強巖溶非閉合流域水庫天然徑流分析研究

趙 云,趙 瑋,黨曉軍

(陜西省水利電力勘測設計研究院, 陜西 西安 710001)

我國的巖溶較為發育,在我國南方的云南、貴州、廣西以及北方的山西、山東、河南等省份廣泛分布有346萬km2碳酸鹽巖地層,其中91萬km2的碳酸鹽巖裸露于地表[1]。由于我國各地區氣候地質條件不同,巖溶發育強弱不同,因而巖溶地貌與河系的發育也不相同[2-5]。巖溶地區河流的基本特征是流域不閉合[6]：具有地表和地下兩個水系、兩個分水嶺、兩個流域的“二元結構”[7-8]。地表和地下流域常不吻合,地下水系的補給區和排泄區常不在同一個地表分水線劃分的流域內,徑流特征有特殊的規律性。在巖溶地區特別是裸露巖溶區修建水利水電工程時,多數情況下,徑流計算不能簡單地采用閉合流域水量平衡方程式,應考慮本流域與相鄰流域間水量交換,按非閉合流域水量平衡方程式計算設計徑流[9-12]。對于復雜的巖溶地區,可通過區域水文地質調查、連通試驗等方法確定巖溶區域的水力聯系,也可通過設立水文測站進行觀測和分析。

龍塘水文站控制流域面積250 km2,存有1973年—1987年水位、流量、降水等觀測資料。這15年水文資料,為龍塘水庫水文分析提供了寶貴的基礎資料。

1 流域概況

馬壩河流域位于鹽源盆地北部,系雅礱江的四級支流,發源于白林山脈的火爐山,整個流域呈長條形,北高南低,地表流域面積287 km2,長度63 km,主河道平均比降8.2‰。河流自北向南流經鹽源縣境內的白烏鎮、大河鄉至干海鄉折向西南方向,于九洞橋附近匯入梅雨河。馬壩河東鄰古柏河、西靠白烏河,由于分水嶺距離較近,三條河分水嶺寬僅3 km～5 km,因此馬壩河中下游流域成窄條長形,馬壩河流域水系圖見圖1。

圖1 馬壩河流域水系圖

龍塘水庫所處的馬壩河流域處于灰巖發育的喀斯特地區,流域中游漏斗、落水洞密集,可看到成片的落水洞群,落水洞底部常漸變為溶蝕裂隙或豎井,大部分無充填,具有很強的導水能力,成為接受降雨的通道,屬于巖溶地下水的徑流補給區;下游:農耕發達,巖溶形態僅星點狀出露,屬巖溶水的排泄區,排泄形式以暗河及泉的形式集中排泄,因而在馬壩河的龍塘峽谷形成了集中排泄帶,每個排泄帶均有一個或多個具有長流量的暗河或泉水點,是巖溶水排泄點相對集中的地點。該區間分布的泉有大龍塘、左龍眼、右龍眼等。

龍塘水庫壩址位于馬壩河下游的峽谷段,壩址以上地表水控制流域面積256 km2,主河道長50 km,河道平均比降11‰。

2 工程概述

龍塘水庫位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣,水庫壩址距離鹽源縣城約16 km,距離涼山州府西昌市約160 km,工程建設任務是灌溉、城鄉生活供水及發電等綜合利用。工程為Ⅱ等大(2)型,由水庫工程和灌區工程兩大部分組成。龍塘水庫總庫容1.45億m3,興利庫容1.15億m3。多年平均供水量1.31億m3,壩后電站總裝機容量8 200 kW,年發電量1 368萬kW·h。龍塘灌區灌溉面積2.41萬hm2,其中新增灌溉面積1.83萬hm2,改善灌溉面積0.59萬hm2,灌區涉及鹽源縣鹽井鎮、梅雨鎮、衛城鎮、白烏鎮、干海鄉、下海鄉、雙河鄉、大河鄉河棉椏鄉9個鄉鎮,供水惠及人口約14萬。

