關于巖溶地區非閉合小流域工程水文分析計算的探討

涂顯江

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

貴州省境內大面積為碳酸質巖層分布，廣泛發育著各種類型的巖溶地貌，境內峰叢山地、洼地、落水洞、干溝、伏流等形態眾多，造成地表分水嶺與地下分水嶺不一致，使地表徑流與地下徑流關系復雜，對中小河流水文規律影響較大，在巖溶山區，如何用很少的水文站資料，來分析整個區域的水資源時空變化規律，的確是一個值得深入研究的課題。近年來隨著扶貧攻堅的不斷深入，綠水青山的提出，生態旅游的發展，貴州將修建較多的中小型水利工程，因此，做好巖溶山區非閉合小流域工程水文分析計算非常必要，本文以對門坡水庫工程非閉合流域水文分析計算為例對巖溶山區非閉合小流域工程水文分計算進行闡述。

1　基本情況

對門坡水庫位于貴州省黔西南州興義市威舍鎮境內銅廠溝河上，對門坡水庫位于銅廠溝河下游，根據1/10 000地形圖量算，結合對流域內泉水S01巖溶匯水區集水面積分析。對門坡水庫壩址以上集水面積9.14 km2，其中明流區S1集水面積3.75 km2，閉流區閉合流域S2集水面積3.69 km2，閉流區非閉合流域S3集水面積1.70 km2(地下徑流部分進入對門坡水庫，地表徑流部分流出水庫外，地下徑流下滲率0.15)。明流區集水面積3.75 km2，主河道長3.15 km，總落差630.8 m，主河道平均比降為112.6‰。

2　徑流計算

2.1　壩址徑流計算

工程流域位于興義市的西北角，查《貴州省水資源綜合規劃——水資源及其開發利用現狀調查評價附圖》設計流域多年平均降水量1400 mm，徑流深700 mm，年徑流變差系數Cv=0.30，設計流域徑流系數0.5。根據所作的降水分析成果，設計流域多年平均降水量1400 mm，降水變差系數Cv=0.18，徑流系數0.5，則得本工程多年平均徑流深為700 mm，與設計流域等值線圖基本一致。則對門坡水庫壩址天然徑流量為557.00萬m3。

壩址處歷年年徑流量采用降水徑流頻率相應法計算所得，徑流年內分配按降水年內分配加基流控制把年徑流分配到各月，并進行枯水控制。根據枯水分析成果，對門坡水庫最小月(P=95%)枯水控制徑流量5.16萬m3(合19.9 L/s)。對計算的徑流成果進行枯期控制，水庫壩址以上流域枯水徑流采用查《貴州省河流枯水調查與統計分析》等值線圖，月平均枯水模數為4.0 L/(s·km2)，最小月P=95%枯水流量控制模數取2.51 L/(s·km2)，(P=95%)枯水控制徑流量5.16萬m3，徑流年內分配按降水年內分配加基流控制把年徑流分配到各月。壩址處各頻率設計徑流[1]成果見表1。

表1　對門坡水庫壩址徑流計算成果表(降水徑流同頻率相應法)

2.2　枯水分析

2014年6月5日和2017年4月17日貴州省水利水電勘測設計研究院有關工作人員對對門坡水庫壩址處進行枯水調查，由于該河道水質較好，該河流下游居民生活用水均從銅廠溝上游引水，據居住在壩址下游火把寨的老百姓說：“銅廠溝河水枯期流量較穩定，每年最枯的時間為春節前后(大概為2月份)。”銅廠溝河上游有3～4根φ6 cm～φ10 cm的PVC引水管，根據訪問當地村民，該引水管引水均為附近村民的生活飲用水，這也說明該河道流量比較穩定，水質較好，豐枯變化較小。經實測，壩址處2016年1月8日—2016年3月20日期間實測最小流量為30 L/s，泉水出露點處的實測流量為24 L/s，根據現場調查2015—2016年枯季壩址來水為偏豐年份，歷年最枯日流量為2016年1月8日—2016年3月20日期間實測最小流量的60%～70%，壩址處最枯日流量按實測最小流量的65%計為19.5 L/s。

