利川市清江落水洞水位～流量關(guān)系推求

閆偉偉，周錦華，景曉菊

(湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070)

清江發(fā)源于齊躍山東側(cè)的汪營龍洞溝，在利川市境內(nèi)流經(jīng)石壩、汪營、涼霧、大塘和利川市城區(qū)，至落水洞進入約9 km的伏流至黑洞出流，下游經(jīng)恩施、長陽，于宜都市匯入長江[1-2]。清江在利川市境內(nèi)的總流域面積1 535 km2，干流長92.2 km，落水洞(伏流進口)以上流域面積836 km2，干流長82.7 km，河道平均坡降0.94‰。

清江伏流段“窄門”、“扁眼”等卡口多，流態(tài)復雜，既有無壓明流段，也有管流式的有壓流，還有倒虹吸式的流態(tài)，甚至在局部地段根本就沒有規(guī)模化的過流通道，全靠水的壓力從若干裂隙擠滲過流。落水洞過流能力有限，稍遇大洪水便過流不及，壅高上游清江水位。

落水洞阻流壅水是清江利川城區(qū)段防洪的制約因素，為此在清江防洪治理工程設(shè)計中推求落水洞水位～流量關(guān)系，是確定工程設(shè)計方案的必要步驟。

1 落水洞水位～流量關(guān)系推求方法

本次落水洞水位～流量關(guān)系推求主要依據(jù)資料為利川水文站實測水位和流量資料以及測量資料。利川水文站位于清江干流上游利川市境內(nèi)，由于多種原因，站址多變，站址變動情況見表1。

由于落水洞處沒有實測水位～流量關(guān)系，其真實的泄流能力無法準確計算。目前切實可行的辦法是通過落水洞口上游6.1 km處枇杷灘站(利川三站)實測的水位～流量關(guān)系和實測的1982年和1998年相應的沿河道洪水水位，確定幾組不同水位下的水力比降，然后用枇杷灘站實測水位通過線性內(nèi)插求出該水位下的水力比降，椐此計算落水洞處的相應水位。因為沒有實測的落水洞處流量成果，可通過水文比擬法求出與枇杷灘站實測的水位流量對應的落水洞處流量，作為落水洞泄流能力的初始估值。然后根據(jù)務(wù)子千站(利川二站)實測的1982年、1998年的洪水過程線和水位，換算到落水洞處，通過調(diào)洪演算試算確定落水洞泄流能力的最后估值。

表1 利川水文站基本情況表

2 過流能力初始估值

2.1 枇杷灘站實測水位～流量關(guān)系

根據(jù)枇杷灘站實測的水位～流量過程，點繪枇杷灘站實測水位～流量關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 枇杷灘站實測水位～流量關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出：曲線呈繩套形。由于河道測流斷面比較穩(wěn)定，經(jīng)分析其主要原因有二：一是受落水洞洪水頂托影響，測站受下游水位抬高的影響，使水面比降減小，與不受回水影響時比較，同一水位的流速減小，流量也減小，水位流量關(guān)系的點子分布很亂；二是受洪水漲落的影響，水位流量關(guān)系點為帶狀，分布漲水期在右邊，落水期在左邊。如果落水洞過流能力取較大值時，計算的洪水位偏小，偏不安全。因落水洞過流能力不足對洪水頂托的影響比較大，所以其過流能力取上外包線偏于安全，不同水位下的過流能力結(jié)果見表2。

從圖1可以看出：不受阻滯影響的最大過水流量為Q=228 m3/s，相應水位為1 061.60 m；由面積比擬法求得落水洞不受阻滯影響的最大過水流量為231 m3/s。

按均勻流公式進行計算，得到落水洞前河道斷面的不受落水洞阻滯影響的水位流量關(guān)系見表3。

從表3中查得231 m3/s對應水位為1 056.4 m。

2.2 落水洞與枇杷灘站對應的幾組實測水位～流量關(guān)系

通過枇杷灘站實測結(jié)果和落水洞洪水調(diào)查分析資料可以得到四組不同水位所對應的上下游流量關(guān)系，見表4。

表3 落水洞前河道斷面不受落水洞阻滯影響的水位～流量關(guān)系表

表4 枇杷灘站和落水洞對應的水位流量關(guān)系

根據(jù)表5中4組上下游水位控制值，可通過線性插值求出落水洞處相應于不同上游水位的水力比降，并據(jù)此推求其下游水位，其流量通過面積比擬法求出(注：1 056.40 m以下采用不受阻滯影響的均勻流計算成果)，得到落水洞處的水位～流量關(guān)系初始估計結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 落水洞水位～流量關(guān)系表(初始估計結(jié)果)