3 水文地質調查

3.1 區域水文地質

馬壩河所在的鹽源盆地區內水系主要由雅礱江及其支流小金河(包括臥羅河、甲米河、鹽塘河及梅雨河等)組成。梅雨河發育分布于鹽源盆地內,由白烏河、馬壩河、古柏河等眾多的支流組成樹枝狀的向心水系,河谷蜿蜒多曲,河床較為寬坦。其余河流均分布于盆地外圍山區,水文網發育展布主要受地質構造控制,其干流以順構造線發育為主,支流則多垂直構造線展布,組成近似羽狀的環形水系,見圖1。總體來看,盆地內松散地層、東部和西北部的碎屑巖、變質巖地區,水文網發育較密;碳酸鹽巖地層分布區,水文網發育相對較稀,干流切割深,支流切割淺。水文網發育特征對地下水補給、運移有明顯的控制作用。

區域內地下水類型主要以巖溶水為主,分布廣泛,且含水量豐富、排水集中,集中排泄點10處[13]。排水量受季節影響較大,枯水期排水量較小,豐水期排水量很大。

鹽源盆內地共發育了5條暗河,盆地內地下水的流向和水位的下降方向與盆地內河流的發育方向基本一致。這些暗河和泉水的補給來源位于盆地內,通過灰巖中發育的溶洞向盆地內部排泄,并在徑流過程中接受沿線地表水和地下水的補給;盆地內共有3處巖溶水集中排泄點,出露的泉水既有上升泉,又有下降泉,且泉水流量差異性較大,說明每個排泄點的補給來源為多層地下水,且相互之間水力聯系微弱。

由區域水文調查資料[14]分析可知,鹽源盆地與外側存在地表和地下分水嶺,且高程高于庫水位2 420 m,說明鹽源盆地屬于相對封閉的地下水系統。

3.2 庫壩區巖溶管道聯通試驗

巖溶水是工程區最主要的地下水類型,查明巖溶水的動力特征和補排關系,從而查明庫壩區巖溶系統是該工程勘察設計的重點。

為了查明工程區巖溶水的水動力聯系, 委托中國地質科學院巖溶地質研究所分別在白烏河(河床)高程2 420 m以上的麥地堰溝口段投放鉬酸銨示蹤劑250 kg;在古柏河左岸大河鄉大院子橋以東約2 km處一落水洞內投放熒光素鈉100 kg。接收點主要布置在馬壩河水庫、龍塘峽谷附近的各巖溶水排泄點(泉點)、鉆孔。

鉬酸銨示蹤試驗表明[15],白烏河投放點以下河段地表水與馬壩河流域各泉點之間沒有水力聯系。

白烏河每年11月下旬開始斷流,至來年5月份有大氣降雨才恢復流水。據水文觀測,此間近6個月的時間并沒有造成馬壩河流域各巖溶泉水的突然斷流或水量的劇減等水文動態變化,說明馬壩河流域出露的泉水來自更遠的西北地區,反映出白烏河與馬壩河流域各巖溶泉水之間沒有直接主導型補-排關系。

熒光素鈉示蹤試驗表明[15],古柏河流域大院子以上河段地表水及地下水與馬壩河龍塘峽谷段之間存在密切的水力聯系,即古柏河流域大院子以上河段的地表水和地下水均流向了馬壩河流域,馬壩河襲奪了古柏河。兩者之間地下水應主要通過管道-裂隙混合型介質運移,并具有多個相互連通的路徑:熒光素鈉異常最先于大龍塘檢出,隨后分別為左龍眼、右龍眼,最終在石河壩泉檢出,反映示蹤劑彌散暈有自北向南推移、擴散的規律。含水介質屬于巖溶裂隙-管道混合型,在左、右龍眼以較高濃度出露地表,并穿越馬壩河在對岸的石河壩泉較高位置排出,具有一定的承壓性,而大龍塘、東西小龍塘(水井)地下水管道相對通暢。

巖溶發育主要受構造及相對隔水巖層分布的控制,地下水動力場也與此相適應,形成了該區特殊的地表水及地下水補排關系,見圖2。馬壩河以地表水為主,同時還通過巖溶管道系統襲奪了古柏河上游的河水,增加了自身河流量。巖溶水是工程區最主要的地下水類型,工程區的巖溶水可分為馬道子—大林鄉水動力單元和長坪子—大院子水動力單元兩個水力系統,其補排關系、水動力特征及水化學特征各異,在天然狀態下,兩個水動力單元的水力聯系不密切。

