基于水量平衡的溶蝕洼地水庫滯洪庫容的研究

李大成，范國福，龔蘭強，高朝榮，安莉娜

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

溶蝕洼地是巖溶地區一種典型地貌形態，是以碳酸鹽為主的地層發育的一種四周高中間低的負地形，伴隨著巖溶管道系統的形成而形成，分布于峰叢或峰林之間，呈封閉或半封閉狀[1]。溶蝕洼地底部較低、分水嶺較高，似天然庫盆，集水條件好，易匯集周圍徑流，天然成庫條件好[2]。利用有利地形，通過堵截溶蝕洼地或盲谷中的落水洞或伏流進出口形成水庫，是蓄存、調節及合理利用水資源的有效方法[3]。溶蝕洼地無壩成庫為我國西南巖溶地區主要的水利工程形式之一，具有工程投資少、施工工期短、施工方便等優點，但也有地勢低洼、四周無低凹埡口、巖溶管道過流能力小、開辟新排洪通道技術復雜且投資大、遇暴雨易形成洪澇災害等劣勢[2]。

目前，關于溶蝕洼地無壩成庫的研究主要集中在成庫地質論證、巖溶管道堵截、防滲處理方法等方面。鄭捷[4]結合地下水動力學法和三維數值模擬法計算雙龍水庫滲漏量，確定最優垂直防滲深度，提出了水庫防滲工程的優化設計方案建議。趙攀峰等[5]結合鹿角壩水庫水文地質條件，對復雜滲漏管道及深大暗河封堵的施工工藝進行了研究。楊元紅等[6]根據馬鞭田水庫實際地形地質條件和巖溶及滲漏通道情況，研究防滲堵漏建筑物形式，設置雙層多排帷幕灌漿進行防滲，在地下滲漏主通道上設置混凝土堵頭封堵。然而，現階段尚未有巖溶管道泄流能力不足且難以開辟新排洪通道的溶蝕洼地水庫滯洪庫容相關研究，科學合理地確定其滯洪庫容，對保障庫區防洪安全具有重要意義。

本文以安龍縣天蓋水庫為例，基于水庫汛期來泄水水量平衡，結合歷史洪水調查成果，綜合確定水庫滯洪庫容，為類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

天蓋水庫位于安龍縣海子鎮，為天蓋海子通過防滲處理無壩成庫。天蓋海子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30～50 m，首部寬130～300 m。天蓋小河自西向東流經洼地底部，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，為岔河暗河系統的源流之一。消水點以上流域集水面積29.68 km2，主河道長8.12 km，平均坡降1.58%。

天蓋海子以F1斷層為界，斷層北西側為T1yn弱巖溶化地層或相對隔水地層，為海子的補給區域；斷層南東盤為P2m地層出露區域，P2m為強巖溶地層，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，枯水期天蓋小河通過天蓋海子東側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月初至當年的12月左右)，庫水從斷層南東盤多個通道(落水洞、溶洞、洼地、巖溶裂隙等)排泄。

天蓋水庫的工程任務為供水、灌溉及生態文明建設等綜合利用，主要包括水源工程和供水工程。水源工程主要由帷幕灌漿、貼坡防滲、泄洪放空洞組成；供水工程包括提水泵站、輸水線路兩部分。

天蓋水庫四面環山，西面坡緩且為來水方向，其余三面山高坡陡，僅能采用泄洪隧洞進行泄洪。若按常規泄洪隧洞考慮，需布置長達約10 km的泄洪洞，將洪水排泄至下游岔河，此方案工程量巨大，且沿途巖溶極其發育，施工難度大，巖溶等不可控地質因素復雜，施工工期長，技術操作復雜，投資經濟性差。由于天蓋水庫為無壩的非常規水庫，庫區為天然溶蝕洼地，庫盆巨大，充分利用原有巖溶管道的泄流能力，考慮汛期滯蓄一部分洪水，選擇連通巖溶管道的泄洪放空洞作為泄水建筑物，利用原巖溶管道進行泄水，通過合理調度運行，可有效保障庫區防洪安全。因此，科學合理地確定滯洪庫容是保障天蓋水庫工程庫區防洪安全、社會經濟效益充分發揮的關鍵因素。

2 研究方法

天蓋水庫通過對排泄(滲漏)區域進行帷幕灌漿加以封堵形成水庫，由于開辟新的排洪通道具有技術難度大、投資不經濟等缺點，同時考慮庫區適量的淹沒移民搬遷以滯蓄部分洪水，利用原有巖溶管道進行泄流，以保障庫區防洪安全。根據水文地質調查分析，原巖溶管道泄流能力較小，無法及時排走洪水，可能上一場洪水未消退完，第二場洪水已來臨，結合歷史洪水調查成果，天蓋海子每年淹沒最高水位與最大滯洪量基本由多場次洪水疊加形成，若僅考慮單場次洪水扣除原巖溶管道下泄水量后剩余洪水量滯蓄在庫中，顯然是不安全的。天蓋海子缺乏實測水位、流量資料，無法分析多場次洪水組合情況，基于水庫汛期來泄水水量平衡原理，結合歷史洪水調查成果，采用長系列資料進行調節計算分析，綜合確定水庫滯洪庫容。

3 滯洪庫容的研究

天蓋水庫所在天蓋河為山區雨源型河流，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、上漲歷時短等特點。流域內無實測水文資料，徑流計算采用降水徑流同頻相應法，洪水采用“雨洪法”計算。

3.1 庫容曲線

天蓋水庫庫容曲線采用1∶2000矢量地形圖量算所得，高程系統為黃海系統，水位～庫容關系曲線見圖1。

圖1 天蓋水庫水位～庫容關系曲線

3.2 設計洪水成果

天蓋河流域缺乏實測洪水資料，設計洪水采用暴雨推求[7-9]，計算公式采用《貴州省特小流域暴雨洪水計算標準》(1993年1月)中式(20)。即

(25≤F<50)

