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        黔中強(qiáng)巖溶區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法簡析

        2022-06-22 11:39:16李斐波
        吉林水利 2022年2期
        關(guān)鍵詞:落水洞壩址巖溶

        李斐波

        (貴州三策工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,貴陽 550081)

        1 流域概況

        關(guān)嶺縣地處黔中區(qū)域西南部,為云高原向南東傾斜的斜坡地帶,地勢總體西北高、東南低,巖溶地貌較為發(fā)育,漏斗、洼地、谷地、盲谷、溶洞等到處可見。戈林水庫所在的花江河屬珠江流域北盤江水系打幫河一級右支流,發(fā)源于關(guān)嶺縣境內(nèi),河流自西北向東南分別流經(jīng)小翁寨、新寨,在發(fā)沖寨進(jìn)入伏流(K4潛伏高程約1 352m),經(jīng)發(fā)沖暗河后在殷家洞出露,其出水點(diǎn)為S12泉(出露高程約1 179m),出露后的河流流經(jīng)花江鎮(zhèn)、白石培,7.9km后在戈林再次進(jìn)入伏流(K1潛伏高程約1 068m),經(jīng)約400m暗河后在SⅠ區(qū)S1泉出露(位于壩址上游約1.9km,高程約1 057m),河流流經(jīng)烙烘、干壩,在壩址下游約7.2km處的水淹壩再次進(jìn)入伏流,經(jīng)地下暗河后在許凹村出露,最終匯入打幫河(如圖1所示)。

        圖1 設(shè)計(jì)流域流域水系圖

        戈林水庫壩址位于S1泉—水淹壩入伏口的明流河段上,壩址距離S1泉出露點(diǎn)約1.9km,壩址以上流域面積為41.03km2,由四個(gè)集雨分區(qū)組成,其中SⅠ區(qū)為壩址自身地表集雨面積,SⅡ區(qū)、SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)為閉流區(qū)集雨面積,為閉合流域。根據(jù)地質(zhì)勘測調(diào)查,水庫庫區(qū)補(bǔ)給源主要有3個(gè)方面,一是花江河在該段地表分水鄰以內(nèi)集雨區(qū)(明流區(qū)SⅠ)的大氣降水補(bǔ)給,該部分明流區(qū)面積2.36km2;二是S1泉水;三是S2泉水群(SⅡ)。其中:S1泉水是花江河經(jīng)戈林潛伏形成,其補(bǔ)給源又分為花江集鎮(zhèn)片區(qū)地表集雨區(qū)(閉流區(qū)SⅢ,該區(qū)面積14.44km2)和S12補(bǔ)給區(qū)(閉流區(qū)SⅣ);S2泉水群為關(guān)牛洞巖溶水文流動系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)(閉流區(qū)SⅡ,該區(qū)面積9.58km2)。戈林水庫設(shè)計(jì)流域參數(shù)特征如表1所示。

        表1 戈林水庫設(shè)計(jì)流域參數(shù)特征表

        2 暴雨洪水特性

        花江河設(shè)計(jì)流域?yàn)樯絽^(qū)雨源型河流,洪水由暴雨形成,形成暴雨的主要天氣類型是冷鋒低槽和兩高切變類。因降雨量集中、強(qiáng)度大,產(chǎn)生的洪水洪峰洪量集中,由于區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,溶洞、洼地、地下伏流眾多,有明顯的滯洪作用,洪水經(jīng)多次削峰后,洪峰量級不大,但洪水持續(xù)時(shí)間較長。總體而言,流域內(nèi)的巖溶洼地對該區(qū)的洪水還是有較明顯的消峰作用。根據(jù)關(guān)嶺氣象站實(shí)測降雨資料分析,設(shè)計(jì)流域暴雨天氣一般發(fā)生在每年的5—8月,發(fā)生幾率79.4%,夏季常有日降水量在100mm以上的大暴雨出現(xiàn)。

        3 設(shè)計(jì)洪水

        3.1 設(shè)計(jì)暴雨

        戈林水庫所在設(shè)計(jì)流域有花江雨量站,臨近有關(guān)嶺氣象站。本次統(tǒng)計(jì)關(guān)嶺氣象站1959—2016年實(shí)測最大一日暴雨量資料,得其統(tǒng)計(jì)參數(shù)為:H1日=101.9mm,Cv=0.44,Cs=3.5Cv;統(tǒng)計(jì)花江雨量站1964—2016年實(shí)測最大一日暴雨量資料(含插補(bǔ)延長),得其統(tǒng)計(jì)參數(shù)為:H1日=85.2mm,Cv=0.37,Cs=3.5Cv。

