巖溶區(qū)域洪水計算方法淺析

李曉東

（貴州三策工程設(shè)計咨詢有限公司，貴陽市 550081）

1 流域概況

架橋水庫[1]位于貴州省黔南布依族苗族自治州荔波縣小七孔鎮(zhèn)架橋村，地處東經(jīng)107°41′，北緯25°28′，距小七孔鎮(zhèn)直線距離6.1km，距荔波縣城直線距離20.7km，交通條件較好，有鄉(xiāng)村公路到達(dá)壩址。 水庫壩址擬建在架橋河下游，架橋河發(fā)源于獨(dú)山縣境內(nèi)，河流發(fā)源于馬鞍坡，流經(jīng)上司、甲里等村鎮(zhèn)，在干拉組、拉把林組、郭寨處分別潛伏，經(jīng)地下暗河后主要在閉流區(qū)A5處養(yǎng)寨出水點(diǎn)S2以及琴寨出水點(diǎn)S3出露，流經(jīng)豆寨、月亮，在月亮處潛伏進(jìn)入地下暗河后， 在明流區(qū)S1泉水處出露進(jìn)入架橋河，河流再流經(jīng)架橋、岜文、上臺村，在小河村匯入方村河。

根據(jù)區(qū)域巖溶水文地質(zhì)條件的分析， 架橋水庫壩址以上水庫的補(bǔ)給范圍由架橋河明流區(qū)及閉流區(qū)組成，壩址以上水庫集雨區(qū)面積為261.2km2，其中明流區(qū)面積8.17km2、閉流區(qū)面積253.03 km2，集雨面積示意圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)計流域集雨面積示意圖

架橋河明流區(qū)河段發(fā)源于架橋村無名山頭，海拔高程970.7m，由西向東經(jīng)過拉門、把路洼、江豪、S1泉水、架橋、岜文、上臺村，在小河村匯入方村河。 架橋河明流區(qū)全流域面積為37.8km2，主河道長12.2km，河道平均坡降6.3‰。 架橋水庫明流區(qū)集水面積8.17km2，主河道長4.44km，主河道平均坡降16.58‰。

閉流區(qū)來水出露于S1泉水， 位于架橋水庫壩址上游1km。 閉流區(qū)總集水面積為253.03km2，由6個巖溶閉流區(qū)組成：閉流區(qū)A2—A7區(qū)。S1泉水發(fā)源于貴州省獨(dú)山縣境內(nèi)馬鞍坡，流經(jīng)上司、甲里等村鎮(zhèn)，在干拉組、拉把林組、郭寨處分別潛伏，經(jīng)地下暗河后主要在閉流區(qū)A5處養(yǎng)寨出水點(diǎn)S2以及琴寨出水點(diǎn)S3出露， 流經(jīng)豆寨、 月亮 （河道距離6.5km），在月亮處再次潛伏進(jìn)入地下暗河后，沿途接納閉流區(qū)A2、閉流區(qū)A3、閉流區(qū)A4、閉流區(qū)A6通過地下暗河匯入的水量后， 于明流區(qū)S1泉水處出露進(jìn)入架橋河，泉水距壩址距離約1km。

架橋水庫設(shè)計流域參數(shù)特征如表1 所示。

表1 水庫壩址流域參數(shù)特征值表

2 洪水計算

2.1 設(shè)計暴雨

水庫所在設(shè)計流域附近有荔波氣象站和甲良雨量站。 本次統(tǒng)計荔波氣象站1959—2019 年實測最大一日暴雨量資料， 得其統(tǒng)計參數(shù)為：1 日=87.1mm，Cv=0.35，Cs=3.5Cv； 統(tǒng) 計 甲 良 雨 量 站1964—2019 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：1 日=79.4mm，Cv=0.32，Cs=3.5Cv。

查《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》上“貴州省年最大24h 點(diǎn)雨量均值等值線圖”及“貴州省年最大24h 點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”， 設(shè)計流域最大24h 暴雨在90mm 左右，位于暴雨低值區(qū)，變差系數(shù)在0.40 左右。

查《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》年“最大1h 點(diǎn)雨量值等值線圖”和“年最大1h 點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”， 年最大1h 暴雨均值在45mm 左右，變差系數(shù)Cv為0.35—0.40 左右。

根據(jù)荔波氣象站及甲良雨量站降水統(tǒng)計參數(shù)結(jié)果， 并結(jié)合等值線圖分析貴州省暴雨區(qū)域分布規(guī)律， 確定設(shè)計流域暴雨參數(shù)：H24h=90mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv；H1h=45mm，Cv=0.38，Cs=3.5Cv。

2.2 設(shè)計洪水計算

“雨洪法”是貴州省水利專家根據(jù)陳家琦工程師推薦的推理公式法，結(jié)合省實際情況，推導(dǎo)出計算貴州省中小流域的洪水公式， 并在貴州省得到了廣泛推廣應(yīng)用， 由于設(shè)計流域內(nèi)無實測水文資料，因而采用“雨洪法”進(jìn)行洪水計算。