(1)

式中，Qp為洪峰流量，m3/s；f為流域形狀系數；J為坡降；F為設計流域集水面積，km2；C3為洪峰徑流系數；r1為匯流參數的非幾何特征系數；H24p為設計頻率P對應的年最大24 h點雨量，mm。

設計洪水總量采用“扣損法”計算而得，即

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為設計洪水徑流深，mm；Hs為穩定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。

設計洪水過程線采用《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》中洪水形狀系數ρ為0.25的(二)類概化線推求，漲水面積率α0為23.9%。天蓋海子設計洪水成果見表1，設計洪水過程線見圖2。

表1 天蓋海子設計洪水成果

圖2 天蓋水庫設計洪水過程線

3.3 歷史洪水調查

根據現場訪問調查，天蓋海子受巖溶管道泄流能力限制，每年汛期都會淹沒形成一天然的季節性水庫，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10年最高淹沒水位1 417.50 m，結合流域暴雨洪水特性、周邊雨量站點實測暴雨資料及調查情況，歷史洪水調查成果見表2。

從表2可知，調查的歷史洪水位對應庫容均大于相應重現期單場次洪水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，水庫滯洪庫容僅考慮單場次洪水是不安全的。

表2 天蓋海子歷史洪水調查成果

3.4 設計徑流成果

天蓋河流域無實測徑流資料，由于流域內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法推求[10-11]，天蓋海子汛期徑流成果見表3。

表3 天蓋水庫汛期設計徑流成果

從表3可知，天蓋水庫汛期水量主要集中在6月～8月，徑流占整個汛期的62.3%，為主汛期，是易形成水庫淹沒最高水位和所需滯洪庫容最大的時段。

3.5 巖溶管道泄流能力

天蓋海子最高淹沒水位由多場次洪水疊加形成，無法采用單場洪水通過調洪演算推求巖溶管道泄流能力。李大成等[12]基于淹沒時段水量平衡，結合歷史洪水成果，以淹沒最高水位和淹沒持續時間為控制條件，推求了天蓋海子巖溶管道泄流能力，成果見表4。

3.6 滯洪庫容分析

天蓋水庫通過帷幕灌漿、貼坡防滲等措施無壩成庫，利用閘門連通庫水和原巖溶管道進行泄流，受巖溶管道泄流能力不足的制約，洪水不能被及時排走，最大滯洪量可能有多場次洪水疊加形成，滯洪庫容不能按單場次洪水考慮，而應考慮整個汛期泄水情況綜合確定。

表4 天蓋海子巖溶管道泄流能力成果

根據天蓋水庫1951年～2017年汛期徑流系列，扣除各時段泄流量(巖溶管道泄流能力采用表4)，可得各對應時段的余水量，篩選出各年最大余水量，即為相應年份最大滯洪量。

水庫入流具有隨機特性，常以獨立隨機變量形式描述，通過水量平衡調節計算所得最大滯洪量也為隨機變量。根據水文計算的實踐經驗可知我國水文隨機變量較為符合皮爾遜III型曲線分布，天蓋水庫入流服從P-III分布，最大滯洪量為水庫入流的嚴格單調函數，根據隨機變量性質，通過調節計算確定的最大滯洪量也滿足P-III分布。

將天蓋水庫1951年～2017年歷年最大滯洪量作為連續實測系列，采用數學期望公式Pm=m/(n+1)×100%計算經驗頻率，矩法初估統計參數初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線目估適線確定統計參數，成果見表5及圖3。

表5 天蓋水庫年最大滯洪量統計成果

圖3 天蓋水庫年最大滯洪量頻率曲線

根據表5可知，天蓋水庫P=20%、P=5%滯洪量較相應頻率單場次洪水量分別少30萬、157萬m3，表明以整個汛期來泄水情況確定滯洪庫容是合理的。

根據SL290—2009《水利水電工程建設征地移民安置規劃設計規范》，結合天蓋水庫庫區的實際情況，確定天蓋水庫淹沒處理的設計洪水標準為，耕園地按5年一遇(P=20%)、農村居民點按20年一遇(P=5%)設計洪水標準確定。庫區主要防護對象為農村居民點，滯洪庫容按20年一遇設計洪水考慮，為保障天蓋水庫庫區防洪安全，所需滯洪庫容為540萬m3。

4 結 論

(1)溶蝕洼地無壩成庫具有工程投資省、施工工期短、施工方便等優勢，但亦有地勢低洼、四周無低凹埡口、地質條件復雜、巖溶管道堵塞、泄流能力不足、開辟新排洪通道技術復雜且投資經濟性差等問題，泄洪及庫區防洪安全是溶蝕洼地水庫工程建設的重點與難點。

(2)針對缺乏實測水位流量資料、淹沒最高水位與最大滯洪量由多場洪水疊加形成的溶蝕洼地水庫，滯洪庫容的確定僅考慮單場次洪水是不安全的，可基于水量平衡原理考慮水庫汛期來泄水情況綜合確定。

(3)根據歷史洪水調查分析可知，天蓋海子每年淹沒最高水位與最大滯洪量由多場次洪水疊加形成，采用1951年～2017年長系列資料，基于水庫汛期來泄水水量平衡原理，結合歷史洪水調查成果，綜合確定水庫滯洪庫容。實踐表明，基于水庫汛期來泄水水量平衡調算確定溶蝕洼地水庫的滯洪庫容是合理且可靠的，對缺乏實測水位流量資料、淹沒最高水位和最大滯洪量由多場洪水疊加形成的溶蝕洼地水庫的滯洪庫容研究具有一定的借鑒意義。