巖溶內(nèi)澇區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果合理性檢驗(yàn)初探

徐克兵

(宜昌市水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443003)

1 流域概況

五峰灣潭河流域是湖北著名的巖溶區(qū)，地處鄂西山地的清江與澧水分水嶺地帶，地跨東徑110°17′～110°35′，北緯29°56′～30°9′。灣潭河發(fā)源于北風(fēng)埡，在中土坪形成河道，至八里鋪(頭道河)流程12.5km，高差277m，縱坡22.16‰，谷寬20～200m，為上游河段。八里鋪至小氽，流程25km，高差48m，縱坡3.84‰，谷寬300～1100m，是土家族居住密集的地帶。灣潭河區(qū)內(nèi)水系及巖溶地下水發(fā)育，地下水與地表水總流向由北東流向南西，總長34.5km，控制面積332km2，于柏順橋流進(jìn)鶴峰縣境，屬湖南省澧水的源頭。

2 流域地形及植被情況

五峰灣潭河全流域控制總面積332km2，河道總長34.5km，其中上游河道總長25km，控制面積194km2，平均縱坡13‰，是山洪防治規(guī)劃的重點(diǎn)，灣潭河流域森林植被情況良好，以馬尾松和新炭林為主。

3 歷史暴雨

五峰灣潭海拔1145m，是歷史上著名的“35·7”特大暴雨中心，也是全國著名的暴雨中心之一，據(jù)調(diào)查1935年7月3日最大日暴雨量600～900mm之間。由于灣潭河流域位于著名的五峰灣潭暴雨中心，暴雨強(qiáng)度大，從時間來看，灣潭河流域洪水主要集中在5—9月。典型歷史暴雨：根據(jù)歷史洪水調(diào)查，灣潭河流域有文獻(xiàn)記載的曾出現(xiàn)過1849、1908、1935年洪澇災(zāi)害，其中以“35·7”暴雨為最大，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，相當(dāng)于百年一遇暴雨，最大一日暴雨量超過403mm，1935年7月3日—7月7日5d降雨量共計(jì)1318mm；近年的1969年7月11日暴雨為最大，日降雨為343.4mm。

4 設(shè)計(jì)洪水

本流域位于湖北省水文氣象分區(qū)第Ⅶ區(qū)，由于河段巖溶發(fā)育，各河段設(shè)計(jì)洪水采用瞬時單位線法結(jié)合上游巖溶區(qū)情況推算，瞬時單位線參數(shù)按巖溶地區(qū)特殊流域進(jìn)行分析計(jì)算，否則洪水分析計(jì)算成果會出現(xiàn)很大偏差。

4.1 流域地理參數(shù)

灣潭河流域位于水文氣象分區(qū)第Ⅶ區(qū)，上游河道段以上流域面積194km2，主河道長L=25.0 km，主河道加權(quán)平均比降J=13.0‰。

4.2 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)灣潭河上游河道段以上流域中心位置查2008年新版《湖北省暴雨參數(shù)等值線圖》，得出設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量的均值H和變差系數(shù)Cv：

1h：H1=38mm，Cv=0.43

6h：H6=88.1mm，Cv=0.54

24h：H24=138mm，Cv=0.56

設(shè)計(jì)暴雨點(diǎn)雨量Hp點(diǎn)=KPH，Kp查CS=3.5CV皮Ⅲ型曲線，計(jì)算得不同頻率點(diǎn)雨量，采用點(diǎn)面系數(shù)法計(jì)算各時段面雨量，按設(shè)計(jì)雨型排列后的面雨量過程順次扣除初損22.5mm后再扣除穩(wěn)損。

4.3 匯流計(jì)算

4.3.1地面徑流

地表徑流按瞬時單位線法進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，該流域位于水文分區(qū)第Ⅶ區(qū)，考慮巖溶時，瞬時單位線參數(shù)按巖溶地區(qū)特殊流域適用的公式計(jì)算：

m1=0.76F0.33L0.11J-0.07f-0.12

(1)

f=1-F天/F

(2)

N=0.69F0.224J0.09

(3)

式中，F(xiàn)—流域面積，km2;L—主河道長，km;J—主河道比降，‰;F天—灣潭河排洪河段以上流域天坑面積，km2，根據(jù)調(diào)查為F天/F=29.0%。

K=m1i/n

(4)