3 過流能力的修正

因為由上述線性插值方法推求的落水洞水位～流量關(guān)系曲線(見表5)與實際泄流能力存在一定的誤差，必須進行修正才能作為調(diào)洪演算的依據(jù)。

1982年和1998年實測的落水洞前水位是確定的，落水洞過流能力的大小和精度與這2年洪水過程的估算精度密切相關(guān)，而落水洞處的洪水過程是未知的，可通過實測的暴雨途徑推求。1982年大洪水有各雨量站實測的逐小時降雨量，根據(jù)實測雨量資料可推求出設(shè)計洪水過程。

試算求落水洞過流能力時，以表5所列的初始估值作為基礎(chǔ)開始進行調(diào)洪演算，其原理簡述如下：

把落水洞前清江干支流作為一個“水庫”，其水位～容積關(guān)系曲線復核計算成果見表6。

表6 落水洞前清江水位～容積曲線

然后根據(jù)入庫設(shè)計洪水和落水洞及隧洞泄流能力曲線進行調(diào)洪演算，調(diào)洪演算的水量平衡方程[3-5]為

V末=V初+V來-W洞-W隧

式中：V末為t時段末河道槽蓄容積，萬m3；V初為t時段初河道槽蓄容積，萬m3；V來為t時段來水量，萬m3。

V來=Q洪△t

式中：Q洪為t時段設(shè)計入庫洪水平均流量，m3/s；△t為t時段的時間長度，萬s；W洞為t時段內(nèi)落水洞泄水量，萬m3；W隧為t時段內(nèi)隧洞泄水量，萬m3。

落水洞起調(diào)水位取1 053.00 m，下泄流量為19.9 m3/s，河槽槽蓄量為62.4萬m3。(注：起始條件對調(diào)洪結(jié)果影響不大)。

當調(diào)洪計算后落水洞的最高水位高于1982年實測水位1 070.34 m時，說明落水洞過流能力估計偏??；當調(diào)洪演算后落水洞的最高水位低于1982年實測水位1 070.34 m時，說明落水洞過流能力估計偏大。上述兩種情況都要進行修正。修正時維持1 056.4 m以下曲線部分不變，只對1 056.4 m以上曲線部分進行修正，直到調(diào)洪演算后落水洞的最高水位等于或非常接近于1 070.34 m。

調(diào)洪演算成果：最高水位1 070.34 m，最大流量1 190 m3/s。推求的落水洞水位～流量關(guān)系曲線見表7。

表7 落水洞水位～流量關(guān)系表(修正后)

4 成果比較分析

根據(jù)1982年7月和1998年6月底至7月初兩場洪水實測的沿程水面高程和各斷面的測量資料，根據(jù)水力學原理，按非均勻漸變流公式近似估算落水洞的下泄量，其結(jié)果見表8。

表8 1982年和1998年落水洞最大下泄量計算成果表

從表8中的結(jié)果可以看出：落水洞對大洪水的阻滯作用比中、小洪水為大，流量由小變大流速反而由大變小，與天然河道的一般規(guī)律相反，但符合落水洞的實際情況。

從上述分析知道：當落水洞前水位在1 070.34 m附近時，落水洞的過流能力應在1 100 m3/s左右；當落水洞前水位在1 066.40 m附近時，落水洞的過流能力應在700 m3/s左右。本次推求的成果與落水洞1982年大洪水過流能力比較接近，成果較為合理。

5 結(jié) 語

清江干流(利川)重點河段近期防洪治理工程設(shè)計中以此成果作為依據(jù)，通過了專家審查并獲得相關(guān)部門批復，目前工程正在實施。

巖溶發(fā)育地區(qū)溶洞過流能力推算較為復雜，本次利川市清江落水洞水位～流量關(guān)系推求方法有一定借鑒意義，在巖溶發(fā)育地區(qū)受落水洞阻水影響的河道防洪治理工程設(shè)計中可酌情參考。