以蓮塘河為例探討中小流域水文水利分析計(jì)算,水文學(xué)論文

以蓮塘河為例探討中小流域水文水利分析計(jì)算,水文學(xué)論文蓮塘河流域位于廣東省恩平市東北部，潭江中游左岸，是潭江流域〔流域面積6026km2〕的一級(jí)支流，屬珠江三角洲水系，流域面積252km2，干流全長(zhǎng)44km，平均比降4.77。流域起源于天露山脈的五馬巡朝嶺與天露山主峰之間，向東南流經(jīng)牛江、沙湖二鎮(zhèn)，在沙湖鎮(zhèn)匯入支流上關(guān)村河、楊橋河，于沙湖鎮(zhèn)蒲橋處匯入潭江主流。流域上游建有西坑、寶鴨仔2宗中型水庫(kù)，華而不實(shí)西坑水庫(kù)集雨面積76.1km2，寶鴨仔水庫(kù)集雨面積25.0km2，扣除這兩宗中型水庫(kù)后的區(qū)間集雨面積150.9km2。流域內(nèi)建有西坑水庫(kù)雨量站，主要水利工程有金貴水閘、沙湖水閘等。流域水系示意圖見(jiàn)圖1。蓮塘河流域上游多山，下游為低丘平原區(qū)，河道彎曲淤淺，水文特點(diǎn)是雨量充沛、暴雨多、洪水峰高量大，匯流時(shí)間短，且汛期長(zhǎng)、臺(tái)風(fēng)猛，而流域下游堤圍矮小、堤身薄弱，堤頂高程低，洪水期常造成堤岸垮塌，嚴(yán)重影響防洪安全，因而需要對(duì)其進(jìn)行綜合治理。1.2技術(shù)道路蓮塘河流域治理工程主要措施為堤防達(dá)標(biāo)加固，而堤頂高程確實(shí)定，必須根據(jù)河道設(shè)計(jì)水面線(xiàn)，水面線(xiàn)推算的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)洪水和起推水位確實(shí)定。蓮塘河流域?qū)俚湫偷闹行『恿?，缺乏?shí)測(cè)洪水及水位資料，且上一級(jí)河流潭江當(dāng)前也沒(méi)有長(zhǎng)系列流量測(cè)驗(yàn)資料；另外，潭江流域上游錦江為廣東省暴雨高區(qū)，其設(shè)計(jì)洪水與蓮塘河設(shè)計(jì)洪水往往不是同頻發(fā)生，潭江上游暴雨期間蓮塘河河口受洪水頂托作用明顯[1-2]。根據(jù)蓮塘河流域的詳細(xì)情況，確定水文水利分析計(jì)算的技術(shù)道路如下：首先分析蓮塘河與上一級(jí)河流潭江的洪水遭遇情況[3-4]，確定蓮塘河水面線(xiàn)計(jì)算采用的遭遇工況和起推水位；然后根據(jù)設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成規(guī)律[5-6]，由蓮塘河流域的設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水；最后根據(jù)確定的洪水遭遇工況，推求蓮塘河設(shè)計(jì)水面線(xiàn)。2洪水遭遇分析2.1分析方式方法與基礎(chǔ)資料選取進(jìn)行洪水遭遇分析時(shí)，分兩種情況：當(dāng)蓮塘河發(fā)生年最大洪水時(shí)，相應(yīng)潭江的洪水對(duì)應(yīng)情況為以蓮塘河洪水為主潭江洪水相應(yīng)的遭遇情況；當(dāng)潭江干流發(fā)生年最大洪水時(shí)，相應(yīng)蓮塘河的洪水對(duì)應(yīng)情況為以潭江洪水為主蓮塘河洪水相應(yīng)的遭遇情況。蓮塘河流域無(wú)水文站，其實(shí)際洪峰流量難以確定，因而采用雨量資料間接反映的方式方法進(jìn)行推求，即以西坑水庫(kù)雨量站最大24h和最大72h降雨量代表蓮塘河流域內(nèi)的降雨情況，假定發(fā)生年最大降雨量時(shí)，蓮塘河相應(yīng)發(fā)生年最大洪水。潭江干流中上游僅有潢步頭水文站，有1957―1982年的水位資料，潢步頭水文站距蓮塘河河口約4km，中間無(wú)其它支流匯入，因而以潢步頭水文站實(shí)測(cè)水位代表潭江洪水情況。2.2以蓮塘河洪水為主時(shí)遭遇情況對(duì)西坑雨量站1964―2007年的年最大24h、最大72h暴雨資料進(jìn)行頻率計(jì)算，在實(shí)測(cè)系列中找出與不同頻率設(shè)計(jì)暴雨接近的實(shí)測(cè)暴雨值，并分析潢步頭站相應(yīng)的水位及其在年最高水位系列中的相應(yīng)頻率，見(jiàn)表1。由于潢步頭水文站只要1957~1982年的水位資料，因而僅列出在1957―1982年之間發(fā)生的與設(shè)計(jì)降雨量接近的實(shí)測(cè)雨量。