架橋水庫鑒于集水面積分明流區(qū)和閉流區(qū)的情況，本次水庫壩址處設(shè)計洪水采用“明流區(qū)設(shè)計洪水” 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；其中S1泉水洪水過程線由閉流區(qū)A7+A5， 閉流區(qū)A2、閉流區(qū)A3、閉流區(qū)A4、閉流區(qū)A6的洪水過程線疊加而成。

（1）明流區(qū)洪水

架橋水庫明流區(qū)集水面積8.17km2，主河道長4.44km，主河道平均坡降16.58‰，根據(jù)確定的暴雨參數(shù)，按《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》和《貴州省特小流域暴雨洪水計算手冊》（修訂稿） 中規(guī)定的公式計算， 相關(guān)取值參數(shù)： 設(shè)計流域為丘山為主，中等或部分強(qiáng)巖溶，植被一般，屬Ⅰ1區(qū)，匯流系數(shù)取下限值0.335， 洪峰徑流系數(shù)C 取均值，暴雨衰減指數(shù)n3=0.80， 暴雨折減系數(shù)Δn3分區(qū)為7區(qū)[2]。

據(jù)此，計算得到明流區(qū)設(shè)計洪水成果如表2。

表2 架橋水庫明流區(qū)天然設(shè)計洪水成果表

（2）S1泉水洪水計算

架橋水庫閉流區(qū)A7區(qū)河流發(fā)源于馬鞍坡，流經(jīng)上司、甲里等村鎮(zhèn)，在干拉組、拉把林組、郭寨處分別潛伏， 經(jīng)地下暗河后主要在閉流區(qū)A5處養(yǎng)寨出水點(diǎn)S2以及琴寨出水點(diǎn)S3 出露， 流經(jīng)豆寨、月亮，在月亮處潛伏進(jìn)入地下暗河后，在明流區(qū)S1泉水處出露。

①閉流區(qū)A7區(qū)（出水點(diǎn)為S2、S3）下泄洪水計算

閉流區(qū)A7區(qū)集雨面積161.6km2， 河流發(fā)源于馬鞍坡，流經(jīng)上司、甲里等村鎮(zhèn)，在干拉組、拉把林組、郭寨處分別潛伏，經(jīng)地下暗河后主要在閉流區(qū)A5處養(yǎng)寨出水點(diǎn)S2以及琴寨出水點(diǎn)S3出露，經(jīng)歷史洪水調(diào)查， 兩處出水點(diǎn)的洪水淹沒情況基本相同，因此，將其擬化為一個其中出水點(diǎn)進(jìn)行洪水計算[3]。

據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从常?該處年年受洪水淹沒小洪水時淹沒時間約2 天左右， 遇到大洪水時淹沒時間為6 天左右，擬定A7區(qū)淹沒時間在2—6 天間變動。

因此， 本次閉流區(qū)地下洪峰流量計算公式采用《貴州省特小流域暴雨洪水計算標(biāo)準(zhǔn)》研究報告中對閉流區(qū)洪水的計算公式， 代入上述的相關(guān)參數(shù)，可計算得各頻率下閉流區(qū)A7區(qū)下泄洪峰流量，成果見表3。②閉流區(qū)A5區(qū)（出水點(diǎn)為S1）下泄洪水計算

表3 架橋水庫閉流區(qū)A7 區(qū)各頻率下泄洪峰流量計算成果表

閉流區(qū)A5區(qū)洪水主要其自身集雨面積產(chǎn)生的洪水與養(yǎng)寨、琴寨處洪水疊加而成，該區(qū)內(nèi)河流發(fā)源于下墨寨，流經(jīng)麻然、琴寨、豆寨、月亮，在月亮處潛伏進(jìn)入地下暗河后，在明流區(qū)S1泉水處出露。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从常铝撂幗?jīng)常被淹沒，小洪水的時候淹沒約2 天，發(fā)大水的時候淹沒約6 天，擬定A5區(qū)淹沒時間在2—6 天間變動。

由于A5區(qū)存在淹沒，其淹沒時間與A7區(qū)下泄的洪量存在一定聯(lián)系。本次計算A5區(qū)洪水時，其各頻率設(shè)計洪量采用A5區(qū)各頻率下24h 設(shè)計洪量與相應(yīng)頻率下A5區(qū)淹沒時間對應(yīng)的A7區(qū)下泄的洪量之和。

同理采用 《貴州省特小流域暴雨洪水計算標(biāo)準(zhǔn)》研究報告中對閉流區(qū)洪水的計算公式，代入上述的相關(guān)參數(shù)， 可計算得各頻率下閉流區(qū)A5區(qū)下泄洪峰流量，成果見表4。

