閆偉偉，周錦華，景曉菊

(湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

清江發(fā)源于齊躍山東側(cè)的汪營(yíng)龍洞溝，在利川市境內(nèi)流經(jīng)石壩、汪營(yíng)、涼霧、大塘和利川市城區(qū)，至落水洞進(jìn)入約9 km的伏流至黑洞出流，下游經(jīng)恩施、長(zhǎng)陽(yáng)，于宜都市匯入長(zhǎng)江[1-2]。清江在利川市境內(nèi)的總流域面積1 535 km2，干流長(zhǎng)92.2 km，落水洞(伏流進(jìn)口)以上流域面積836 km2，干流長(zhǎng)82.7 km，河道平均坡降0.94‰。

清江伏流段“窄門(mén)”、“扁眼”等卡口多，流態(tài)復(fù)雜，既有無(wú)壓明流段，也有管流式的有壓流，還有倒虹吸式的流態(tài)，甚至在局部地段根本就沒(méi)有規(guī)?；倪^(guò)流通道，全靠水的壓力從若干裂隙擠滲過(guò)流。落水洞過(guò)流能力有限，稍遇大洪水便過(guò)流不及，壅高上游清江水位。

落水洞阻流壅水是清江利川城區(qū)段防洪的制約因素，為此在清江防洪治理工程設(shè)計(jì)中推求落水洞水位～流量關(guān)系，是確定工程設(shè)計(jì)方案的必要步驟。

1 落水洞水位～流量關(guān)系推求方法

本次落水洞水位～流量關(guān)系推求主要依據(jù)資料為利川水文站實(shí)測(cè)水位和流量資料以及測(cè)量資料。利川水文站位于清江干流上游利川市境內(nèi)，由于多種原因，站址多變，站址變動(dòng)情況見(jiàn)表1。

由于落水洞處沒(méi)有實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系，其真實(shí)的泄流能力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。目前切實(shí)可行的辦法是通過(guò)落水洞口上游6.1 km處枇杷灘站(利川三站)實(shí)測(cè)的水位～流量關(guān)系和實(shí)測(cè)的1982年和1998年相應(yīng)的沿河道洪水水位，確定幾組不同水位下的水力比降，然后用枇杷灘站實(shí)測(cè)水位通過(guò)線(xiàn)性?xún)?nèi)插求出該水位下的水力比降，椐此計(jì)算落水洞處的相應(yīng)水位。因?yàn)闆](méi)有實(shí)測(cè)的落水洞處流量成果，可通過(guò)水文比擬法求出與枇杷灘站實(shí)測(cè)的水位流量對(duì)應(yīng)的落水洞處流量，作為落水洞泄流能力的初始估值。然后根據(jù)務(wù)子千站(利川二站)實(shí)測(cè)的1982年、1998年的洪水過(guò)程線(xiàn)和水位，換算到落水洞處，通過(guò)調(diào)洪演算試算確定落水洞泄流能力的最后估值。

表1 利川水文站基本情況表

2 過(guò)流能力初始估值

2.1 枇杷灘站實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系

根據(jù)枇杷灘站實(shí)測(cè)的水位～流量過(guò)程，點(diǎn)繪枇杷灘站實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 枇杷灘站實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)圖

從圖1可以看出：曲線(xiàn)呈繩套形。由于河道測(cè)流斷面比較穩(wěn)定，經(jīng)分析其主要原因有二：一是受落水洞洪水頂托影響，測(cè)站受下游水位抬高的影響，使水面比降減小，與不受回水影響時(shí)比較，同一水位的流速減小，流量也減小，水位流量關(guān)系的點(diǎn)子分布很亂；二是受洪水漲落的影響，水位流量關(guān)系點(diǎn)為帶狀，分布漲水期在右邊，落水期在左邊。如果落水洞過(guò)流能力取較大值時(shí)，計(jì)算的洪水位偏小，偏不安全。因落水洞過(guò)流能力不足對(duì)洪水頂托的影響比較大，所以其過(guò)流能力取上外包線(xiàn)偏于安全，不同水位下的過(guò)流能力結(jié)果見(jiàn)表2。

從圖1可以看出：不受阻滯影響的最大過(guò)水流量為Q=228 m3/s，相應(yīng)水位為1 061.60 m；由面積比擬法求得落水洞不受阻滯影響的最大過(guò)水流量為231 m3/s。

按均勻流公式進(jìn)行計(jì)算，得到落水洞前河道斷面的不受落水洞阻滯影響的水位流量關(guān)系見(jiàn)表3。

從表3中查得231 m3/s對(duì)應(yīng)水位為1 056.4 m。

2.2 落水洞與枇杷灘站對(duì)應(yīng)的幾組實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系

通過(guò)枇杷灘站實(shí)測(cè)結(jié)果和落水洞洪水調(diào)查分析資料可以得到四組不同水位所對(duì)應(yīng)的上下游流量關(guān)系，見(jiàn)表4。