由瞬時單位線參數(shù)n、k和前面求出的設(shè)計(jì)凈雨過程可求得地表徑流過程。

4.3.2地下徑流

地下徑流按下式計(jì)算：

(5)

t>T時，Qt=Qg·e-β(t-T)

(6)

(7)

(8)

式中，β—退水指數(shù)，β=0.133F-0.28；T—地面徑流過程底寬。

4.3.3設(shè)計(jì)洪水過程

將前面計(jì)算得出的地表徑流和地下徑流疊加即可得出設(shè)計(jì)洪水過程。設(shè)計(jì)洪水過程見表1。

5 由設(shè)計(jì)和實(shí)測暴雨推算洪水成果的合理性檢查

5.1 灣潭河排洪能力現(xiàn)狀分析

灣潭河1973—1978年人工開鑿的排洪洞長2200m，因斷層破碎帶沒有襯砌多年失修，泄洪能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足10a一遇的洪水要求，而且排洪洞前1350m長的引河二期工程至今未能列入計(jì)劃實(shí)施，當(dāng)排洪過水時，紅烈村部分農(nóng)田要淹沒。排洪進(jìn)口底板高程1112.82m，進(jìn)口形狀相似于城門洞形，其排洪能力可按照有壓隧洞計(jì)算排洪流量。大彌洞是個徑流消水另一個通道，進(jìn)水口底板高程1113.5m，進(jìn)口洞半徑約4.6m，不論洪水季節(jié)還是枯水季節(jié)都是徑流消水通道，據(jù)周圍群眾反應(yīng)，近年洞前洞中淤積堵塞嚴(yán)重，洞前河床雍高，大洪水時洞前行進(jìn)流速不足0.5m/s，按照0.35m/s估算常態(tài)消水通道過流量Q0，及大彌洞常態(tài)消水通道過流量。當(dāng)超過1114m分級水位時，大彌洞過流量采用同類型區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算。潭風(fēng)洞是灣潭河排洪的第三通道，潭風(fēng)洞進(jìn)口底板高程1130.06m，進(jìn)口斷面大，在常態(tài)下不過洪，過洪時紅烈村基本淹沒80%，潭風(fēng)洞過洪時匯流快，按非均勻流計(jì)算，當(dāng)超過洞頂水位達(dá)1137m以上時，按有壓隧洞公式計(jì)算。通過上述分析，現(xiàn)將灣潭河各排洪通道的分級水位過洪流量匯總見表2。

5.2 灣潭河典型實(shí)測暴雨洪水分析及排洪調(diào)查

上述分析了灣潭河現(xiàn)狀分級洪水位下的排洪能力，1983年7月4日、2009年8月28日，灣潭河都遭受了較大暴雨的襲擊，其中“83·7”暴雨最大30min達(dá)38.5mm，最大1h達(dá)66.6mm，最大6h達(dá)110mm，最大24h達(dá)215.1mm，其中最大1h暴雨強(qiáng)度相當(dāng)于50a一遇，最大6h、最大24h暴雨強(qiáng)度相當(dāng)于10a一遇，從“83·7”暴雨洪水計(jì)算的成果來看，形成的洪峰流量764m3/s與10a一遇的洪峰流量780m3/s相當(dāng)，但”83·7”暴雨形成的場次洪量3363萬m3，比10a一遇的場次洪量3173.5萬m3多出189.5萬m3，與20a一遇的場次洪水總量3775.1萬m3相當(dāng)。因此我們將“83·7”洪水定位為洪峰流量10a一遇、場次洪水總量20a一遇，研究灣潭河排洪能力、農(nóng)田受淹等狀況，暴雨洪水關(guān)鍵性指標(biāo)是場次洪水總量，根據(jù)群眾反映，“83.7”暴雨洪水最高水位達(dá)人工排洪洞底部以上近20m，大部分農(nóng)田受淹，部分房屋倒塌，洪水進(jìn)入潭風(fēng)洞第三排洪通道，總排洪歷時達(dá)5d。對“83·7”洪水因排洪不力形成的頂托性洪水位開展了洪痕調(diào)查。