圖2 巖溶地區水力聯系圖

水文地質分析結論:龍塘水庫所在的馬壩河流域為非閉合流域,流域通過巖溶管道系統襲奪了古柏河上游的河水,增加了自身河流量,馬壩河為盈水區域。

4 非閉合流域徑流分析研究

流域內的徑流包括地表徑流和地下徑流。因此,分水線也有地表分水線與地下分水線兩種。如果地表分水線與地下分水線相重合,這樣的流域稱為閉合流域。但由于地質構造上的原因,地表分水線與地下分水線常常并不完全重合。這種流域稱為非閉合流域。

在石灰巖發育地區,地層中常有巖溶管道,則本流域產生的地下水,有可能通過溶洞流到外流域去,而外流域的地下水也有可能通過溶洞流到本流域,這是一種非閉合流域。

龍塘水庫位于鹽源盆地北部的馬壩河下游,馬壩河以及鄰近的白烏河、古柏河均流經了灰巖地區,區域內巖溶發育,壩址區由于馬壩河低于兩側鄰谷白烏河與古柏河,兩側鄰谷灰巖峽谷段的地表水或地下水主要通過地下巖溶管道,集中排泄補給馬壩河[16],測得馬壩河過境流量顯著增大。為了分析不閉合流域龍塘水庫的天然來水量,通過龍塘專用水文站觀測成果,以鹽源縣氣象站降水資料以及鄰近流域莊房站的徑流資料插補延長龍塘站,得到龍塘站和水庫壩址長系列多年平均徑流量;結合水文地質調查和巖溶管道聯通試驗等勘察成果,勾繪出水庫的地下分水嶺,得到的水庫實際匯水面積,使得插補延長后的水庫多年平均徑流深滿足地區分布規律。

4.1 壩址來水量分析

龍塘水文站僅觀測有1973年—1987年15年水文資料,為龍塘水庫的設計提供了寶貴的資料,因此水文分析計算也依據這15年資料進行插補延長,得出滿足規范要求的長系列壩址天然來水量系列。

(1) 采用降雨資料插補延長。馬壩河本流域以上設有的雨量站,觀測時間較短,根據馬壩河周圍雨量站分布情況,采用資料系列較長的鹽源氣象站進行分析,點繪龍塘站實測徑流量與鹽源氣象站降水量同步圖,見圖3,由圖可以看出,龍塘水文站與鹽源氣象站降雨具有一定的同步性,徑流深大于降雨量,一方面說明馬壩河流域非閉合,另一方面說明雨量站代表性不好。

圖3 龍塘實測徑流深與鹽源氣象站降雨量過程線

由于壩址以上為巖溶地區,地下水所占比例較大,采用龍塘站扣除基流(基流量采用龍塘實測最小月平均流量0.23 m3/s)的年徑流量與鹽源氣象站年降水量、汛期徑流量與汛期降水量分別相關,插補延長龍塘站年、汛期徑流量,并以此為控制,得到插補后龍塘各月徑流量。根據鹽源氣象站雨量的年內分配特點,雨量相關汛期采用5月—10月,相關關系如下:

年:

相關方程:W龍塘=17.184P1.0792

相關系數:r=0.75

式中:W龍塘為龍塘年徑流量,萬m3;P為鹽源氣象站年降水量,mm。

相關圖見圖4。

圖4 龍塘站(扣基流)年徑流-鹽源氣象站年降雨量相關圖

汛期5月—10月:

相關系數:r=0.76

式中:W龍汛為龍塘5月—10月徑流量,萬m3;P鹽汛為鹽源氣象站5月—10月降水量,mm。

相關圖見圖5。

圖5 龍塘站5月—10月徑流量(扣基流)-鹽源氣象站5月—10月降雨量相關圖

由以上方程插補年及汛期徑流量,然后回加扣除的基流量,計算得到1957年—2018年多年平均徑流量2.42億m3。

(2) 采用鄰近流域參證站徑流資料插補延長。與馬壩河相鄰的永寧河、寧蒗河、鹽井河上分別設有蓋租、莊房、甲米水文站,其中莊房站觀測資料較好,系列也較長,且控制流域面積與馬壩河龍塘站相差不大,同期實測徑流的同步性較好,寧蒗河以上植被良好,森林覆蓋率高,為相對閉合區域,見圖6,因此選用寧蒗河莊房站插補延長龍塘站。