查《貴州省枯水調查等值線圖》成果，水庫壩址以上流域最枯月P=50%枯水流量模數4 L/(s·km2)，流域最小月枯水模數Cv=0.3，Cs/Cv=2.5，則設計流域最小月枯水模數為2.51 L/(s·km2)。水庫壩址處有效集水面積為7.95 km2則水庫壩址最小月(P=95%)徑流量5.16萬m3(合19.9 L/s)。

2.3　徑流成果合理性分析

(1)設計流域多年平均降水量1400 mm，多年平均徑流深700 mm，徑流變差系數Cv=0.30，與《貴州省地表水資源》和《貴州省水資源綜合規劃——水資源及其開發利用現狀調查評價附圖》上的有關等值線圖基本一致，符合地區分布規律[2]，徑流成果基本合理。

(2)枯水。水庫壩址徑流設計成果最小月多年平均流量8.23萬m3(合31.8 L/s)，最小月(P=95%)流量為5.16萬m3，壩址處有效集水面積7.95 km2，則最小月多年平均流量模數為4 L/(s·km2)，最小月(P=95%)流量模數為2.51 L/(s·km2)。本階段枯水流量設計成果與《貴州省枯水調查等值線圖》成果及枯水調查成果基本一致，枯水設計成果合理，符合地區分布規律。

(3)徑流年內分配。水庫壩址以上多年平均徑流量557.00萬m3，豐水期(5—8月)徑流量364萬m3，占全年徑流量的65.4%，枯水期(11月—次年4 月)徑流量89.30萬m3，枯水期徑流量占全年徑流量的16%，設計成果年內分配與地區徑流特性基本一致。綜上分析，從徑流深、徑流Cv、枯水、年內分配上看，本次計算成果合理。

3　洪水計算

對門坡水庫壩址以上集水面積9.14 km2，其中明流區集水面積3.75 km2，閉流區閉合流域集水面積3.69 km2，閉流區非閉合流域集水面積1.7 km2。對門坡水庫集水面積由明流區集水面積、閉流區閉合流域集水面積、閉流區非閉合流域集水面積組成。閉流區非閉合流域地表徑流較發育，地表徑流流入木浪河，地下徑流流入對門坡水庫，閉流區非閉合流域洪水通過地表徑流排入木浪河，進入地下徑流部分基本不形成洪水，對門坡水庫洪水組成由明流區洪水和閉流區閉合流域洪水組成。本次洪水計算分別計算明流區洪水和閉流區閉合流域洪水。

3.1　明流區設計洪水

對門坡水庫所在的銅廠溝河流域無實測洪水資料，壩址明流區設計洪水采用雨洪法計算[3]。

(1)流域參數。有關流域參數從1/萬地形圖上量取，壩址以上流域面積3.75 km2，主河道長3.15 km，主河道平均比降112.6‰。

(2)暴雨參數。本階段確定壩址最大24 h降水量均值為100 mm，Cv為0.5，Cs/Cv為3.5，壩址最大1 h降水量均值為47 mm，Cv取0.4，Cs/Cv為3.5。

(3)產匯流系數。本流域屬于高原山地峽谷地區，植被一般，明流區巖溶不發育，故適用的分區為Ⅱ2區，由于水庫設計流域屬于高山峽谷地區，r1取Ⅱ2區上限0.4；洪峰徑流系數C取均值，取值范圍為0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

(4)壩址設計洪水計算。本流域屬無資料地區，壩址設計洪水采用《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》(修訂本)上的“雨洪法”進行計算。

根據“雨洪法”計算公式及相關參數計算，得到壩址斷面設計洪水成果，不同頻率設計洪水計算成果見表2。設計洪水過程線采用“手冊”中的概化洪水過程線坐標推算，并為洪水調節計算所采用，明流區計算洪水成果見表2。

