強(qiáng)巖溶地區(qū)洪水計(jì)算

田根友

(貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550001)

強(qiáng)巖溶地區(qū)洪水計(jì)算

田根友

(貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550001)

對于無資料的強(qiáng)巖溶流域，用暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水時，很難擬定能反映強(qiáng)巖溶特征的產(chǎn)匯流綜合參數(shù)，而用流量資料頻率分析法計(jì)算時也很難選擇與設(shè)計(jì)流域類似的參證站。本文通過對伏流、暗河具有明顯控泄滯洪作用的大田河水文站和相鄰流域巖溶影響小的草坪頭水文站的洪水計(jì)算，總結(jié)出強(qiáng)巖溶地區(qū)洪水計(jì)算時如何比擬參證站的洪水參數(shù)，如何用其他方法進(jìn)行驗(yàn)證，并提出在以后工作中強(qiáng)巖溶地區(qū)洪水計(jì)算時應(yīng)該注意的問題。

強(qiáng)巖溶地區(qū)；洪水計(jì)算；調(diào)查洪水法；水文比擬修正法；分區(qū)計(jì)算法

1 流域概況

1.1 大田河水文站流域概況

大田河水文站位于大田河上，大田河為珠江流域北盤江右岸的一級支流，發(fā)源于貴州省西南部的興仁縣大山埡，從西北流向東南，經(jīng)安龍縣于新路坡落水洞潛入地下，至四方洞出露地表，與北來的者塘河匯合后，流經(jīng)大田河水文站。大田河水文站以上河流由兩大支流組成，一支流為四方洞支流，控制流域集水面積為832 km2，由6個小干支組成，在不同的地點(diǎn)潛入地下，經(jīng)約10～20 km的地下伏流在四方洞出露地表匯人大田河，出口處為蜂窩狀，滯洪作用非常明顯；另一支流為者塘河，控制流域面積426.9 km2；在匯入干流處有2 km的伏流，控泄滯洪作用也較明顯。大田河水文站控制集水面積為1391 km2，伏流、暗河區(qū)集水面積占大田河水文站全流域集水面積的90.5%。該站實(shí)測資料較長,經(jīng)分析資料三性較好。

1.2 草坪頭水文站流域概況

草坪頭水文站位于大田河流域的鄰近流域?yàn)醵己由?，烏都河為北盤江一級支流，發(fā)源于盤縣特區(qū)水塘鎮(zhèn)山嵐，由西南向東北流經(jīng)木龍、水塘、于南扳橋處轉(zhuǎn)向東流，經(jīng)草坪頭水文站后匯人北盤江。草坪頭水文站控制集水面積為1085 km2，伏流、暗河區(qū)集水面積占草坪頭水文站地表集水面積的比例很小，控泄滯洪作用不明顯。該站實(shí)測資料較長,經(jīng)分析資料三性較好。

2 洪水計(jì)算

2.1 大田河水文站洪水計(jì)算

2.1.1 洪水調(diào)查

據(jù)據(jù)《貴州省洪水調(diào)查資料》[1]記錄和近期對水文站河段洪水調(diào)查的結(jié)果，共調(diào)查到1952年、1964年、1969年、1992年大洪水和1999年常年洪水，調(diào)查地點(diǎn)為水文站附近的幾個村寨，被調(diào)查人均反映1952年洪水是所見到的最大洪水，又據(jù)年長的村民反映，其上一輩人說據(jù)今100 a左右有一場洪水，該洪水比1952年還要大。根據(jù)洪調(diào)河段的縱橫斷面資料，采用比降法等方法計(jì)算，計(jì)算成果見表1。

考證期從距今100 a左右算起，1952年洪水列為第二位，相當(dāng)于50 a一遇，如考證期從1952年起，1952年洪水為1952年至今的最大洪水，也相當(dāng)于50 a一遇[2]。

2.1.2 設(shè)計(jì)洪水

大田河水文站具有1973—2014年共42 a實(shí)測洪峰流量最大一日洪量、最大三日洪量資料，統(tǒng)計(jì)大田河水文站歷年洪峰流量資料，并加入1952年、1964年、1969年歷史洪水，用P-Ш型理論曲線適線，成果見表2。

表1 洪水調(diào)查成果表

表2 大田河水文站設(shè)計(jì)洪水成果表

2.2 草坪頭水文站洪水計(jì)算

草坪頭水文站具有1959—2014年共56 a實(shí)測洪峰流量、最大一日洪量、最大三日洪量資料，將該站歷年洪峰流量、最大一日洪量、最大三日洪量資料并加入1906年、1979年、1968年歷史洪水，首項(xiàng)歷史洪水重現(xiàn)期分析為91 a，經(jīng)不連續(xù)系列頻率分析計(jì)算，并以P～Ш型理論曲線適線，成果見表3。

表3 大田河、草坪頭水文站洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)對比表

2.3 流量法與水文比擬法成果比較

大田河、草坪頭水文站處于同一氣候區(qū)，均為山區(qū)雨源型河流，影響暴雨的因素、暴雨強(qiáng)度、暴雨歷時等基本一致，兩站的流域面積相差不大，大田河水文站的設(shè)計(jì)洪水若采用水文比擬法比擬草坪頭水文站洪水成果(洪峰流量、1日洪量、3日洪量的面積指數(shù)分別為0.67、0.84、0.9)，設(shè)計(jì)洪水成果見表4、表5、表6。

