喀斯特地區復雜巖溶洪水計算實例分析

周正媛

(貴州省水利水電工程咨詢有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

貴州境內73%以上地區分布著碳酸鹽類巖層,強烈的巖溶地貌分布星羅棋布，對貴州省水利工程中的洪水計算有很大的影響。貴州省水利專家根據推理公式法并結合貴州省的實際情況，推導出的關于貴州省中小流域洪水計算公式(簡稱“雨洪法”)，為貴州省內無實測水文資料地區的洪水計算提供了一套實用的計算辦法。當工程所在斷面以上流域內存在較大范圍(如其集水面積占流域面積20%以上)的“閉流區”(排泄性能較差的巖溶洼地、暗河、伏流等,對暴雨洪水具有較強的調蓄性能)，應考慮將“閉流區”與不受巖溶影響的明流區分別推算設計洪水，錯開洪水傳播時間疊加后推求主河道設計斷面處的設計洪水(或洪峰流量)。本文以盤縣鍋圈洞水庫為例，對“雨洪法”中明流區+閉流區的天然洪水計算方法技巧進行詳細論析，對喀斯特地區復雜巖溶洪水計算方法的研究有一定的借鑒意義。

1 “明流區”與“閉流區”洪水計算方法

1.1 明流區洪水計算方法

明流區指無巖溶或少巖溶的地區，貴州省一般采用“雨洪法”公式進行計算，該基本計算公式的推導是在短歷時暴雨、產流、匯流分析的基礎上進行，根據不同集水面積范圍采用不同的公式計算明流區的洪峰流量。

1.2 閉流區洪水計算方法

“閉流區”的設計洪水應結合調査進行分析估算，當閉流區為單一巖溶洼地且一個出水點時，一般首先計算閉流區洪水總量，再根據調查一場洪水從起漲到消退完的時間，計算“閉流區”調蓄后的設計最大洪峰流量Q閉。

工程所在斷面的設計最大洪峰流量Qp全≈Qp明+Q閉r。

2 計算實例分析

2.1 流域概況

鍋圈洞水庫位于貴州省盤縣縣政府所在地紅果鎮北部，石板溝河的下游河段。石板河為拖長江右岸的一級支流，屬于珠江流域北盤江水系。鍋圈洞水庫壩址處的總集水面積為79.84 km2，由石板溝河(明流區)和鍋圈洞泉水(閉流區)兩部分組成，其中：明流區集水面積為12.54 km2，主河道長5.83 km，主河道平均坡降46.09‰；閉流區集水面積67.3 km2。

閉流區來水出露于鍋圈洞泉水，位于鍋圈洞水庫壩址上游450 m。閉流區總的集水面積為67.3 km2，由8個巖溶洼地組成：馬場屯洼地、小猴場、婭密(巖溶)洼地、海子鋪洼地、馮家莊洼地、水溝洼地、吳官屯洼地、兩河洼地。鍋圈洞泉水發源于貴州省盤縣兩河鄉吳官屯北面山峰，海拔高程1 939.0 m，由北向南經過沖老嶺、吳官屯、于李家寨進入伏流，于兩河洼地分三個泉眼流出地表，在兩河鄉由東向西流經0.66 km(河道距離)再次進入伏流(鍋圈洞暗河)，沿途接納水溝洼地、馮家莊洼地、馬場屯+小猴場洼地、婭密(巖溶)洼地、海子鋪洼地通過地下暗河匯入水量于鍋圈洞泉水出露。

水庫及其集雨區以中山侵蝕地貌為主、溶蝕地貌為輔的地貌景觀，擬建水庫處于侵蝕峽谷內。庫區碳酸鹽巖出露面積大，且分布廣泛，主要有T1yn1、T1yn2、T1g2+3等可溶巖地層，水庫及水庫集雨區處于拖長江與西沖河地表分水嶺附近，亦資孔向斜的兩翼，地層產狀平緩，氣候溫和濕潤，降雨充沛，巖溶發育較為強烈。區內地表巖溶形態主要有石芽與溶溝、溶槽、巖溶洼地、落水洞等，地下巖溶形態主要有溶洞、暗河等。

鍋圈洞水庫流域特征參數見表1。

表1 鍋圈洞水庫壩址以上流域特征參數統計表

2.2 設計暴雨

鍋圈洞水庫所在流域附近有盤縣氣象站、雞場坪雨量站、羊場雨量站、土城水文站等站；根據盤縣氣象站的暴雨統計參數，結合貴州省最新有關的暴雨等值線圖和鄰近工程取值，確定設計流域最大60 min降水量均值為45 mm，Cv為0.4，Cs/Cv為3.5。

2.3 歷史洪水

2013年5月對鍋圈洞水庫壩址、鍋圈洞泉水、海子鋪洼地、馬場屯洼地、馮家莊洼地、吳官屯洼地和兩河洼地進行了洪水調查。由于鍋圈洞水庫壩址以上流域巖溶伏流復雜，為了調查清楚設計流域的洪水情況，除了對歷史洪水重現期的調查外，重點調查流域內洼地伏流的壅水時間、壅水高程、洪水消退歷時等。鍋圈洞水庫歷史洪水調查成果見表2。

表2 鍋圈洞水庫歷史洪水調查成果表

受訪者將歷史洪水集中在1995年和1999年，1995年洪水是受訪者記憶中最大的一次，其次是1999年洪水。從受訪者年齡來看，大多在60歲左右，考慮對10歲以前發生的洪水情況有可能記憶不清楚，則1995年洪水是50 a以來最大，重現期定為50 a；1999年是50年以來第二大洪水，重現期定為25 a。