        結(jié)合最新的《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》“貴州省年最大24h點(diǎn)雨量均值等值線圖”及“貴州省年最大1h點(diǎn)雨量均值等值線圖”,設(shè)計(jì)流域附近區(qū)域暴雨量級總體上從設(shè)計(jì)流域、花江雨量站向關(guān)嶺氣象站遞增,綜合測站及等值線圖確定設(shè)計(jì)流域暴雨參數(shù)為:H24h=105mm,Cv=0.52,Cs=3.5Cv;H1h=50.0mm,Cv=0.4,Cs=3.5Cv。

        表2 戈林水庫設(shè)計(jì)流域設(shè)計(jì)暴雨成果表 單位:mm

        3.2 設(shè)計(jì)洪水

        本次戈林水庫壩址處設(shè)計(jì)洪水采用“SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水”過程線+“閉流區(qū)地下洪峰流量計(jì)算公式的S1泉水處洪水”過程線的錯峰疊加后的成果。設(shè)計(jì)流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的公式及產(chǎn)匯流參數(shù)在《貴州省暴雨洪水計(jì)算手冊(修訂本)》上據(jù)需查取。

        (1)SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水

        SⅡ區(qū)集雨面積為9.58km2,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,洼地遍布,根據(jù)地勘調(diào)查,該巖溶系統(tǒng)主要有西北-東南向的串珠狀洼地組成,地表河流不長,其地表水入口(落水洞、洼地)眾多,巖溶泉出口分散分布在SⅠ區(qū)壩址上游左岸S2泉水群區(qū)域,并非集中的泉水出口。據(jù)地勘調(diào)查,眾多落水洞基本不發(fā)生雍水現(xiàn)象,巖溶通道過水通暢,無法調(diào)查SⅡ閉流區(qū)的一次洪水從起漲到消退的時(shí)間,即對SⅠ區(qū)、SⅡ區(qū)洪水計(jì)算時(shí)無法按照“閉流區(qū)+明流區(qū)”的方法進(jìn)行計(jì)算。因此,本次SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)洪水計(jì)算按全流域面積進(jìn)行計(jì)算。

        設(shè)計(jì)流域以丘山為主,強(qiáng)巖溶,植被較差,產(chǎn)匯流分區(qū)定為Ⅰ2區(qū),r1取值0.24,洪峰徑流系數(shù)C取均值,暴雨衰減指數(shù)n2=0.70,Δn2為Ⅵ區(qū)[2]。據(jù)此,計(jì)算得到SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域設(shè)計(jì)洪水成果如表3。

        表3 戈林水庫壩址以上(SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域)設(shè)計(jì)洪水成果

        (2)S1泉水設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        設(shè)計(jì)流域閉流區(qū)SⅣ區(qū)集雨面積14.65km2,河流從K4落水洞處經(jīng)發(fā)沖暗河在SⅢ區(qū)出露,其集中出水點(diǎn)為S12,位于閉流區(qū)SⅢ區(qū) (集雨面積14.44km2)殷家洞處,流經(jīng)花江鎮(zhèn)后在K1落水洞處與SⅢ區(qū)洪水經(jīng)約400m暗河在SⅠ區(qū)出露,其集中出水點(diǎn)為S1。

        A.SⅣ區(qū)(集中出水點(diǎn)為S12)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        根據(jù)前述確定的參數(shù),計(jì)算得到SⅣ區(qū)設(shè)計(jì)流域洪峰流量成果,見表4。

        表4 K4(SⅣ區(qū)設(shè)計(jì)流域)設(shè)計(jì)洪水成果

        根據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查,K4落水洞處年年受淹,最長淹沒時(shí)間長達(dá)大半個(gè)月,小量級洪水也淹沒10天左右。本次依據(jù)2001年、1993年、常年洪水調(diào)查成果(洪峰、洪量、洪水位等,見表5)以及出露點(diǎn)S12泉水相應(yīng)歷史出露泄流量,得到SⅣ區(qū)K4落水洞洪水位和下泄流量數(shù)據(jù)擬合加密水位-泄流量關(guān)系成果,再對閉流區(qū)SⅣ區(qū)各頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算,即可得到集中出露點(diǎn)S12處的設(shè)計(jì)洪水過程線,S12處設(shè)計(jì)洪水成果見表6。

        表5 K4落水洞處歷史洪水調(diào)查成果表

        表6 S12(SⅣ區(qū)設(shè)計(jì)流域)設(shè)計(jì)洪水成果表

        B.SⅢ區(qū)(集中出水點(diǎn)為S1)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        SⅢ區(qū)集雨面積14.44km2,河流流經(jīng)花江鎮(zhèn)、白石培,在K1落水洞處進(jìn)入伏流,在SⅠ區(qū)出露,其集中出水點(diǎn)為S1。根據(jù)前述確定的參數(shù),計(jì)算得到SⅢ區(qū)設(shè)計(jì)流域洪峰流量成果,見表7。

