關(guān)于巖溶地區(qū)非閉合小流域工程水文分析計(jì)算的探討

涂顯江

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

貴州省境內(nèi)大面積為碳酸質(zhì)巖層分布，廣泛發(fā)育著各種類型的巖溶地貌，境內(nèi)峰叢山地、洼地、落水洞、干溝、伏流等形態(tài)眾多，造成地表分水嶺與地下分水嶺不一致，使地表徑流與地下徑流關(guān)系復(fù)雜，對中小河流水文規(guī)律影響較大，在巖溶山區(qū)，如何用很少的水文站資料，來分析整個(gè)區(qū)域的水資源時(shí)空變化規(guī)律，的確是一個(gè)值得深入研究的課題。近年來隨著扶貧攻堅(jiān)的不斷深入，綠水青山的提出，生態(tài)旅游的發(fā)展，貴州將修建較多的中小型水利工程，因此，做好巖溶山區(qū)非閉合小流域工程水文分析計(jì)算非常必要，本文以對門坡水庫工程非閉合流域水文分析計(jì)算為例對巖溶山區(qū)非閉合小流域工程水文分計(jì)算進(jìn)行闡述。

1　基本情況

對門坡水庫位于貴州省黔西南州興義市威舍鎮(zhèn)境內(nèi)銅廠溝河上，對門坡水庫位于銅廠溝河下游，根據(jù)1/10 000地形圖量算，結(jié)合對流域內(nèi)泉水S01巖溶匯水區(qū)集水面積分析。對門坡水庫壩址以上集水面積9.14 km2，其中明流區(qū)S1集水面積3.75 km2，閉流區(qū)閉合流域S2集水面積3.69 km2，閉流區(qū)非閉合流域S3集水面積1.70 km2(地下徑流部分進(jìn)入對門坡水庫，地表徑流部分流出水庫外，地下徑流下滲率0.15)。明流區(qū)集水面積3.75 km2，主河道長3.15 km，總落差630.8 m，主河道平均比降為112.6‰。

2　徑流計(jì)算

2.1　壩址徑流計(jì)算

工程流域位于興義市的西北角，查《貴州省水資源綜合規(guī)劃——水資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查評價(jià)附圖》設(shè)計(jì)流域多年平均降水量1400 mm，徑流深700 mm，年徑流變差系數(shù)Cv=0.30，設(shè)計(jì)流域徑流系數(shù)0.5。根據(jù)所作的降水分析成果，設(shè)計(jì)流域多年平均降水量1400 mm，降水變差系數(shù)Cv=0.18，徑流系數(shù)0.5，則得本工程多年平均徑流深為700 mm，與設(shè)計(jì)流域等值線圖基本一致。則對門坡水庫壩址天然徑流量為557.00萬m3。

壩址處歷年年徑流量采用降水徑流頻率相應(yīng)法計(jì)算所得，徑流年內(nèi)分配按降水年內(nèi)分配加基流控制把年徑流分配到各月，并進(jìn)行枯水控制。根據(jù)枯水分析成果，對門坡水庫最小月(P=95%)枯水控制徑流量5.16萬m3(合19.9 L/s)。對計(jì)算的徑流成果進(jìn)行枯期控制，水庫壩址以上流域枯水徑流采用查《貴州省河流枯水調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析》等值線圖，月平均枯水模數(shù)為4.0 L/(s·km2)，最小月P=95%枯水流量控制模數(shù)取2.51 L/(s·km2)，(P=95%)枯水控制徑流量5.16萬m3，徑流年內(nèi)分配按降水年內(nèi)分配加基流控制把年徑流分配到各月。壩址處各頻率設(shè)計(jì)徑流[1]成果見表1。

表1　對門坡水庫壩址徑流計(jì)算成果表(降水徑流同頻率相應(yīng)法)

2.2　枯水分析

2014年6月5日和2017年4月17日貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有關(guān)工作人員對對門坡水庫壩址處進(jìn)行枯水調(diào)查，由于該河道水質(zhì)較好，該河流下游居民生活用水均從銅廠溝上游引水，據(jù)居住在壩址下游火把寨的老百姓說：“銅廠溝河水枯期流量較穩(wěn)定，每年最枯的時(shí)間為春節(jié)前后(大概為2月份)?！便~廠溝河上游有3～4根φ6 cm～φ10 cm的PVC引水管，根據(jù)訪問當(dāng)?shù)卮迕?，該引水管引水均為附近村民的生活飲用水，這也說明該河道流量比較穩(wěn)定，水質(zhì)較好，豐枯變化較小。經(jīng)實(shí)測，壩址處2016年1月8日—2016年3月20日期間實(shí)測最小流量為30 L/s，泉水出露點(diǎn)處的實(shí)測流量為24 L/s，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查2015—2016年枯季壩址來水為偏豐年份，歷年最枯日流量為2016年1月8日—2016年3月20日期間實(shí)測最小流量的60%～70%，壩址處最枯日流量按實(shí)測最小流量的65%計(jì)為19.5 L/s。