圖6 莊房站與龍塘站同期年平均流量過程線

參證站:寧蒗河莊房站

資料系列:1961年—2018年

根據龍塘站實測徑流和莊房站相應的流量,分別進行年、汛期徑流相關,汛期根據龍塘站實測資料,采用6月—10月,相關方程如下:

年:

相關方程:W龍塘=0.4459W莊房+12564

相關系數:r=0.78

相關圖見圖7。

圖7 馬壩河龍塘站年徑流-寧蒗河莊房站年徑流相關圖

汛期6月—10月:

相關方程:W龍汛=0.4283W莊汛+12619

相關系數:r=0.77

式中:W龍汛為龍塘6月～10月徑流量,萬m3;W莊汛為莊房6月—10月徑流量,萬m3。

相關圖見圖8。

圖8 馬壩河龍塘站-寧蒗河莊房汛期6月—10月徑流量相關圖

根據以上相關關系可計算得到龍塘站1961年—2018年多年平均徑流量為2.47億m3。

(3)采用不同方法計算的多年平均徑流量以及汛期徑流成果,見表1。

表1 不同方法計算的龍塘站多年平均徑流量成果表

從表中可以看出,兩種方法計算的龍塘長系列多年平均流量比較接近,由于莊房站插補的成果更接近實測系列的分配,即汛期所占比例更接近,而雨量插補段,汛期6月—10月徑流僅占年徑流的83%,與實測段徑流所占比例相差較大,因此采用莊房站插補成果。因此,龍塘站多年平均徑流量為2.47 億m3,即7.83 m3/s。

(4) 龍塘壩址來水量

龍塘水文站位于龍塘水庫壩址以上2 km,區間面積僅5.6 km2,龍塘壩址的年徑流直接采用龍塘站徑流計算成果,即壩址多年平均徑流量2.47億m3。

壩址上下游是泉水主要的排泄區,主要分布于馬壩河龍塘峽谷段上下游。考慮到泉水的不確定性以及水庫蓄水后,徑流補給條件變化,直接采用龍塘站流量作為壩址流量。

4.2 壩址徑流合理性分析

(1) 利用徑流參數等值線圖分析。根據地質連通試驗報告得出以下結論:

a) 古柏河與馬壩河存在密切的水力聯系,古柏河流域大部分地下水均流向了馬壩河。

b) 古柏河與馬壩河之間地下水主要通過管道—裂隙混合型介質運移,并具有多個相互連通的路徑。

c) 古柏河和馬壩河屬于統一的地下水系統,兩者之間并沒有地下分水嶺。地下水總體自東向西徑流,是古柏河地下水系統被馬壩河流域地下水襲奪的結果。

d) 巖溶發育主要受構造及相對隔水巖層分布的控制,地下水動力場也與此相適應,形成了該區特殊的地表水及地下水補排關系——馬壩河以地表水為主,同時還通過巖溶管道系統襲奪了古柏河上游的河水,增加了自身河流量。

古柏河位于馬壩河東側,流域面積316 km2, 其中大院子以上控制流域面積261 km2,下三棵樹、大院子一帶,近壩區地表大部分被第三系地層覆蓋,屬巖溶荒塬,區內巖溶形態以溶洞為主、少量落水洞,成為接受降雨及地下水的通道,是巖溶水的地下徑流補給區。

馬壩河龍塘站58年多年平均徑流2.47億m3,采用莊房站直接比擬計算的莊房站多年平均徑流量為0.817億m3(莊房站1961年—2018年實測多年平均徑流量2.743億m3),根據非閉合流域

W0=W′+△W

式中:W0為設計流域為非閉合情況下的年徑流(龍塘站W0=2.47億m3);W′為設計流域為閉合情況下的年徑流(通過莊房站比擬求得,W′=0.817億m3); △W為設計流域盈虧水量,根據此方法推求,推求馬壩河龍塘站△W=1.653億m3,馬壩河為盈水區域。

