巖溶內澇區設計洪水成果合理性檢驗初探

徐克兵

(宜昌市水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443003)

1 流域概況

五峰灣潭河流域是湖北著名的巖溶區，地處鄂西山地的清江與澧水分水嶺地帶，地跨東徑110°17′～110°35′，北緯29°56′～30°9′。灣潭河發源于北風埡，在中土坪形成河道，至八里鋪(頭道河)流程12.5km，高差277m，縱坡22.16‰，谷寬20～200m，為上游河段。八里鋪至小氽，流程25km，高差48m，縱坡3.84‰，谷寬300～1100m，是土家族居住密集的地帶。灣潭河區內水系及巖溶地下水發育，地下水與地表水總流向由北東流向南西，總長34.5km，控制面積332km2，于柏順橋流進鶴峰縣境，屬湖南省澧水的源頭。

2 流域地形及植被情況

五峰灣潭河全流域控制總面積332km2，河道總長34.5km，其中上游河道總長25km，控制面積194km2，平均縱坡13‰，是山洪防治規劃的重點，灣潭河流域森林植被情況良好，以馬尾松和新炭林為主。

3 歷史暴雨

五峰灣潭海拔1145m，是歷史上著名的“35·7”特大暴雨中心，也是全國著名的暴雨中心之一，據調查1935年7月3日最大日暴雨量600～900mm之間。由于灣潭河流域位于著名的五峰灣潭暴雨中心，暴雨強度大，從時間來看，灣潭河流域洪水主要集中在5—9月。典型歷史暴雨：根據歷史洪水調查，灣潭河流域有文獻記載的曾出現過1849、1908、1935年洪澇災害，其中以“35·7”暴雨為最大，據統計分析，相當于百年一遇暴雨，最大一日暴雨量超過403mm，1935年7月3日—7月7日5d降雨量共計1318mm；近年的1969年7月11日暴雨為最大，日降雨為343.4mm。

4 設計洪水

本流域位于湖北省水文氣象分區第Ⅶ區，由于河段巖溶發育，各河段設計洪水采用瞬時單位線法結合上游巖溶區情況推算，瞬時單位線參數按巖溶地區特殊流域進行分析計算，否則洪水分析計算成果會出現很大偏差。

4.1 流域地理參數

灣潭河流域位于水文氣象分區第Ⅶ區，上游河道段以上流域面積194km2，主河道長L=25.0 km，主河道加權平均比降J=13.0‰。

4.2 設計暴雨

根據灣潭河上游河道段以上流域中心位置查2008年新版《湖北省暴雨參數等值線圖》，得出設計點雨量的均值H和變差系數Cv：

1h：H1=38mm，Cv=0.43

6h：H6=88.1mm，Cv=0.54

24h：H24=138mm，Cv=0.56

設計暴雨點雨量Hp點=KPH，Kp查CS=3.5CV皮Ⅲ型曲線，計算得不同頻率點雨量，采用點面系數法計算各時段面雨量，按設計雨型排列后的面雨量過程順次扣除初損22.5mm后再扣除穩損。

4.3 匯流計算

4.3.1地面徑流

地表徑流按瞬時單位線法進行產匯流計算，該流域位于水文分區第Ⅶ區，考慮巖溶時，瞬時單位線參數按巖溶地區特殊流域適用的公式計算：

m1=0.76F0.33L0.11J-0.07f-0.12

(1)

f=1-F天/F

(2)

N=0.69F0.224J0.09

(3)

式中，F—流域面積，km2;L—主河道長，km;J—主河道比降，‰;F天—灣潭河排洪河段以上流域天坑面積，km2，根據調查為F天/F=29.0%。

K=m1i/n

(4)

由瞬時單位線參數n、k和前面求出的設計凈雨過程可求得地表徑流過程。

4.3.2地下徑流

地下徑流按下式計算：

(5)

t>T時，Qt=Qg·e-β(t-T)

(6)

(7)

(8)

式中，β—退水指數，β=0.133F-0.28；T—地面徑流過程底寬。

4.3.3設計洪水過程

將前面計算得出的地表徑流和地下徑流疊加即可得出設計洪水過程。設計洪水過程見表1。

5 由設計和實測暴雨推算洪水成果的合理性檢查

5.1 灣潭河排洪能力現狀分析

灣潭河1973—1978年人工開鑿的排洪洞長2200m，因斷層破碎帶沒有襯砌多年失修，泄洪能力遠遠不能滿足10a一遇的洪水要求，而且排洪洞前1350m長的引河二期工程至今未能列入計劃實施，當排洪過水時，紅烈村部分農田要淹沒。排洪進口底板高程1112.82m，進口形狀相似于城門洞形，其排洪能力可按照有壓隧洞計算排洪流量。大彌洞是個徑流消水另一個通道，進水口底板高程1113.5m，進口洞半徑約4.6m，不論洪水季節還是枯水季節都是徑流消水通道，據周圍群眾反應，近年洞前洞中淤積堵塞嚴重，洞前河床雍高，大洪水時洞前行進流速不足0.5m/s，按照0.35m/s估算常態消水通道過流量Q0，及大彌洞常態消水通道過流量。當超過1114m分級水位時，大彌洞過流量采用同類型區經驗公式推算。潭風洞是灣潭河排洪的第三通道，潭風洞進口底板高程1130.06m，進口斷面大，在常態下不過洪，過洪時紅烈村基本淹沒80%，潭風洞過洪時匯流快，按非均勻流計算，當超過洞頂水位達1137m以上時，按有壓隧洞公式計算。通過上述分析，現將灣潭河各排洪通道的分級水位過洪流量匯總見表2。