查《貴州省枯水調(diào)查等值線圖》成果，水庫壩址以上流域最枯月P=50%枯水流量模數(shù)4 L/(s·km2)，流域最小月枯水模數(shù)Cv=0.3，Cs/Cv=2.5，則設(shè)計(jì)流域最小月枯水模數(shù)為2.51 L/(s·km2)。水庫壩址處有效集水面積為7.95 km2則水庫壩址最小月(P=95%)徑流量5.16萬m3(合19.9 L/s)。

2.3　徑流成果合理性分析

(1)設(shè)計(jì)流域多年平均降水量1400 mm，多年平均徑流深700 mm，徑流變差系數(shù)Cv=0.30，與《貴州省地表水資源》和《貴州省水資源綜合規(guī)劃——水資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查評價(jià)附圖》上的有關(guān)等值線圖基本一致，符合地區(qū)分布規(guī)律[2]，徑流成果基本合理。

(2)枯水。水庫壩址徑流設(shè)計(jì)成果最小月多年平均流量8.23萬m3(合31.8 L/s)，最小月(P=95%)流量為5.16萬m3，壩址處有效集水面積7.95 km2，則最小月多年平均流量模數(shù)為4 L/(s·km2)，最小月(P=95%)流量模數(shù)為2.51 L/(s·km2)。本階段枯水流量設(shè)計(jì)成果與《貴州省枯水調(diào)查等值線圖》成果及枯水調(diào)查成果基本一致，枯水設(shè)計(jì)成果合理，符合地區(qū)分布規(guī)律。

(3)徑流年內(nèi)分配。水庫壩址以上多年平均徑流量557.00萬m3，豐水期(5—8月)徑流量364萬m3，占全年徑流量的65.4%，枯水期(11月—次年4 月)徑流量89.30萬m3，枯水期徑流量占全年徑流量的16%，設(shè)計(jì)成果年內(nèi)分配與地區(qū)徑流特性基本一致。綜上分析，從徑流深、徑流Cv、枯水、年內(nèi)分配上看，本次計(jì)算成果合理。

3　洪水計(jì)算

對門坡水庫壩址以上集水面積9.14 km2，其中明流區(qū)集水面積3.75 km2，閉流區(qū)閉合流域集水面積3.69 km2，閉流區(qū)非閉合流域集水面積1.7 km2。對門坡水庫集水面積由明流區(qū)集水面積、閉流區(qū)閉合流域集水面積、閉流區(qū)非閉合流域集水面積組成。閉流區(qū)非閉合流域地表徑流較發(fā)育，地表徑流流入木浪河，地下徑流流入對門坡水庫，閉流區(qū)非閉合流域洪水通過地表徑流排入木浪河，進(jìn)入地下徑流部分基本不形成洪水，對門坡水庫洪水組成由明流區(qū)洪水和閉流區(qū)閉合流域洪水組成。本次洪水計(jì)算分別計(jì)算明流區(qū)洪水和閉流區(qū)閉合流域洪水。

3.1　明流區(qū)設(shè)計(jì)洪水

對門坡水庫所在的銅廠溝河流域無實(shí)測洪水資料，壩址明流區(qū)設(shè)計(jì)洪水采用雨洪法計(jì)算[3]。

(1)流域參數(shù)。有關(guān)流域參數(shù)從1/萬地形圖上量取，壩址以上流域面積3.75 km2，主河道長3.15 km，主河道平均比降112.6‰。

(2)暴雨參數(shù)。本階段確定壩址最大24 h降水量均值為100 mm，Cv為0.5，Cs/Cv為3.5，壩址最大1 h降水量均值為47 mm，Cv取0.4，Cs/Cv為3.5。

(3)產(chǎn)匯流系數(shù)。本流域?qū)儆诟咴降貚{谷地區(qū)，植被一般，明流區(qū)巖溶不發(fā)育，故適用的分區(qū)為Ⅱ2區(qū)，由于水庫設(shè)計(jì)流域?qū)儆诟呱綅{谷地區(qū)，r1?、?區(qū)上限0.4；洪峰徑流系數(shù)C取均值，取值范圍為0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

(4)壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。本流域?qū)贌o資料地區(qū)，壩址設(shè)計(jì)洪水采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》(修訂本)上的“雨洪法”進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)“雨洪法”計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，得到壩址斷面設(shè)計(jì)洪水成果，不同頻率設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。設(shè)計(jì)洪水過程線采用“手冊”中的概化洪水過程線坐標(biāo)推算，并為洪水調(diào)節(jié)計(jì)算所采用，明流區(qū)計(jì)算洪水成果見表2。

