黔中強(qiáng)巖溶區(qū)域設(shè)計洪水計算方法簡析

李斐波

（貴州三策工程設(shè)計咨詢有限公司，貴陽 550081）

1 流域概況

關(guān)嶺縣地處黔中區(qū)域西南部，為云高原向南東傾斜的斜坡地帶，地勢總體西北高、東南低，巖溶地貌較為發(fā)育，漏斗、洼地、谷地、盲谷、溶洞等到處可見。戈林水庫所在的花江河屬珠江流域北盤江水系打幫河一級右支流，發(fā)源于關(guān)嶺縣境內(nèi)，河流自西北向東南分別流經(jīng)小翁寨、新寨，在發(fā)沖寨進(jìn)入伏流（K4潛伏高程約1 352m），經(jīng)發(fā)沖暗河后在殷家洞出露，其出水點(diǎn)為S12泉（出露高程約1 179m），出露后的河流流經(jīng)花江鎮(zhèn)、白石培，7.9km后在戈林再次進(jìn)入伏流（K1潛伏高程約1 068m），經(jīng)約400m暗河后在SⅠ區(qū)S1泉出露（位于壩址上游約1.9km，高程約1 057m），河流流經(jīng)烙烘、干壩，在壩址下游約7.2km處的水淹壩再次進(jìn)入伏流，經(jīng)地下暗河后在許凹村出露，最終匯入打幫河（如圖1所示）。

圖1 設(shè)計流域流域水系圖

戈林水庫壩址位于S1泉—水淹壩入伏口的明流河段上，壩址距離S1泉出露點(diǎn)約1.9km，壩址以上流域面積為41.03km2，由四個集雨分區(qū)組成，其中SⅠ區(qū)為壩址自身地表集雨面積，SⅡ區(qū)、SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)為閉流區(qū)集雨面積，為閉合流域。根據(jù)地質(zhì)勘測調(diào)查，水庫庫區(qū)補(bǔ)給源主要有3個方面，一是花江河在該段地表分水鄰以內(nèi)集雨區(qū)（明流區(qū)SⅠ）的大氣降水補(bǔ)給，該部分明流區(qū)面積2.36km2；二是S1泉水；三是S2泉水群（SⅡ）。其中：S1泉水是花江河經(jīng)戈林潛伏形成，其補(bǔ)給源又分為花江集鎮(zhèn)片區(qū)地表集雨區(qū)（閉流區(qū)SⅢ，該區(qū)面積14.44km2）和S12補(bǔ)給區(qū)（閉流區(qū)SⅣ）；S2泉水群為關(guān)牛洞巖溶水文流動系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)（閉流區(qū)SⅡ，該區(qū)面積9.58km2）。戈林水庫設(shè)計流域參數(shù)特征如表1所示。

表1 戈林水庫設(shè)計流域參數(shù)特征表

2 暴雨洪水特性

花江河設(shè)計流域為山區(qū)雨源型河流，洪水由暴雨形成，形成暴雨的主要天氣類型是冷鋒低槽和兩高切變類。因降雨量集中、強(qiáng)度大，產(chǎn)生的洪水洪峰洪量集中，由于區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、洼地、地下伏流眾多，有明顯的滯洪作用，洪水經(jīng)多次削峰后，洪峰量級不大，但洪水持續(xù)時間較長?？傮w而言，流域內(nèi)的巖溶洼地對該區(qū)的洪水還是有較明顯的消峰作用。根據(jù)關(guān)嶺氣象站實測降雨資料分析，設(shè)計流域暴雨天氣一般發(fā)生在每年的5—8月，發(fā)生幾率79.4%，夏季常有日降水量在100mm以上的大暴雨出現(xiàn)。

3 設(shè)計洪水

3.1 設(shè)計暴雨

戈林水庫所在設(shè)計流域有花江雨量站，臨近有關(guān)嶺氣象站。本次統(tǒng)計關(guān)嶺氣象站1959—2016年實測最大一日暴雨量資料，得其統(tǒng)計參數(shù)為：H1日=101.9mm，Cv=0.44，Cs=3.5Cv；統(tǒng)計花江雨量站1964—2016年實測最大一日暴雨量資料（含插補(bǔ)延長），得其統(tǒng)計參數(shù)為：H1日=85.2mm，Cv=0.37，Cs=3.5Cv。

結(jié)合最新的《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》“貴州省年最大24h點(diǎn)雨量均值等值線圖”及“貴州省年最大1h點(diǎn)雨量均值等值線圖”，設(shè)計流域附近區(qū)域暴雨量級總體上從設(shè)計流域、花江雨量站向關(guān)嶺氣象站遞增，綜合測站及等值線圖確定設(shè)計流域暴雨參數(shù)為：H24h=105mm，Cv=0.52，Cs=3.5Cv；H1h=50.0mm，Cv=0.4，Cs=3.5Cv。