2.4 壩址天然設計洪水

鍋圈洞水庫屬無實測水文資料地區，流域內伏流暗河密布，附近流域內沒有和本流域下墊面特征類似的水文站。不適合采用流量法或地區綜合法計算本流域設計洪水，只有采用‘雨洪法’結合調查到的歷史洪水來推求。

鍋圈洞水庫壩址處洪水由石板溝河洪水和鍋圈洞泉水組成，石板溝河直接采用“雨洪法”計算，鍋圈洞泉水汛期出流根據歷史洪水調查資料進行分析擬定。

2.4.1 石板溝河(明流區)設計洪水計算

設計洪水計算公式及產匯流參數在《貴州省暴雨洪水計算手冊(修訂本)》上查取。根據《貴州省暴雨洪水計算實用手冊(修訂本)》的要求，不同的流域特征應采用不同的雨洪計算公式，其水庫流域特征以流域特征值θ(θ=L/J1/3/F1/4)和集水面積反映。石板溝河集水面積12.54 km2，河長5.83 km，比降46.09‰，流域特征值θ=8.64。

根據現場踏勘調查，流域內植被較差，且流域內有部分洼地，因此產匯流分區定為Ⅰ區(黔中地區)，暴雨衰減指數n3=0.8，Δn3為6區。有關的地理參數根據1/萬地形圖量取。參數r取均值0.335，C取均值。石板溝河設計洪水成果見表3。

2.4.2 鍋圈洞泉水設計洪水計算

鍋圈洞泉水補給源由馬場屯洼地、婭密(巖溶)洼地、海子鋪洼地、馮家莊洼地、吳官屯洼地、兩河洼地組成，汛期洪水源頭散布，且巖溶伏流暗河密布，從源頭推算鍋圈洞洪水及出流過程不現實。鍋圈洞泉水設計洪水計算中，考慮直接在鍋圈洞泉水出口調查歷史洪水、常年洪水流量，并以調查到的洪水流量為依據，按洪水頻率越高鍋圈洞泉水出流量越大，但增幅逐步減小的規律擬定其他頻率洪水流量。

歷史洪水調查：根據歷史洪水調查，鍋圈洞泉水1995年洪水流量為80.2 m3/s，1999年洪水流量為64.9 m3/s，常年洪水流量為14.1 m3/s。鍋圈洞泉水1995年洪水頻率為P=2.0%，1999年洪水頻率為P=4%，常年洪水頻率為P=50%，根據上述三組洪水流量和頻率反算鍋圈洞泉水洪水流量特征值參數。經計算，鍋圈洞泉水多年平均最大洪峰流量為21.1 m3/s，Cv=0.915，Cs/Cv=2.77。反算鍋圈洞泉水洪峰流量特征值參數頻率曲線見圖1。

圖1 鍋圈洞泉水洪峰流量特征值參數頻率曲線

鍋圈洞泉水汛期洪水峰現時間：鍋圈洞泉水補給流域集水面積在4.17～18.51 km2之間，分別為馬場屯洼地、海子鋪洼地、婭密(巖溶)、馮家莊洼地、吳官屯洼地和兩河洼地，6塊洼地(巖溶)平均集水面積為11.2 km2。石板溝河集水面積12.54 km2，接近6塊洼地(巖溶)平均集水面積，因此鍋圈洞泉水汛期各頻率洪水的峰現時間和漲峰各時段的漲率均采用石板溝河各頻率設計洪水過程線對應成果。

2.4.3 鍋圈洞水庫壩址天然設計洪水

鍋圈洞水庫壩址處洪水由石板溝河洪水和鍋圈洞泉水組成，鍋圈洞泉水汛期洪水考慮洪水傳播時間和洪峰出現時間。經計算，鍋圈洞水庫天然設計洪水成果見表3。

表3 鍋圈洞水庫壩址天然設計洪水成果表

從暴雨統計參數來看，以流域附近盤縣氣象站、雞場坪雨量站、羊場雨量站、土城水文站等站為參證站，暴雨統計參數與貴州省最新的有關暴雨等值線圖是吻合的；從區域綜合分析角度看，設計斷面明流區洪水P=1%洪峰模數為26.6 m3/s·km2(n=0.67)，與鄰近下墊面相似流域其它工程相差不多。可見壩址天然設計洪水成果是比較合理的。

3 結語

通過研究該地區洪水特性規律，調查推算天然洪水的推演計算，得到與歷史洪水相匹配的設計洪水計算成果，為喀斯特巖溶發育地區工程優化設計提供了科學依據。

(1)鍋圈洞水庫設計洪水地區組成復雜，通過地質現場查勘、歷史洪水調查和水庫聯通實驗確定了水流的方向，即多個巖溶洼地通過不同的巖溶管道最終匯集到鍋圈洞泉水，因此鍋圈洞水庫壩址洪水=明流區洪水+閉流區洪水(鍋圈洞泉水洪水)是合理的。

(2)暴雨參數選擇首先考慮暴雨參證站是否合理，還應結合地區相關分布規律進行綜合研究。鍋圈洞水庫流域內暴雨參數，以流域內的氣象站、雨量站和水文站為參證站，參證站選擇比較合理，且暴雨統計值與《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中相關暴雨等值線圖吻合。

(3)歷史洪水調查包括了歷史洪水重現期調查和巖溶洼地的洪水調查，其中重點調查流域內巖溶洼地伏流的壅水時間、壅水高程、洪水消退歷時，計算出鍋圈洞泉水不同頻率的洪峰流量，繪制成泉水的洪峰流量特征值參數頻率曲線圖，

(4)通過對壩址洪峰模數進行分析，與地區洪水的分布規律基本一致。“雨洪法”計算洪水成果與相應頻率歷史調查洪水進行比較，二者吻合度好，計算成果合理。