表2　對門坡水庫壩址明流區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果表

3.2　閉流區(qū)設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《貴州省特小流域暴雨洪水計(jì)算》[4]，對門坡水庫壩址閉流區(qū)集水面積均為3.69 km2，對門坡水庫閉流區(qū)洪峰流量及洪水總量采用式(1)、式(2)計(jì)算：

(1)

Wp=C·φ·H24P·F閉

(2)

式中：QP閉為設(shè)計(jì)頻率P的洪峰流量，m3/s；φ為暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)，1；H24P為設(shè)計(jì)24 h暴雨，mm；F閉為閉流區(qū)集水面積，3.69 km2；T為經(jīng)調(diào)蓄后的洪水總歷時(shí)，1d；WP為閉流區(qū)一場洪水總量，萬m3；C為洪峰徑流系數(shù)，取值范圍為0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

經(jīng)計(jì)算得閉流區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果，設(shè)計(jì)洪水過程線其漲水歷時(shí)ta和退水歷時(shí)(T-ta)的比例選定為(T-ta)/ta=4，洪水過程線采用簡化三角形過程，對門坡水庫閉流區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果(表3)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的歷史洪水洪水資料，泉水出露點(diǎn)約50 a一遇洪峰流量為12.6 m3/s，與該計(jì)算成果基本一致。

表3　對門坡水庫壩址閉流區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果表

3.3　壩址設(shè)計(jì)洪水

對門坡水庫集水面積由明流區(qū)集水面積、閉流區(qū)閉合流域集水面積、閉流區(qū)非閉合流域集水面積組成。閉流區(qū)非閉合流域地表徑流較發(fā)育，地表徑流流入木浪河，地下徑流流入對門坡水庫，閉流區(qū)非閉合流域洪水通過地表徑流排入木浪河，進(jìn)入地下徑流部分基本不形成洪水，對門坡水庫洪水組成由明流區(qū)洪水和閉流區(qū)閉合流域洪水組成。本次壩址設(shè)計(jì)洪水采用明流區(qū)洪水+閉流區(qū)閉合流域洪水，閉流區(qū)出口S1泉點(diǎn)距壩址0.8 km，泉點(diǎn)距離壩址較近，洪水傳播時(shí)間可忽略不計(jì)，根據(jù)明流區(qū)和閉流區(qū)的設(shè)計(jì)洪水成果及其洪水過程線，將明流區(qū)和閉流區(qū)的洪水進(jìn)行疊加得到對門坡水庫的總設(shè)計(jì)洪水，見表4。

表4　對門坡水庫壩址設(shè)計(jì)洪水成果表

3.4　洪水成果合理性分析

總的來說，從暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)來看，以興義氣象站為參證站，并結(jié)合貴州省最新的有關(guān)暴雨等值線圖；壩址P=0.2%～20%洪峰模數(shù)為33.1～12.7 m3/(s·km2)，面積比指數(shù)0.67，明流區(qū)3.75 km2+閉流區(qū)閉合流域3.69 km2，壩址閉流區(qū)占設(shè)計(jì)流域的49.6%，符合流域特性及地區(qū)規(guī)律。

根據(jù)調(diào)查的1997年的歷史洪水，其重現(xiàn)期為50 a一遇，壩址處50 a一遇洪峰流量為86.3 m3/s，壩址50 a一遇的天然設(shè)計(jì)洪峰流量為88.2 m3/s，與歷史洪水相差不大，說明設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

綜上所述，洪水成果符合流域的暴雨特性和流域特征，洪水成果基本合理。

4　泥沙計(jì)算

對門坡水庫壩址河段無實(shí)測懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙資料。參考貴州省《地表水資源懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)分區(qū)圖》并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，水庫多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為500 t/(km2·a)，明流區(qū)推移質(zhì)考慮加入20%，閉流區(qū)泉水出口水質(zhì)較清澈，閉流區(qū)只考慮懸移質(zhì)輸沙，泥沙容重為1.3 t/m3，閉流區(qū)懸移質(zhì)輸沙量按有效地下集水面積計(jì)算。

對門坡水庫壩址以上明流區(qū)流域面積為3.75 km2，閉流區(qū)閉合流域面積3.69 km2，閉流區(qū)非閉合流域面積1.7 km2，下滲率0.15，閉流區(qū)懸移質(zhì)輸沙量按有效地下集水面積4.2 km2計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，對門坡水庫壩址多年平均來沙量0.435萬t，其中，推移質(zhì)輸沙量0.0375萬t，懸移質(zhì)輸沙量0.3975萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量0.71 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙率為0.126 kg/s。