表2 戈林水庫設(shè)計流域設(shè)計暴雨成果表 單位：mm

3.2 設(shè)計洪水

本次戈林水庫壩址處設(shè)計洪水采用“SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水”過程線+“閉流區(qū)地下洪峰流量計算公式的S1泉水處洪水”過程線的錯峰疊加后的成果。設(shè)計流域設(shè)計洪水計算的公式及產(chǎn)匯流參數(shù)在《貴州省暴雨洪水計算手冊(修訂本)》上據(jù)需查取。

（1）SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水

SⅡ區(qū)集雨面積為9.58km2，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，洼地遍布，根據(jù)地勘調(diào)查，該巖溶系統(tǒng)主要有西北-東南向的串珠狀洼地組成，地表河流不長，其地表水入口（落水洞、洼地）眾多，巖溶泉出口分散分布在SⅠ區(qū)壩址上游左岸S2泉水群區(qū)域，并非集中的泉水出口。據(jù)地勘調(diào)查，眾多落水洞基本不發(fā)生雍水現(xiàn)象，巖溶通道過水通暢，無法調(diào)查SⅡ閉流區(qū)的一次洪水從起漲到消退的時間，即對SⅠ區(qū)、SⅡ區(qū)洪水計算時無法按照“閉流區(qū)+明流區(qū)”的方法進(jìn)行計算。因此，本次SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)洪水計算按全流域面積進(jìn)行計算。

設(shè)計流域以丘山為主，強(qiáng)巖溶，植被較差，產(chǎn)匯流分區(qū)定為Ⅰ2區(qū)，r1取值0.24，洪峰徑流系數(shù)C取均值，暴雨衰減指數(shù)n2=0.70，Δn2為Ⅵ區(qū)[2]。據(jù)此，計算得到SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域設(shè)計洪水成果如表3。

表3 戈林水庫壩址以上（SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域）設(shè)計洪水成果

（2）S1泉水設(shè)計洪水計算

設(shè)計流域閉流區(qū)SⅣ區(qū)集雨面積14.65km2，河流從K4落水洞處經(jīng)發(fā)沖暗河在SⅢ區(qū)出露，其集中出水點(diǎn)為S12，位于閉流區(qū)SⅢ區(qū) （集雨面積14.44km2）殷家洞處，流經(jīng)花江鎮(zhèn)后在K1落水洞處與SⅢ區(qū)洪水經(jīng)約400m暗河在SⅠ區(qū)出露，其集中出水點(diǎn)為S1。

A.SⅣ區(qū)（集中出水點(diǎn)為S12）設(shè)計洪水計算

根據(jù)前述確定的參數(shù)，計算得到SⅣ區(qū)設(shè)計流域洪峰流量成果，見表4。

表4 K4（SⅣ區(qū)設(shè)計流域）設(shè)計洪水成果

根據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查，K4落水洞處年年受淹，最長淹沒時間長達(dá)大半個月，小量級洪水也淹沒10天左右。本次依據(jù)2001年、1993年、常年洪水調(diào)查成果（洪峰、洪量、洪水位等，見表5）以及出露點(diǎn)S12泉水相應(yīng)歷史出露泄流量，得到SⅣ區(qū)K4落水洞洪水位和下泄流量數(shù)據(jù)擬合加密水位-泄流量關(guān)系成果，再對閉流區(qū)SⅣ區(qū)各頻率設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，即可得到集中出露點(diǎn)S12處的設(shè)計洪水過程線，S12處設(shè)計洪水成果見表6。

表5 K4落水洞處歷史洪水調(diào)查成果表

表6 S12（SⅣ區(qū)設(shè)計流域）設(shè)計洪水成果表

B.SⅢ區(qū)（集中出水點(diǎn)為S1）設(shè)計洪水計算

SⅢ區(qū)集雨面積14.44km2，河流流經(jīng)花江鎮(zhèn)、白石培，在K1落水洞處進(jìn)入伏流，在SⅠ區(qū)出露，其集中出水點(diǎn)為S1。根據(jù)前述確定的參數(shù)，計算得到SⅢ區(qū)設(shè)計流域洪峰流量成果，見表7。

本次K1落水洞設(shè)計洪水過程線采用閉流區(qū)SⅢ區(qū)設(shè)計洪水成果（見表7）與閉流區(qū)SⅣ區(qū)出露點(diǎn)S12設(shè)計洪水成果錯峰疊加得到?？紤]S12出水點(diǎn)與閉流區(qū)SⅢ區(qū)K1落水洞處距離7.9km，區(qū)間河段比降不大且S12出露流量小，按1h錯峰時間計算，得到K1落水洞設(shè)計洪水成果，見表8。