5.2 灣潭河典型實測暴雨洪水分析及排洪調查

上述分析了灣潭河現狀分級洪水位下的排洪能力，1983年7月4日、2009年8月28日，灣潭河都遭受了較大暴雨的襲擊，其中“83·7”暴雨最大30min達38.5mm，最大1h達66.6mm，最大6h達110mm，最大24h達215.1mm，其中最大1h暴雨強度相當于50a一遇，最大6h、最大24h暴雨強度相當于10a一遇，從“83·7”暴雨洪水計算的成果來看，形成的洪峰流量764m3/s與10a一遇的洪峰流量780m3/s相當，但”83·7”暴雨形成的場次洪量3363萬m3，比10a一遇的場次洪量3173.5萬m3多出189.5萬m3，與20a一遇的場次洪水總量3775.1萬m3相當。因此我們將“83·7”洪水定位為洪峰流量10a一遇、場次洪水總量20a一遇，研究灣潭河排洪能力、農田受淹等狀況，暴雨洪水關鍵性指標是場次洪水總量，根據群眾反映，“83.7”暴雨洪水最高水位達人工排洪洞底部以上近20m，大部分農田受淹，部分房屋倒塌，洪水進入潭風洞第三排洪通道，總排洪歷時達5d。對“83·7”洪水因排洪不力形成的頂托性洪水位開展了洪痕調查。

表1 灣潭河上游河段設計洪水及實測暴雨推算洪水計算成果表

表2 現狀灣潭河分級水位過洪總流量計算成果表

2009年8月28日發生的“09828”洪水，暴雨最大30min達34.0mm，最大1h達36mm，最大6h達52mm，最大24h達83.5mm，從暴雨量級來看達不到“83.7”的量級，從“09828”洪水計算成果來看，洪峰流量320m3/s，場次洪量1093.7萬m3，洪峰洪量均低于5a一遇的洪水標準，在這種狀況下，灣潭河排洪仍然不力，形成的頂托性洪水位依然淹沒部分農田，由此可見：灣潭河排洪系統的脆弱。根據群眾反映，“09828”暴雨洪水最高水位達人工排洪洞底部以上超過10m。對“09828”洪水因排洪不力形成的頂托性洪水位開展了洪痕調查。

5.3 灣潭河典型暴雨推算洪水進行排洪反演算檢查洪水推算合理性

為了摸清灣潭河典型暴雨推算洪水成果的合理性，本次分析首先要摸清人工排洪洞進口底板高程以上分級水位下滯洪總量。在實測地形圖上通過量算計算其分級水位下的滯洪總量見表3。

表3 灣潭河分級水位下的滯洪總量

根據灣潭河“83·7”，以及“09828”典型暴雨洪水進行排洪反演算見表4。從“83·7”“09828”典型暴雨洪水排洪反演算成果可以看出，由于現狀排洪不力，“83·7”典型暴雨洪水排洪洞前滯洪最高水位達1132.12m，滯洪總量1013.9萬m3，排洪洞前水深達19.3m，大部分農田受淹，潭風洞達1130.5m以上時，也開始排洪，這與調查結果基本吻合。“09828”典型暴雨洪水排洪洞前滯洪最高水位達1124.32m，滯洪總量238.5萬m3，排洪洞前水深達11.5m，部分農田受淹，潭風洞由于未達1130.5m，對于本次洪水未能參與排洪，這與調查結果也基本吻合。通過典型實測暴雨推算的洪水成果進行排洪反演算，其結論與調查結果基本一致，說明采用瞬時單位線法考慮上游巖溶區情況推算洪水成果經過檢驗是合理的。

表4 “83·7”“09828”典型實測暴雨推算洪水排洪反演算成果

6 同類地區設計洪水模數的合理性檢查

漁洋河流域是湖北省著名的巖溶河流，漁洋河為清江水系的一級支流，流入清江后于宜都市陸城注入長江，漁洋河全長97.0km，流域面積1280km2，流域平均坡度4.51‰，漁洋河流域巖溶十分發育，是湖北省著名的巖溶河流，漁洋河馬場灣以上控制流域面積111.3 km2，與灣潭河上段控制流域面積相差不大，其設計洪水洪峰模數與同頻率灣潭河上段十分接近，說明設計洪水是合理的，詳見表5。

表5 灣潭河上段與漁洋河馬場灣同頻率設計洪水比較表

7 結語

巖溶區洪水計算是巖溶區排洪工程設計的主要內容，其設計洪水成果的合理性決定了排洪工程布置方式、設計規模、運行安全等；巖溶地區地質條件復雜，來水區域不易確定，溶洞滯洪調節無法計算，本文通過兩次排洪洞前實測洪水漲落過程，采用實測暴雨資料，利用水量平衡法，檢驗設計參數、設計洪水成果的合理性，具有一定實用價值；當檢驗與實測洪水漲落過程不符時，可適當調整調查的天坑率，可采用逼近法進一步探討，使調洪反演算成果與實際洪水漲落相契合，可供同類地區排洪洪水計算成果合理性檢查作借鑒。