        本次K1落水洞設(shè)計(jì)洪水過程線采用閉流區(qū)SⅢ區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果(見表7)與閉流區(qū)SⅣ區(qū)出露點(diǎn)S12設(shè)計(jì)洪水成果錯峰疊加得到。考慮S12出水點(diǎn)與閉流區(qū)SⅢ區(qū)K1落水洞處距離7.9km,區(qū)間河段比降不大且S12出露流量小,按1h錯峰時(shí)間計(jì)算,得到K1落水洞設(shè)計(jì)洪水成果,見表8。

        K1(SⅢ區(qū)設(shè)計(jì)流域——不含SⅣ區(qū))設(shè)計(jì)洪水成果表表7

        表8 K1(SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)之和)設(shè)計(jì)洪水成果表

        根據(jù)現(xiàn)場訪問調(diào)查,K1落水洞處常年受淹,小洪水時(shí)淹沒約2天,大洪水時(shí)淹沒約4天,擬定SⅢ區(qū)淹沒時(shí)間在2—4天間變動。本次依據(jù)2001年、1993年、常年洪水調(diào)查成果(洪峰、洪量、洪水位等,見表9)以及出露點(diǎn)S1泉水相應(yīng)歷史出露泄流量,得到SⅢ區(qū)K1落水洞洪水位和下泄流量數(shù)據(jù)擬合加密水位-泄流量關(guān)系成果,再對K1落水洞各頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算,即可得到集中出露點(diǎn)S1處的設(shè)計(jì)洪水過程線,S1處設(shè)計(jì)洪水成果見表10。

        表9 K1落水洞處歷史洪水調(diào)查成果表

        表10 S1(SⅢ區(qū)、SⅣ區(qū)之和)設(shè)計(jì)洪水成果表

        (3)壩址處設(shè)計(jì)洪水

        S1出水點(diǎn)位于壩址上游約1.9km處,區(qū)間河段比降較大且洪量不小,計(jì)算傳播至壩址的時(shí)間為0.21h,由于洪水傳播時(shí)間較短,從偏安全角度考慮,本處設(shè)計(jì)洪水不考慮錯峰時(shí)間,因此戈林水庫壩址設(shè)計(jì)洪水過程線為“SⅠ區(qū)+SⅡ區(qū)全流域洪水”過程線與“S1泉水設(shè)計(jì)洪水”過程線的疊加,其洪水成果見表11。

        表11 戈林水庫壩址處設(shè)計(jì)洪水成果表

        4 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

        從暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)來看,以關(guān)嶺氣象站為主要參證站,暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)與《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》中相關(guān)等值線圖是吻合的。從與歷史洪水成果比較看,2001年歷史洪水重現(xiàn)期為60年一遇,相應(yīng)頻率下殷家洞(S12)處歷史洪水調(diào)查流量為3.22m3/s,采用閉流區(qū)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算的相應(yīng)頻率的洪峰流量為3.12m3/s,與S12設(shè)計(jì)洪水成果僅相差3.11%;出水點(diǎn)S1處歷史洪水調(diào)查流量為23.9m3/s,采用洪水調(diào)節(jié)計(jì)算的相應(yīng)頻率的洪峰流量為25.0m3/s,與S1設(shè)計(jì)洪水成果相差僅4.40%;戈林水庫壩址處歷史洪水調(diào)查流量為146m3/s,與本次計(jì)算相應(yīng)頻率洪峰流量140m3/s相差僅4.11%,各歷史洪水成果與計(jì)算的洪水成果相差均不大。綜上,可認(rèn)為本次戈林水庫壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分區(qū)區(qū)劃可行,疊加計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水過程合理,其設(shè)計(jì)洪水成果也符合流域的暴雨特性及流域洪水特征。

        5 結(jié)論

        (1)對復(fù)雜強(qiáng)巖溶地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)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(jì)算分區(qū),使復(fù)雜巖溶區(qū)域設(shè)計(jì)洪水疊加計(jì)算過程更具合理性。

        (2)設(shè)計(jì)流域巖溶通道具有不規(guī)則性,泄流能力隨落水洞水位增加而加大,但增加幅度不大。巖溶通道無法通過實(shí)測其水力要素計(jì)算得到其泄流能力,可將落水洞洼地看作“水庫”,巖溶通道視為“泄水建筑物”,依據(jù)數(shù)次歷史洪水調(diào)查得到的洪峰、洪量、洪水位、出露點(diǎn)泄流量等要素資料,采用水量平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)試算確定。本次S12、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),即基于水量平衡試算確定巖溶通道泄流能力是可靠的。因此,本次計(jì)算方法對復(fù)雜巖溶地區(qū)缺乏實(shí)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)戈林水庫壩址處的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,結(jié)合設(shè)計(jì)流域洪水產(chǎn)匯過程,各分區(qū)靈活采用錯時(shí)疊加S12泉水、S1泉水的調(diào)洪演算出流過程,推算壩址處設(shè)計(jì)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(jì)算方法更為嚴(yán)謹(jǐn),較采用全流域計(jì)算或僅考慮泉水均勻出流過程計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果更為合理?!?/p>

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