從表1能夠看出，蓮塘河流域內(nèi)發(fā)生較大降雨量時(shí)，相應(yīng)潢步頭水位較低，均小于潢步頭年最高水位的均值〔7.47m〕。華而不實(shí)1976年9月20日實(shí)測(cè)最大24h降雨量接近10年一遇設(shè)計(jì)降雨量，相應(yīng)的潢步頭水位稍大〔6.42m〕，但僅相當(dāng)于設(shè)計(jì)水位的81.0%的設(shè)計(jì)值，比均值小14.1%。講明在現(xiàn)有水文資料系列中，當(dāng)蓮塘河發(fā)生較大降雨時(shí)，潢步頭水位較低，未出現(xiàn)蓮塘河設(shè)計(jì)暴雨碰潭江干流設(shè)計(jì)洪水位的遭遇情況。2.3以潭江洪水為主時(shí)遭遇情況對(duì)潢步頭站1957~1982年的年最高水位進(jìn)行頻率計(jì)算，在實(shí)測(cè)系列中找出與不同頻率設(shè)計(jì)水位接近的實(shí)測(cè)水位值，并分析蓮塘河相應(yīng)的降雨量及其在年最大24h、最大72h降雨量系列中的相應(yīng)頻率，見(jiàn)表2。【1】從表2能夠看出，潭江干流潢步頭站出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，相應(yīng)蓮塘河24h、72h降雨量均很小，其值小于年最大24h、72h降雨量均值〔分別為150.08mm、249.52mm〕。華而不實(shí)1965年9月30日實(shí)測(cè)潢步頭年最高水位接近20年一遇設(shè)計(jì)水位，相應(yīng)的72h降雨量稍大〔221.7mm〕，但僅相當(dāng)于流域年最大72h降雨量42.1%的設(shè)計(jì)值，比均值小11.1%。講明在現(xiàn)有的水文資料系列中，潭江干流出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，蓮塘河流域內(nèi)降雨較小，未出現(xiàn)潭江干流設(shè)計(jì)洪水位碰蓮塘河設(shè)計(jì)暴雨的遭遇情況。根據(jù)以上分析，蓮塘河洪水與潭江干流洪水未發(fā)生同頻遭遇的情況，水面線(xiàn)計(jì)算時(shí)，可采用蓮塘河設(shè)計(jì)洪水碰潭江干流多年平均最高水位，及蓮塘河多年平均暴雨洪水碰潭江干流設(shè)計(jì)洪水位，并取兩者的外包線(xiàn)作為設(shè)計(jì)水面線(xiàn)。3設(shè)計(jì)洪水計(jì)算蓮塘河流域面積252km2，上游西坑、寶鴨仔兩座水庫(kù)的集雨面積為101.1km2，占流域總面積的40.1%，因而必須考慮水庫(kù)的調(diào)洪削峰作用。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成規(guī)律，蓮塘河設(shè)計(jì)洪水主要由兩部分組成，一是西坑、寶鴨仔水庫(kù)的下泄洪水，二是區(qū)間設(shè)計(jì)洪水，對(duì)蓮塘河最不利的洪水組成是暴雨中心在區(qū)間，即以區(qū)間為主、水庫(kù)相應(yīng)的洪水，此種洪水組成水庫(kù)對(duì)洪水錯(cuò)峰削峰的作用最低，因而，計(jì)算蓮塘河設(shè)計(jì)洪水時(shí)主要計(jì)算這種情況的洪水。首先采用廣東省綜合單位線(xiàn)法及推理公式法分別計(jì)算蓮塘河全流域〔252km2〕及區(qū)間〔150.9km2〕的設(shè)計(jì)洪水，并協(xié)調(diào)兩種方式方法的設(shè)計(jì)洪峰流量相差不超過(guò)20%，經(jīng)比擬后采用廣東省綜合單位線(xiàn)的設(shè)計(jì)洪水成果；水庫(kù)相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水由全流域設(shè)計(jì)洪水減區(qū)間設(shè)計(jì)洪水求得，并根據(jù)兩宗水庫(kù)的面積比進(jìn)行分配。然后根據(jù)西坑水庫(kù)、寶鴨仔水庫(kù)的調(diào)洪原則，分別對(duì)兩宗水庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪演算，求得水庫(kù)下泄洪水經(jīng)過(guò)線(xiàn)。將蓮塘河區(qū)間設(shè)計(jì)洪水與西坑水庫(kù)、寶鴨仔水庫(kù)下泄洪水經(jīng)過(guò)按同時(shí)段疊加，求得蓮塘河河口設(shè)計(jì)洪水經(jīng)過(guò)線(xiàn)。