表2　對門坡水庫壩址明流區設計洪水成果表

3.2　閉流區設計洪水

根據《貴州省特小流域暴雨洪水計算》[4]，對門坡水庫壩址閉流區集水面積均為3.69 km2，對門坡水庫閉流區洪峰流量及洪水總量采用式(1)、式(2)計算：

(1)

Wp=C·φ·H24P·F閉

(2)

式中：QP閉為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；φ為暴雨點面折減系數，1；H24P為設計24 h暴雨，mm；F閉為閉流區集水面積，3.69 km2；T為經調蓄后的洪水總歷時，1d；WP為閉流區一場洪水總量，萬m3；C為洪峰徑流系數，取值范圍為0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

經計算得閉流區不同頻率設計洪水成果，設計洪水過程線其漲水歷時ta和退水歷時(T-ta)的比例選定為(T-ta)/ta=4，洪水過程線采用簡化三角形過程，對門坡水庫閉流區設計洪水成果(表3)。根據現場調查的歷史洪水洪水資料，泉水出露點約50 a一遇洪峰流量為12.6 m3/s，與該計算成果基本一致。

表3　對門坡水庫壩址閉流區設計洪水成果表

3.3　壩址設計洪水

對門坡水庫集水面積由明流區集水面積、閉流區閉合流域集水面積、閉流區非閉合流域集水面積組成。閉流區非閉合流域地表徑流較發育，地表徑流流入木浪河，地下徑流流入對門坡水庫，閉流區非閉合流域洪水通過地表徑流排入木浪河，進入地下徑流部分基本不形成洪水，對門坡水庫洪水組成由明流區洪水和閉流區閉合流域洪水組成。本次壩址設計洪水采用明流區洪水+閉流區閉合流域洪水，閉流區出口S1泉點距壩址0.8 km，泉點距離壩址較近，洪水傳播時間可忽略不計，根據明流區和閉流區的設計洪水成果及其洪水過程線，將明流區和閉流區的洪水進行疊加得到對門坡水庫的總設計洪水，見表4。

表4　對門坡水庫壩址設計洪水成果表

3.4　洪水成果合理性分析

總的來說，從暴雨統計參數來看，以興義氣象站為參證站，并結合貴州省最新的有關暴雨等值線圖；壩址P=0.2%～20%洪峰模數為33.1～12.7 m3/(s·km2)，面積比指數0.67，明流區3.75 km2+閉流區閉合流域3.69 km2，壩址閉流區占設計流域的49.6%，符合流域特性及地區規律。

根據調查的1997年的歷史洪水，其重現期為50 a一遇，壩址處50 a一遇洪峰流量為86.3 m3/s，壩址50 a一遇的天然設計洪峰流量為88.2 m3/s，與歷史洪水相差不大，說明設計洪水成果是合理的。

綜上所述，洪水成果符合流域的暴雨特性和流域特征，洪水成果基本合理。

4　泥沙計算

對門坡水庫壩址河段無實測懸移質和推移質泥沙資料。參考貴州省《地表水資源懸移質多年平均年輸沙模數分區圖》并結合現場實際調查，水庫多年平均懸移質輸沙模數為500 t/(km2·a)，明流區推移質考慮加入20%，閉流區泉水出口水質較清澈，閉流區只考慮懸移質輸沙，泥沙容重為1.3 t/m3，閉流區懸移質輸沙量按有效地下集水面積計算。

對門坡水庫壩址以上明流區流域面積為3.75 km2，閉流區閉合流域面積3.69 km2，閉流區非閉合流域面積1.7 km2，下滲率0.15，閉流區懸移質輸沙量按有效地下集水面積4.2 km2計算，經計算，對門坡水庫壩址多年平均來沙量0.435萬t，其中，推移質輸沙量0.0375萬t，懸移質輸沙量0.3975萬t，多年平均懸移質含沙量0.71 kg/m3，多年平均懸移質輸沙率為0.126 kg/s。