圖9為四川省1956年—2005年平均年徑流深等值線圖。

圖9 四川省1956年—2005年平均年徑流深等值線

查圖得馬壩河流域多年平均徑流深為400 mm左右,徑流深等值線是以閉合流域為基礎編制的,龍塘站地表多年平均徑流深965 mm,扣除龍塘站盈水量,馬壩河徑流深與該地區徑流深相協調。

將本地區各水文測站的徑流統計參數列于表2,從表中可以看出,龍塘水庫實際控制面積517 km2(古柏河大院子以上),計算實際徑流深480 mm,介于該地區徑流深之間,能與地區各站徑流深相協調。

表2 地區水文測站徑流統計參數

(2) 巖溶地下水大龍塘泉水量分析。庫壩址區巖溶水的補給主要形式為裸露灰巖巖溶洼地大氣降雨直接補給和鄰谷地表水、地下水集中補給。庫區月亮灣以上段,兩岸分布的地層中發育有各種形態的巖溶,為大氣降雨迅速直接補給地下水提供了良好條件。壩址、近壩庫區及河間地塊地區,多被透水性微弱的黏土巖覆蓋,阻隔了大氣降雨的直接入滲,該層厚度一般40 m～200 m,最大厚度達260 m,但在壩址區由于馬壩河低于兩側鄰谷白烏河與古柏河,兩側鄰谷灰巖峽谷段的地表水或地下水主要通過地下巖溶管道,集中排泄補給馬壩河,測得馬壩河過境流量顯著增大,據近壩址區巖溶泉水出露點觀測資料統計,大龍塘、東小龍塘、西小龍塘、左龍眼、右龍眼等多個泉年出水量達7 107萬m3,鄰谷的集中補給是本區段河谷地下水的主要補給來源。

總體而言,庫壩址區巖溶水主要以管道流和脈狀流兩種形式存在,流向受構造形跡的控制,分別由馬壩河的北東向南西和由北西向南東匯集于河谷較低侵蝕面排出,徑流暢通,補排交替強烈。

大龍塘泉屬巖溶水的徑流排泄區,降水與泉水的流量有密切關系,采用鹽源縣氣象與大龍塘泉1975年、2010年—2016年實測徑流量同步分析計算大龍塘泉多年平均徑流量為4 820萬m3。

根據水文地質結論,大院子以上是大龍塘泉的補給區,其中大院子以上控制流域面積261 km2,根據參證站莊房徑流量計算大院子以上徑流量為8 540萬m3,大龍塘泉徑流量占大院子以上徑流量的56%,大院子以上徑流量一半被襲奪,這也說明了古柏河大院子以下河床斷流積水的河道情況。

(3) 從馬壩河的地形特點說明。馬壩河壩址河床(高程2 374 m),低于東側的古柏河(高程2 404 m,相當于馬壩河三級階地的高程)約30 m;低于西側的白烏河(高程2 391 m,相當于馬壩河二級階地的高程)約19 m,河間地塊存在連續的地下分水嶺。 馬壩河流域平均相對高程較低,這也是符合盈水區域的普遍地形特點。

以上這些水文地質特點,造成了馬壩河流域為盈水區域,地表徑流深較周邊流域偏大。結合水文地質分析成果,提出水庫壩址以上總集水面積,計算的徑流深介于地區各站徑流深之間,能與地區徑流深協調。

5 結 論

通過連通試驗以及庫壩區水文地質調查,摸清水庫來水補給條件,龍塘水庫來水不但有本流域馬壩河的來水,還有通過巖溶管道系統襲奪了古柏河上游的河水,水庫所在流域為非閉合流域。結合連通試驗以及地質的分析結論,劃分流域的地下分水嶺,計算的壩址以上實際徑流深能與周邊相適應。龍塘水庫徑流組成,含有外流域古柏河的來水,為盈水區域。采用閉合流域參證站對設計依據站分豐、枯進行插補,對摸清該地區盈虧水量具有一定的說明作用。