蓮塘河設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表3?！?】4設(shè)計(jì)水面線(xiàn)推算4.1地形資料及糙率選取河道地形資料采用2018年4月實(shí)測(cè)的河道地形圖，計(jì)算斷面的選擇和間距充分考慮河道的過(guò)流斷面形態(tài)和平面形態(tài)，水面線(xiàn)計(jì)算河段總長(zhǎng)13.86km，計(jì)算總共選取了52個(gè)斷面，斷面平均間距約266m，計(jì)算斷面基本上能反映蓮塘河的實(shí)際情況。由于流量、水位資料的缺乏，無(wú)法對(duì)蓮塘河的糙率進(jìn)行率定，參考(水力學(xué)〕[7]中天然河流的糙率值，結(jié)合蓮塘河流域?qū)嶋H情況及潭江干流水面線(xiàn)計(jì)算時(shí)采用的河道糙率，計(jì)算時(shí)選用綜合糙率為0.025。4.2河道分段流量及起推水位蓮塘河河道流量分段計(jì)算主要考慮支流匯入點(diǎn)，將計(jì)算河段分為下凱~關(guān)村、關(guān)村~成平、成平~蒲橋3段，各段設(shè)計(jì)洪水包括計(jì)算斷面以上區(qū)間設(shè)計(jì)洪水及兩宗中型水庫(kù)的下泄洪水，華而不實(shí)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水根據(jù)蓮塘河區(qū)間洪水由水文比較法求得，區(qū)間洪水與水庫(kù)下泄洪水按同時(shí)段疊加即可求得計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)洪水。蓮塘河水面線(xiàn)起推水位采用河口處潭江干流相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位。蓮塘河分段設(shè)計(jì)洪峰流量及起推水位計(jì)算成果見(jiàn)表4。4.3水面線(xiàn)成果以蓮塘河河口為起推斷面，通過(guò)一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算蓮塘河設(shè)計(jì)水面線(xiàn)，當(dāng)推至水閘閘下時(shí)，根據(jù)推出的閘下水位及分段設(shè)計(jì)洪峰流量，采用堰流公式計(jì)算閘上水位，再以閘上水位繼續(xù)推算水閘上游水面線(xiàn)。水面線(xiàn)成果采用以蓮塘河洪水為主及以潭江干流洪水為主兩種工況的外包線(xiàn)，計(jì)算結(jié)果如此圖2所示?！?】4結(jié)束語(yǔ)蓮塘河是典型的中小河流，流域缺乏實(shí)測(cè)洪水及水位資料，只能通過(guò)設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水；流域上游具有調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)的水庫(kù)工程，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成；流域與上一級(jí)河流洪水遭遇情況復(fù)雜，不是同頻遭遇，要對(duì)干支流的洪水遭遇情況進(jìn)行分析后，才能確定設(shè)計(jì)水面線(xiàn)的計(jì)算工況；同時(shí)還牽涉無(wú)實(shí)測(cè)水位、流量河道的糙率確定、水閘閘上水位計(jì)算等工作。蓮塘河流域治理工程水文水利分析計(jì)算包含了中小河流水文水利計(jì)算中的大部分內(nèi)容，反映了實(shí)踐中怎樣詳細(xì)應(yīng)用的問(wèn)題，具有一定的代表性，可作為類(lèi)似中小流域水文水利分析計(jì)算的參考。以下為參考文獻(xiàn)：[1]劉靜.推求受干流洪水頂托的廠址設(shè)計(jì)洪水位的方式方法討論[J].廣東水利水電，2020(A01):35-39.[2]湯金頂，程玉祥.受洪水頂托影響的中小河流水利計(jì)算[J].浙江水利科技，2018(6):6-7.[3]陳璐，郭生練，張洪剛等.長(zhǎng)江上游干支流洪水遭遇分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2018(3):323-330.[4]張洪剛，郭海晉，歐應(yīng)鈞.長(zhǎng)江