐渐增大。2010年～2013年间断面下切最为明显，断面起点距520m～880m范围内河床平均下切近7m，2013年过流面积达到最大后趋于稳定，至2022年断面出现一定程度回淤，不过变化不大。

图2 石角断面典型洪水年大断面图

分析典型洪水年与断面下切较大年份断面冲淤变化情况，对比起点距470m～1000m河底平均高程与12.00m以下断面面积（见表3），其中2013年较1994年河底高程下切约8.5m，断面面积增大70.5%；2022年较2013年河底高程回淤0.9m，断面面积缩小3.2%。

表3 石角断面典型年变化情况

四场典型洪水高水部分水位～流量关系曲线右偏趋势与断面下切趋势完全一致，说明河床下切最直接的影响是断面过流能力增强，相同流量对应的水位降低，从而影响水位～流量关系，造成了四场洪水高水部分水位～流量关系曲线呈右偏趋势。

3.2 下游河段水位落差变化

石角断面过流能力还受到洪水涨落率、下游西江洪水顶托、潮汐等影响。其下游约26k m为芦苞断面，四场典型洪水石角断面至芦苞断面水位落差均不相同（见表4），说明四场洪水涨落率、下游西江顶托和潮水顶托顶托的情况不尽相同。“2006·07”“2013·08”洪水为北江单江发洪，未受下游顶托的影响，二者洪峰落差明显并大过另外两场受西江顶托的洪水；“1994·06”及“2022·06”洪水为西、北江同时发洪，水位落差较“2006·07”“2013·08”洪水明显偏小，其中“2022·06”洪水落差最小。

表4 石角－芦苞水位落差变化对照（两站洪峰水位）

该情况可以反映四场洪水高水部分水位～流量关系曲线的不同，但是无法反映关系曲线按照时间先后呈右偏趋势，说明石角站断面变化对过流能力的影响要大于水位落差变化造成的影响。

3.3 河道水利工程影响

石角断面过流能力同样受到水利工程的影响，其上游约50k m处建有飞来峡水利枢纽（1999年10月建成运行），上游约5k m处建有清远水利枢纽（2 01 2 年1 2月建成运行）。“19 94·0 6”洪水发生时，北江基本上为天然状态；“2006·07”洪水受飞来峡水利枢纽调度影响；“2013·08”“2022·06”洪水受飞来峡水利枢纽、清远水利枢纽调度影响。水利工程的调度改变了洪水在河道中的状态，与天然状态相比，洪水在水文站测验断面的涨落率、洪峰水位及流量都发生变化，尤其是洪水起涨、消退期间水利枢纽控制或加大下泄流量，往往使得洪水期绳套曲线发生明显变形，对水位～流量关系产生影响。

4.结论

基于石角断面长序列实测地形及水文资料，分析了石角断面过流能力的变化及影响因素，得出如下结论：

（1）石角断面过流能力变化受多种因素影响，其水位流量关系处于不稳定状态。在多种影响因素中，以测验断面河床下切造成的影响最为显著，断面下切直接增强了断面的过流能力，使得相同流量所对应的水位降低。

（2）水文站所在河段的水利工程调度、下游洪水顶托、洪水涨落率等因素对过流能力也有一定影响，但在影响程度的定量分析上还需进一步收集相关资料。

（3）各种原因导致的河床变化，是影响断面过流能力变化的主因，从河段水安全层面出发，建议进一步加强河道管理。