表3 落水洞前河道斷面不受落水洞阻滯影響的水位～流量關(guān)系表

表4 枇杷灘站和落水洞對(duì)應(yīng)的水位流量關(guān)系

根據(jù)表5中4組上下游水位控制值，可通過(guò)線(xiàn)性插值求出落水洞處相應(yīng)于不同上游水位的水力比降，并據(jù)此推求其下游水位，其流量通過(guò)面積比擬法求出(注：1 056.40 m以下采用不受阻滯影響的均勻流計(jì)算成果)，得到落水洞處的水位～流量關(guān)系初始估計(jì)結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 落水洞水位～流量關(guān)系表(初始估計(jì)結(jié)果)

3 過(guò)流能力的修正

因?yàn)橛缮鲜鼍€(xiàn)性插值方法推求的落水洞水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)表5)與實(shí)際泄流能力存在一定的誤差，必須進(jìn)行修正才能作為調(diào)洪演算的依據(jù)。

1982年和1998年實(shí)測(cè)的落水洞前水位是確定的，落水洞過(guò)流能力的大小和精度與這2年洪水過(guò)程的估算精度密切相關(guān)，而落水洞處的洪水過(guò)程是未知的，可通過(guò)實(shí)測(cè)的暴雨途徑推求。1982年大洪水有各雨量站實(shí)測(cè)的逐小時(shí)降雨量，根據(jù)實(shí)測(cè)雨量資料可推求出設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

試算求落水洞過(guò)流能力時(shí)，以表5所列的初始估值作為基礎(chǔ)開(kāi)始進(jìn)行調(diào)洪演算，其原理簡(jiǎn)述如下：

把落水洞前清江干支流作為一個(gè)“水庫(kù)”，其水位～容積關(guān)系曲線(xiàn)復(fù)核計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 落水洞前清江水位～容積曲線(xiàn)

然后根據(jù)入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水和落水洞及隧洞泄流能力曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪演算的水量平衡方程[3-5]為

V末=V初+V來(lái)-W洞-W隧

式中：V末為t時(shí)段末河道槽蓄容積，萬(wàn)m3；V初為t時(shí)段初河道槽蓄容積，萬(wàn)m3；V來(lái)為t時(shí)段來(lái)水量，萬(wàn)m3。

V來(lái)=Q洪△t

式中：Q洪為t時(shí)段設(shè)計(jì)入庫(kù)洪水平均流量，m3/s；△t為t時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度，萬(wàn)s；W洞為t時(shí)段內(nèi)落水洞泄水量，萬(wàn)m3；W隧為t時(shí)段內(nèi)隧洞泄水量，萬(wàn)m3。

落水洞起調(diào)水位取1 053.00 m，下泄流量為19.9 m3/s，河槽槽蓄量為62.4萬(wàn)m3。(注：起始條件對(duì)調(diào)洪結(jié)果影響不大)。

當(dāng)調(diào)洪計(jì)算后落水洞的最高水位高于1982年實(shí)測(cè)水位1 070.34 m時(shí)，說(shuō)明落水洞過(guò)流能力估計(jì)偏小；當(dāng)調(diào)洪演算后落水洞的最高水位低于1982年實(shí)測(cè)水位1 070.34 m時(shí)，說(shuō)明落水洞過(guò)流能力估計(jì)偏大。上述兩種情況都要進(jìn)行修正。修正時(shí)維持1 056.4 m以下曲線(xiàn)部分不變，只對(duì)1 056.4 m以上曲線(xiàn)部分進(jìn)行修正，直到調(diào)洪演算后落水洞的最高水位等于或非常接近于1 070.34 m。

調(diào)洪演算成果：最高水位1 070.34 m，最大流量1 190 m3/s。推求的落水洞水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)表7。

表7 落水洞水位～流量關(guān)系表(修正后)

4 成果比較分析

根據(jù)1982年7月和1998年6月底至7月初兩場(chǎng)洪水實(shí)測(cè)的沿程水面高程和各斷面的測(cè)量資料，根據(jù)水力學(xué)原理，按非均勻漸變流公式近似估算落水洞的下泄量，其結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 1982年和1998年落水洞最大下泄量計(jì)算成果表

從表8中的結(jié)果可以看出：落水洞對(duì)大洪水的阻滯作用比中、小洪水為大，流量由小變大流速反而由大變小，與天然河道的一般規(guī)律相反，但符合落水洞的實(shí)際情況。

從上述分析知道：當(dāng)落水洞前水位在1 070.34 m附近時(shí)，落水洞的過(guò)流能力應(yīng)在1 100 m3/s左右；當(dāng)落水洞前水位在1 066.40 m附近時(shí)，落水洞的過(guò)流能力應(yīng)在700 m3/s左右。本次推求的成果與落水洞1982年大洪水過(guò)流能力比較接近，成果較為合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

清江干流(利川)重點(diǎn)河段近期防洪治理工程設(shè)計(jì)中以此成果作為依據(jù)，通過(guò)了專(zhuān)家審查并獲得相關(guān)部門(mén)批復(fù)，目前工程正在實(shí)施。

巖溶發(fā)育地區(qū)溶洞過(guò)流能力推算較為復(fù)雜，本次利川市清江落水洞水位～流量關(guān)系推求方法有一定借鑒意義，在巖溶發(fā)育地區(qū)受落水洞阻水影響的河道防洪治理工程設(shè)計(jì)中可酌情參考。