表4 大田河水文站設(shè)計(jì)洪峰成果表

表5 大田河水文站一日洪量成果表

表6 大田河水文站三日洪量成果表

2.4 問題的提出

從成果表4～表6可知，水文比擬法洪峰流量較大田河水文站實(shí)測洪水成果大98.7%～29.7%(P=0.1%～20%)，伏流、暗河的削峰能力為49.7%～23%(P=0.1%～20%)，削峰能力隨洪水量級增大而增大，一日洪量大14.6%～20.0% (P=0.1%～20%)，三日洪量大10.7%～14.3% (P=0.1%～20%)，一日、三日洪量偏大均在20%以下，說明伏流、暗河對洪峰流量削峰能力大,但對洪量控泄滯洪能力相對較小[3]。據(jù)此，提出這樣一個問題：在無資料的強(qiáng)巖溶地區(qū)，鄰近流域參證站受巖溶影響小，在無其他參證站可選時，如何用這種下墊面條件的參證站比擬到設(shè)計(jì)流域，如何用其他方法驗(yàn)證強(qiáng)巖溶地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水。

3 適用方法分析

對于無洪水實(shí)測資料的強(qiáng)巖溶流域，特別是工程設(shè)計(jì)斷面以上伏流、暗河區(qū)集水面積占設(shè)計(jì)流域地表集水面積比例較大時，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)采用多種方法計(jì)算進(jìn)行比較，最終確定采用成果。采用弱巖溶參證站進(jìn)行水文比擬計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時，會造成設(shè)計(jì)洪水偏大許多(本文的成果最大達(dá)到100%)，帶來工程量的加大。為了解決強(qiáng)巖溶地區(qū)洪水計(jì)算問題，可通過以下方法進(jìn)行計(jì)算[4]。

3.1 調(diào)查洪水法

在設(shè)計(jì)河段進(jìn)行詳細(xì)的洪水調(diào)查，不僅要調(diào)查歷史久遠(yuǎn)的大洪水，還要調(diào)查近期的中小洪水，選用可靠的歷史洪水和中小洪水采用三點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算[5]。從表1中5 a的洪水洪峰流量及重現(xiàn)期繪制一條頻率曲線，修勻后讀出P=5%、P=50%、P=95%的相應(yīng)流量，采用三點(diǎn)法公式和三點(diǎn)法用表(S與Cs關(guān)系表、Cs與有關(guān)ΦP的關(guān)系表)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算參數(shù)及洪峰流量成果見表7，與流量法成果相差3%～3.6%，說明本方法可行。

表7 計(jì)算參數(shù)及洪峰流量成果

3.2 水文比擬修正法

強(qiáng)巖溶地區(qū)的洪水計(jì)算在采用水文比擬法時，必須考慮伏流、暗河的控泄滯洪作用，由于這種影響是隨洪水量級增大而增大的，不同量級洪水的削減系數(shù)可通過設(shè)計(jì)河段調(diào)查的不同量級洪水與用參證站比擬的相應(yīng)頻率的洪水(未修正)比較求得(見表8)，用此表的修正系數(shù)修正參證站的歷年洪峰流量(大于25 a一遇的洪水均采用0.581,12 a一遇洪水至常年洪水之間采用線性內(nèi)插，小于常年洪水按0.93)，對修正后的歷年洪水進(jìn)行P-Ⅲ型曲線適線，然后再按水文比擬法進(jìn)行計(jì)算。成果見表9。本成果與流量法成果相差1.9%～4.3%，說明本方法可行。

3.3 分區(qū)計(jì)算法

通過水文地質(zhì)調(diào)查確定設(shè)計(jì)流域內(nèi)的伏流區(qū)、明流區(qū)、設(shè)計(jì)條件下的造峰面積、非造峰面積，明流區(qū)的洪水可通過暴雨資料推求或常用的水文比擬法等方法計(jì)算，伏流區(qū)的洪水由于受地下暗河限制，但可根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨時空分布和實(shí)測與調(diào)查的洪水資料，運(yùn)用水文學(xué)、水力學(xué)方法合理推求，用明流區(qū)洪水過程與伏流區(qū)的洪水過程疊加，可得設(shè)計(jì)流域的洪水。

表8 水文比擬修正法修正系數(shù)表

表9 大田河水文站水文比擬修正法洪水成果表

3.4 洪水過程線計(jì)算

以上方法難以確定洪水過程線，洪水過程線的計(jì)算可采用參證站典型洪水過程縮放而得。選擇參證站實(shí)測洪水過程中與設(shè)計(jì)流域相近的對工程設(shè)計(jì)不利的洪水過程線作為典型洪水過程，由于巖溶對峰、量影響的差異較大，采用同倍比法計(jì)算將造成洪量偏小許多，對于洪峰起決定性作用的調(diào)節(jié)性能小的工程是可行的，但對于調(diào)節(jié)性能大的工程影響較大。為了計(jì)算可靠的設(shè)計(jì)洪水過程線，首先要對典型洪水過程進(jìn)行修正，修正系數(shù)采用表8水文比擬修正法修正系數(shù)，時段洪量采用地區(qū)綜合法,計(jì)算公式：

(1)

對修正后的典型洪水過程進(jìn)行同頻率縮放，得到設(shè)計(jì)流域的洪水過程線。

4 結(jié) 論

貴州省約有73%的面積為炭酸質(zhì)巖層分布，巖溶特別發(fā)育，如設(shè)計(jì)洪水不考慮巖溶影響，成果偏大許多，大田河水文站不考慮巖溶影響采用水文比擬法就偏大30%～100%，而且量級越大，相差就越大,無形中加大了工程投資。為了合理計(jì)算無資料強(qiáng)巖溶地區(qū)的洪水成果，應(yīng)采用多種方法互相驗(yàn)證確定設(shè)計(jì)洪水。

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田根友(1972-)，男，苗族，貴州松桃人，高級工程師，主要從事水文、泥沙、動能及規(guī)劃方面的工作。E-mail:602534738@qq.com。

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