李大成，龔蘭強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽550081)

0 引 言

巖溶洼地是喀斯特地區(qū)常見的一種負(fù)地形地貌，形狀多為圓形或近圓形，四周多低山和峰林，底部平坦，雨季易澇，旱季易干[1]。洼地積水主要通過巖溶管道進(jìn)入地下巖溶系統(tǒng)，明確巖溶管道泄流能力對保障巖溶洼地滯洪安全具有重要意義。巖溶洼地的巖溶管道具有過水?dāng)嗝娌灰?guī)則、路徑蜿蜒、流態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，無法通過實(shí)測巖溶管道水力要素計(jì)算其泄流能力。張祖蓮[2]根據(jù)巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，將超量洪水在洞前形成的滯蓄洪區(qū)視為“一個(gè)水庫”，而將落水洞視為水庫的“泄洪建筑物”，以歷史實(shí)測水位及相應(yīng)暴雨資料等作為已知條件，根據(jù)水庫調(diào)洪演算原理試算確定了清江利川落水洞的過流能力。蔡貴珍等[3]利用暴雨設(shè)計(jì)洪水過程線和洼地蓄積曲線推求了千師營溶蝕洼地的地下巖溶通道的最大過流能力。徐一帆等[4]通過對小流域條件下多種巖溶落水洞過流能力評價(jià)方法的對比與分析，認(rèn)為由于巖溶落水洞形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性及流態(tài)運(yùn)移過程復(fù)雜性，目前無現(xiàn)成的公式可直接計(jì)算其過水能力，但可通過計(jì)算暴雨洪峰流量進(jìn)行類比推理。蒙?；ǖ萚5]以貴州省普定縣后寨河流域?yàn)槔?，建立了基于落水洞的巖溶半分布式水文模型，進(jìn)行了巖溶地區(qū)地表模擬工作和水文參數(shù)的反演。然而，目前針對無實(shí)測水位流量資料、滯洪時(shí)間長的巖溶洼地泄流能力分析有待進(jìn)一步研究。

本文以安龍?zhí)焐w海子為例，采用汛期徑流水量平衡法，結(jié)合調(diào)查的歷史洪水，通過試算確定天蓋海子巖溶管道泄流能力，為缺乏實(shí)測水位流量資料、滯洪時(shí)間長的巖溶洼地泄流能力分析提供技術(shù)參考。

圖1 天蓋海子地下水補(bǔ)給、排泄及滲漏帶分布示意

1 研究區(qū)域概況

天蓋海子位于安龍縣海子鎮(zhèn)，為一大型的封閉型巖溶洼地，總體走向近東西向，長約2.2 km，末端寬度30～50 m，首部寬度130～300 m。天蓋小河自西向東流經(jīng)洼地底部，在洼地最東端陡壁腳潛入地下形成伏流(地下暗河)，于東北面約8 km(直線距離)的岔河流出地表，為岔河暗河系統(tǒng)的源流之一。消水點(diǎn)以上流域集水面積29.68 km2，主河道長8.12 km，平均坡降15.8‰。

天蓋海子以F1斷層為界，斷層北西側(cè)為T1yn弱巖溶化地層或相對隔水地層，為海子的補(bǔ)給區(qū)域；斷層南東盤為P2m地層出露區(qū)域，P2m為強(qiáng)巖溶地層，存在一系列的溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等典型巖溶現(xiàn)象，天蓋海子天然條件下的排泄通道位于F1斷層南東盤的P2m地層內(nèi)，枯水期天蓋小河通過天蓋海子?xùn)|側(cè)陡壁腳的落水洞潛入地下，汛期天蓋海子蓄水后(每年的5月底或6月初至當(dāng)年的12月左右)，庫水從斷層南東盤多個(gè)通道(落水洞、溶洞、洼地、巖溶裂隙等)排泄。天蓋海子地下水補(bǔ)給、排泄及滲漏帶分布示意見圖1。

天蓋海子周邊埡口(鞍部)地形最低高程1 448.00 m左右，洼地底部最低高程1 402.21 m(消水點(diǎn)高程1 401.01 m)，洼地底部由于長期的淤積作用，地形平緩。每年進(jìn)入汛期后(5月底或6月初)，洼地被水淹沒，形成一天然的季節(jié)性水庫，至9月主汛期結(jié)束，水面逐漸消落，一般在12月左右，水體基本上消落見底，豐水年洼地的淹沒時(shí)間可持續(xù)至次年的3月底，甚至出現(xiàn)水體未完全消落就再次被淹沒的情況。

2 研究方法

研究區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶洼地及落水洞遍布，巖溶管道錯(cuò)綜復(fù)雜，無法通過實(shí)測巖溶管道水力要素方式計(jì)算其泄流能力。天蓋海子為封閉型巖溶洼地，周邊埡口(鞍部)地形最低點(diǎn)較洼地底部高約50 m，為一“天然水庫”?？蓪⑻焐w海子看成“水庫”，巖溶管道視為“泄水建筑物”，結(jié)合調(diào)查的歷史洪水，通過調(diào)洪試算確定巖溶管道過流能力；然而，天蓋海子每年被淹，淹沒持續(xù)時(shí)間約5～10個(gè)月。

為此，本文采用汛期徑流水量平衡方法，以調(diào)查到的淹沒最高水位和淹沒持續(xù)時(shí)間為控制條件，試算確定天蓋海子巖溶管道泄流能力。

3 泄流能力分析

天蓋海子所在天蓋河為山區(qū)雨源型河流，徑流、洪水均由降水形成，降水徑流特性基本一致，洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上漲歷時(shí)短等特點(diǎn)。流域內(nèi)無實(shí)測水文資料，徑流洪水根據(jù)降水資料推求。