表1 灣潭河上游河段設(shè)計(jì)洪水及實(shí)測暴雨推算洪水計(jì)算成果表

表2 現(xiàn)狀灣潭河分級水位過洪總流量計(jì)算成果表

2009年8月28日發(fā)生的“09828”洪水，暴雨最大30min達(dá)34.0mm，最大1h達(dá)36mm，最大6h達(dá)52mm，最大24h達(dá)83.5mm，從暴雨量級來看達(dá)不到“83.7”的量級，從“09828”洪水計(jì)算成果來看，洪峰流量320m3/s，場次洪量1093.7萬m3，洪峰洪量均低于5a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)，在這種狀況下，灣潭河排洪仍然不力，形成的頂托性洪水位依然淹沒部分農(nóng)田，由此可見：灣潭河排洪系統(tǒng)的脆弱。根據(jù)群眾反映，“09828”暴雨洪水最高水位達(dá)人工排洪洞底部以上超過10m。對“09828”洪水因排洪不力形成的頂托性洪水位開展了洪痕調(diào)查。

5.3 灣潭河典型暴雨推算洪水進(jìn)行排洪反演算檢查洪水推算合理性

為了摸清灣潭河典型暴雨推算洪水成果的合理性，本次分析首先要摸清人工排洪洞進(jìn)口底板高程以上分級水位下滯洪總量。在實(shí)測地形圖上通過量算計(jì)算其分級水位下的滯洪總量見表3。

表3 灣潭河分級水位下的滯洪總量

根據(jù)灣潭河“83·7”，以及“09828”典型暴雨洪水進(jìn)行排洪反演算見表4。從“83·7”“09828”典型暴雨洪水排洪反演算成果可以看出，由于現(xiàn)狀排洪不力，“83·7”典型暴雨洪水排洪洞前滯洪最高水位達(dá)1132.12m，滯洪總量1013.9萬m3，排洪洞前水深達(dá)19.3m，大部分農(nóng)田受淹，潭風(fēng)洞達(dá)1130.5m以上時，也開始排洪，這與調(diào)查結(jié)果基本吻合?！?9828”典型暴雨洪水排洪洞前滯洪最高水位達(dá)1124.32m，滯洪總量238.5萬m3，排洪洞前水深達(dá)11.5m，部分農(nóng)田受淹，潭風(fēng)洞由于未達(dá)1130.5m，對于本次洪水未能參與排洪，這與調(diào)查結(jié)果也基本吻合。通過典型實(shí)測暴雨推算的洪水成果進(jìn)行排洪反演算，其結(jié)論與調(diào)查結(jié)果基本一致，說明采用瞬時單位線法考慮上游巖溶區(qū)情況推算洪水成果經(jīng)過檢驗(yàn)是合理的。

表4 “83·7”“09828”典型實(shí)測暴雨推算洪水排洪反演算成果

6 同類地區(qū)設(shè)計(jì)洪水模數(shù)的合理性檢查

漁洋河流域是湖北省著名的巖溶河流，漁洋河為清江水系的一級支流，流入清江后于宜都市陸城注入長江，漁洋河全長97.0km，流域面積1280km2，流域平均坡度4.51‰，漁洋河流域巖溶十分發(fā)育，是湖北省著名的巖溶河流，漁洋河馬場灣以上控制流域面積111.3 km2，與灣潭河上段控制流域面積相差不大，其設(shè)計(jì)洪水洪峰模數(shù)與同頻率灣潭河上段十分接近，說明設(shè)計(jì)洪水是合理的，詳見表5。

表5 灣潭河上段與漁洋河馬場灣同頻率設(shè)計(jì)洪水比較表

7 結(jié)語

巖溶區(qū)洪水計(jì)算是巖溶區(qū)排洪工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，其設(shè)計(jì)洪水成果的合理性決定了排洪工程布置方式、設(shè)計(jì)規(guī)模、運(yùn)行安全等；巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，來水區(qū)域不易確定，溶洞滯洪調(diào)節(jié)無法計(jì)算，本文通過兩次排洪洞前實(shí)測洪水漲落過程，采用實(shí)測暴雨資料，利用水量平衡法，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)洪水成果的合理性，具有一定實(shí)用價(jià)值；當(dāng)檢驗(yàn)與實(shí)測洪水漲落過程不符時，可適當(dāng)調(diào)整調(diào)查的天坑率，可采用逼近法進(jìn)一步探討，使調(diào)洪反演算成果與實(shí)際洪水漲落相契合，可供同類地區(qū)排洪洪水計(jì)算成果合理性檢查作借鑒。