K1（SⅢ區(qū)設(shè)計流域——不含SⅣ區(qū)）設(shè)計洪水成果表表7

表8 K1（SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)之和）設(shè)計洪水成果表

根據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查，K1落水洞處常年受淹，小洪水時淹沒約2天，大洪水時淹沒約4天，擬定SⅢ區(qū)淹沒時間在2—4天間變動。本次依據(jù)2001年、1993年、常年洪水調(diào)查成果（洪峰、洪量、洪水位等，見表9）以及出露點(diǎn)S1泉水相應(yīng)歷史出露泄流量，得到SⅢ區(qū)K1落水洞洪水位和下泄流量數(shù)據(jù)擬合加密水位-泄流量關(guān)系成果，再對K1落水洞各頻率設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，即可得到集中出露點(diǎn)S1處的設(shè)計洪水過程線，S1處設(shè)計洪水成果見表10。

表9 K1落水洞處歷史洪水調(diào)查成果表

表10 S1（SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)之和）設(shè)計洪水成果表

（3）壩址處設(shè)計洪水

S1出水點(diǎn)位于壩址上游約1.9km處，區(qū)間河段比降較大且洪量不小，計算傳播至壩址的時間為0.21h，由于洪水傳播時間較短，從偏安全角度考慮，本處設(shè)計洪水不考慮錯峰時間，因此戈林水庫壩址設(shè)計洪水過程線為“SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水”過程線與“S1泉水設(shè)計洪水”過程線的疊加，其洪水成果見表11。

表11 戈林水庫壩址處設(shè)計洪水成果表

4 設(shè)計洪水合理性分析

從暴雨統(tǒng)計參數(shù)來看，以關(guān)嶺氣象站為主要參證站，暴雨統(tǒng)計參數(shù)與《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中相關(guān)等值線圖是吻合的。從與歷史洪水成果比較看，2001年歷史洪水重現(xiàn)期為60年一遇，相應(yīng)頻率下殷家洞（S12）處歷史洪水調(diào)查流量為3.22m3/s，采用閉流區(qū)洪水調(diào)節(jié)計算的相應(yīng)頻率的洪峰流量為3.12m3/s，與S12設(shè)計洪水成果僅相差3.11%；出水點(diǎn)S1處歷史洪水調(diào)查流量為23.9m3/s，采用洪水調(diào)節(jié)計算的相應(yīng)頻率的洪峰流量為25.0m3/s，與S1設(shè)計洪水成果相差僅4.40%；戈林水庫壩址處歷史洪水調(diào)查流量為146m3/s，與本次計算相應(yīng)頻率洪峰流量140m3/s相差僅4.11%，各歷史洪水成果與計算的洪水成果相差均不大。綜上，可認(rèn)為本次戈林水庫壩址設(shè)計洪水計算分區(qū)區(qū)劃可行，疊加計算的設(shè)計洪水過程合理，其設(shè)計洪水成果也符合流域的暴雨特性及流域洪水特征。

5 結(jié)論

（1）對復(fù)雜強(qiáng)巖溶地區(qū)的設(shè)計洪水計算，應(yīng)基于地勘調(diào)查成果，并結(jié)合巖溶通道排泄形態(tài)、能力等因素，靈活劃分、組合各計算分區(qū)，使復(fù)雜巖溶區(qū)域設(shè)計洪水疊加計算過程更具合理性。

（2）設(shè)計流域巖溶通道具有不規(guī)則性，泄流能力隨落水洞水位增加而加大，但增加幅度不大。巖溶通道無法通過實測其水力要素計算得到其泄流能力，可將落水洞洼地看作“水庫”，巖溶通道視為“泄水建筑物”，依據(jù)數(shù)次歷史洪水調(diào)查得到的洪峰、洪量、洪水位、出露點(diǎn)泄流量等要素資料，采用水量平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)試算確定。本次S12、S1泉水通道泄流試算成果與歷史調(diào)查成果基本相適應(yīng)，即基于水量平衡試算確定巖溶通道泄流能力是可靠的。因此，本次計算方法對復(fù)雜巖溶地區(qū)缺乏實測水位、流量資料的洼地泄流能力分析具有一定的指導(dǎo)意義。

（3）戈林水庫壩址處的設(shè)計洪水計算，結(jié)合設(shè)計流域洪水產(chǎn)匯過程，各分區(qū)靈活采用錯時疊加S12泉水、S1泉水的調(diào)洪演算出流過程，推算壩址處設(shè)計洪水成果。該方法結(jié)合泉水歷史出流數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，其計算方法更為嚴(yán)謹(jǐn)，較采用全流域計算或僅考慮泉水均勻出流過程計算的設(shè)計洪水成果更為合理?！?/p>