表4 架橋水庫閉流區(qū)A5 區(qū)各頻率下泄洪峰流量計算成果表

③閉流區(qū)A2區(qū)、A3區(qū)、A4區(qū)及A6區(qū) （出水點(diǎn)為S1）洪水計算

根據(jù)歷史洪水調(diào)查情況可知，閉流區(qū)A2區(qū)、A3區(qū)、A4區(qū)及A6區(qū)洪水淹沒情況基本相同， 其出水點(diǎn)均為S1泉水，小洪水的時候淹沒約2 天，發(fā)大水的時候淹沒約5 天，擬定淹沒時間在2—5 天間變動。

同理采用 《貴州省特小流域暴雨洪水計算標(biāo)準(zhǔn)》研究報告中對閉流區(qū)洪水的計算公式，代入上述的相關(guān)參數(shù)， 可計算得各頻率下各閉流區(qū)下泄洪峰流量， 由于閉流區(qū)A2區(qū)、A3區(qū)、A4區(qū)及A6區(qū)洪水淹沒情況相同，故將其統(tǒng)一概化，成果見表5。

表5 架橋水庫閉流區(qū)A2 區(qū)~A6 區(qū)各頻率下泄洪峰流量計算成果表

④S1泉水處天然洪水

設(shè)計洪水過程線采用三角形概化過程線[4]，結(jié)合歷史洪水調(diào)查洪峰出現(xiàn)時間， 擬定大洪水洪峰出現(xiàn)時間為5 個小時， 小洪水的洪峰出現(xiàn)時間為7—8 小時，一般洪水的洪峰出現(xiàn)時間為10 個小時左右。 將閉流區(qū)A5出水點(diǎn)（S1泉水）洪水過程線與閉流區(qū)A2區(qū)、A3區(qū)、A4區(qū)及A6區(qū)出水點(diǎn)（S1泉水）洪水過程線相疊加 即得到S1泉水處天然洪水過程線， S1泉水處洪水成果見表6。

表6 S1 泉水處設(shè)計洪水成果表

（3）壩址處設(shè)計洪水

架橋水庫壩址設(shè)計洪水過程線為 “明流區(qū)洪水”過程線與“S1泉水處洪水”過程線的疊加，考慮到S1泉水距壩址1.3km，錯峰時間較短，因此洪水過程線不考慮錯時疊加，其洪水成果見表7。

表7 架橋水庫壩址天然設(shè)計洪水成果表

3 設(shè)計洪水合理性分析

從暴雨統(tǒng)計參數(shù)來看，以荔波氣象站、荔波水文站為主要參證站，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)暴雨等值線圖是吻合的； 從區(qū)域綜合分析角度看， 設(shè)計洪水P=0.1%—20%洪峰模數(shù)為3.70—1.84m3/s·km2（面積影響指數(shù)n=0.69）， 洪峰模數(shù)與鄰近流域其它工程相比偏小，主要原因是由于流域內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，對洪水的削峰作用極大； 從與歷史洪水成果比較看，2000 年歷史洪水重現(xiàn)期為80 年一遇， S1泉水處處歷史洪水調(diào)查流量為107m3/s， 與相應(yīng)頻率下采用閉流區(qū)洪水公式計算的洪峰流量為104m3/s 較為接近；壩址處歷史洪水調(diào)查流量為116m3/s， 與雨洪法計算的相應(yīng)頻率洪峰流量121m3/s 相差不大，洪水成果較為合理。

為驗證洪水的合理性， 本次計算的同時結(jié)合歷史洪水調(diào)查， 采用高切林公式對計算的閉流區(qū)A7、閉流區(qū)A5、閉流區(qū)A4的下泄洪峰流量進(jìn)行計算。根據(jù)前述計算成果，閉流區(qū)A7區(qū)采用高切林調(diào)洪公式計算的80 年一遇的下泄流量為116m3/s，與閉流區(qū)地下洪峰流量計算公式計算的123m3/s 相差不大； 閉流區(qū)A5區(qū)采用高切林調(diào)洪公式計算的下泄流量為44.1m3/s，與閉流區(qū)地下洪峰流量計算公式計算的50.6m3/s 相差不大；閉流區(qū)A4 區(qū)采用高切林調(diào)洪公式計算的下泄流量為4.36m3/s，與閉流區(qū)地下洪峰流量計算公式計算的4.73m3/s 相差不大。 綜上所述，洪水成果是合理的。

綜上所述， 可認(rèn)為架橋水庫壩址設(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。

4 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，對于多巖溶入口對應(yīng)多出口的區(qū)域， 可將多出口擬化為一個出口，根據(jù)洪水淹沒的時間進(jìn)行調(diào)整計算，并采用高切林公式進(jìn)行復(fù)核，分析洪水的合理性；對于多巖溶入口對應(yīng)一個出口的區(qū)域， 可根據(jù)出口處調(diào)查的歷史洪水水位計算歷史洪水， 反推多巖溶入口下泄洪水疊加成果的合理性。 本次S3+S2、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)，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）架橋水庫壩址處的設(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S3+S2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， 其計算的設(shè)計洪水成果較采用全流域計算更為合理。 □