3.1 庫容曲線

天蓋海子庫容曲線采用1∶2 000矢量地形圖量算所得，高程系統(tǒng)為黃海系統(tǒng)，水位～庫容關(guān)系曲線見圖2。

圖2 天蓋海子庫容曲線

3.2 設(shè)計(jì)洪水成果

天蓋河流域缺乏實(shí)測洪水資料，設(shè)計(jì)洪水采用暴雨推求[6～8]，計(jì)算公式采用《貴州省特小流域暴雨洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(1993年1月)。即

(1)

式中，Qp為洪峰流量，m3/s；f為流域形狀系數(shù)；J為坡降；F為設(shè)計(jì)流域集水面積，km2；C3為洪峰徑流系數(shù)；r1為匯流參數(shù)的非幾何特征系數(shù)；H24p為設(shè)計(jì)頻率P對應(yīng)的年最大24 h點(diǎn)雨量，mm。

設(shè)計(jì)洪水總量采用“扣損法”計(jì)算而得，洪水總量計(jì)算如下

Wmp=0.1h24p×F

(2)

h24p=H24pf-(Hs+ΔHs)

(3)

式中，Wmp為洪量，萬m3；H24pf為流域平均雨量，mm；h24p為設(shè)計(jì)洪水徑流深，mm；Hs為穩(wěn)定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。

設(shè)計(jì)洪水過程線采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》中洪水形狀系數(shù)ρ為0.25的(二)類概化線推求，漲水面積率α0為23.9%。天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果見表1、設(shè)計(jì)洪水過程線見圖3。

表1 天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果

圖3 天蓋海子設(shè)計(jì)洪水過程線

3.3 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查，天蓋海子每年被淹，每年洪水位維持在1 415.00 m及以上，最高淹沒水位為1 420.00 m(1988年)，2017年為近十年最高淹沒水位1 417.50 m，結(jié)合流域暴雨洪水特性、周邊雨量站點(diǎn)實(shí)測暴雨資料及調(diào)查情況，歷史洪水調(diào)查成果見表2。

表2 天蓋海子歷史洪水調(diào)查成果

根據(jù)表2可知，調(diào)查的歷史洪水位對應(yīng)庫容均大于相應(yīng)重現(xiàn)期次洪水24 h洪量，表明天蓋海子最高淹沒水位由多場次洪水疊加形成，僅單場洪水通過調(diào)洪演算無法推求巖溶管道泄流能力。

3.4 設(shè)計(jì)徑流成果

天蓋河流域無實(shí)測徑流資料，由于流域內(nèi)徑流由降水形成且降水徑流特性一致，徑流采用降水徑流同頻相應(yīng)法推求[9～10]，天蓋海子汛期徑流成果見表3。

表3 天蓋海子汛期徑流成果 萬m3

3.5 泄流能力分析

根據(jù)調(diào)查的歷史洪水成果分析可知，天蓋海子最高淹沒水位由多場次洪水疊加形成，按汛期水量平衡控制推求巖溶管道泄流能力更為合理。

由于巖溶管道形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性，使得流體在其運(yùn)移過程復(fù)雜。為了簡化，結(jié)合調(diào)查的歷史淹沒水位，將天蓋海子巖溶管道泄流曲線分為3段(1 401～1 415 m、1 415～1 417.5 m，1 417.5～1 420 m)，假定各段泄流能力是均勻增加的，據(jù)此采用汛期水量平衡原理試算巖溶管道泄流能力。

分別以P=95%、1988年、2017年汛期徑流作為天蓋海子來水，以假定的巖溶管道泄流能力作為天蓋海子泄流通道，以相應(yīng)的淹沒最高水位和淹沒持續(xù)時(shí)間作為控制條件，試算確定各段巖溶管道泄流能力。

經(jīng)水量平衡試算分析，天蓋海子巖溶管道泄流能力成果見表4。

表4 天蓋海子巖溶管道泄流能力成果

根據(jù)表4可以看出，天蓋海子巖溶管道泄流能力隨著高程的增加而加大，且增加幅度逐漸增大，主要由于隨著高程增加，海子庫水面增大，巖溶管道增多，相應(yīng)泄流能力也隨之增大。

4 結(jié) 論

(1)巖溶管道具有形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性及流體運(yùn)移復(fù)雜性等特點(diǎn)，無法通過實(shí)測巖溶管道水力要素計(jì)算其泄流能力，可將巖溶洼地看作“水庫”，巖溶管道視為“泄水建筑物”，通過水量平衡試算確定。

(2)針對缺乏實(shí)測水位流量資料、滯洪時(shí)間長、淹沒最高水位由多場洪水造成的巖溶洼地，巖溶管道泄流能力計(jì)算無法通過單場次洪水調(diào)洪演算推求，可采用汛期徑流通過水量平衡調(diào)節(jié)試算確定。

(3)根據(jù)歷史洪水調(diào)查分析可知，天蓋海子每年淹沒最高水位由多場次洪水疊加形成，采用汛期海子水量平衡試算確定的巖溶管道泄流能力與水文地質(zhì)調(diào)查成果基本一致。實(shí)踐證明，基于水量平衡試算確定巖溶管道泄流能力是可靠的，對缺乏實(shí)測水位流量資料、滯洪時(shí)間長的巖溶洼地泄流能力分析具有指導(dǎo)意義。