巖溶洼地區設計洪水計算方法淺析
——以貴州省某水庫工程為例

蒙天易，張 僑

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 流域概況

工程位于畢節市大方縣黃泥塘鎮境內，區域巖溶地貌較為發育。壩址所在河流為烏江源頭六沖河左岸一級支流木白河，其發源于大方縣六龍鎮西面，河源高程2093 m，由北向南流，于大方縣理化鄉鐘家橋處匯入六沖河，河口高程1010 m，河流主干長40.0 km。

2 暴雨洪水特性

設計流域屬于我省黔西北少暴雨區，暴雨由赤水河向六沖河逐步增大。通過對流域內六龍雨量站的多年實測暴雨資料進行分析，暴雨多發生在6—9月，占全年比例為91.2%，其中又以6月最多，比例為35.3%。

木白河屬于典型的山區雨源型河流，洪水均由暴雨形成，由于河道較陡，匯流相對集中，因而洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上漲歷時短等特點[1]。

3 設計洪水

3.1 設計暴雨

統計設計流域內六龍雨量站、流域附近大方氣象站、百納雨量站的多年最大一日降水量資料，進行頻率分析，成果見表1。

表1 水庫流域附近測站暴雨參數表

查看最新“貴州省最大24小時暴雨等值線圖”，結合參證站統計成果，確定流域設計暴雨參數為H24 h=90 mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv。代入以上參數，并以PⅢ型曲線進行適線統計，工程區各頻率設計暴雨成果如表2所示。

表2 工程所在流域設計暴雨成果

3.2 歷史洪水

為了驗證最終設計洪水成果的合理性，了解真實洪水峰量情況，在水文地質調查過程中，對歷史洪水的調查是必不可少的一項。本工程在敞口龍潭及主河道大寨河段進行了多次歷史洪水調查，成果如表3。

表3 歷史洪水調查成果

3.3 設計洪水

本工程壩址以上流域中，巖溶洼地區面積占54.7%，其排泄能力較差、對暴雨洪水具有較強調蓄能力，故計算設計洪水時應將此類“閉流區”與地表明流區分別推算，再將過程線疊加得到主河道斷面的設計洪水。

3.3.1 明流區

“悲觀又怎樣，樂觀又如何，難道樂觀就能改變現實？我有時想，一個人要騙別人是很容易的，唯一騙不了的就是自己。我是個什么東西，心中比誰都明白。”

(1)流量法。本工程分別以六沖河上的七星關水文站及落腳河上的對江水文站作為參證站。

七星關水文站是長江流域烏江水系六沖河中上游控制站，控制集水面積為2999 km2。其具有1971—2018年實測洪水流量資料，并加入1931、1943年共兩年的歷史洪水成果，從而組成七星關水文站1931、1943、1971—2018年共50年的系列資料，進行頻率分析計算，得到七星關站設計洪水成果；對江水文站位于六沖河左岸一級支流落腳河的上游河段，控制集水面積1944 km2，其具有1959—1973年、1988—2012年實測洪水流量資料，并加入1909年、1934年、1954年共三年的歷史洪水成果，從而組成1909年、1934年、1954年、1959—1973年、1988—2012年共43年的系列資料，進行頻率分析計算后，得到對江水文站設計洪水成果。兩站設計洪水成果見表4。

表4 水文參證站設計洪水成果

將水文站洪峰流量均值通過集水面積比擬至水庫壩址處，根據貴州省水文局研究成果、本流域暴雨洪水特性以及周邊水利水電工程分析，均值比擬時將水文站洪水成果按面積比指數0.67比擬到200 km2流域面積，再按面積比指數0.75比擬至壩址流域，Cv值根據經驗公式計算，如式(1)。

Cv=Cv參-0.2(lgF設-lgF參)

(1)

式中：Cv參為參證站的方差；F設為設計流域明流區面積，取96 km2；F參為參證站流域面積，七星關水文站2999 km2，對江水文站1944 km2。比擬成果如表5。

表5 水庫壩址明流區設計洪水成果(流量法)

(2)暴雨洪水法。地表明流區設計洪水采用《貴州省暴雨洪水計算手冊(修訂本)》上相關式(2)進行計算[2]：

(2)

洪量計算如式(3)：

Wp=0.1×F×h24p

(3)

式中：Wp為設計一次洪水過程洪量, 萬m3；h24p為設計洪水徑流深,mm。

流域以丘山為主，少量巖溶，植被一般，匯流系數屬Ⅱ2區(黔東北地區)，本次地表明流區取均值0.38，暴雨衰減系數n3=0.80，大暴雨面深之Δn3分區為Ⅴ區，洪峰徑流系數C取均值(C=0.831～0.639(P=0.1%～20.0%))[3]。明流區設計洪水計算成果見表6。

表6 水庫各壩址明流區設計洪水成果表

(3)采用成果。比較兩種方法計算的三套成果，如表7所示。

表7 水庫壩址明流區各方法設計洪水成果對比表

可見，水庫壩址處明流區采用比擬七星關水文站計算的設計洪水成果，與雨洪法成果差別較大，主要原因是七星關水文站受上游伏流影響，洪峰流量較小。

采用比擬對江水文計算成果P=0.1%、P=0.2%計算成果與雨洪差異較小，相差在1%～4%。本次從安全的角度考慮，采用雨洪法成果。

設計洪水過程線采用“暴雨洪水手冊”概化線推求，由于篇幅所限，在此不列出。

3.3.2 閉流區

六龍洼地區設計洪水采用《水利水電工程設計洪水計算手冊》中對閉流區洪水的式(4)～式(5)計算[4]。

(4)

Wp閉=0.1C×φ×H24p×A

(5)

式中：Qp閉為閉流區洪峰流量，m3/s；C為洪峰徑流系數，根據暴雨洪水計算手冊確定；φ為暴雨點面折減系數，φ=a·Ab,當25

代入上述相關參數，計算得各頻率下六龍洼地區洪峰流量，成果如表8所示。

表8 六龍洼地區各頻率洪水計算成果

根據實際調查一次洪水漲消時間，并由以上計算的洪水成果，按概化三角形計算得出敞口龍潭洪水過程線。由于篇幅所限，在此也不列出。

3.3.3 壩址處

將明流區和閉流區設計洪水過程疊加，得到壩址處設計洪水。敞口龍潭出露處距壩址僅11 km，考慮到區域洪水的特殊性，為工程安全不考慮洪水傳播時間。洪水計算成果見表9。

表9 壩址入庫設計洪水成果

4 設計洪水成果的合理性分析

從暴雨統計參數看，本次設計暴雨以六龍、百納雨量站以及大方氣象站作為參證站，與貴州省短歷時暴雨圖集中相關等值線圖是吻合的；從區域綜合分析角度看，壩址明流區設計洪水P=0.1%～20.0%洪峰模數(面積比擬指數為0.67)為33.0～8.5 m3·s-1·km-2，壩址(含六龍洼地)設計洪水P=0.1%～20.0%洪峰模數為21.1～5.8 m3·s-1·km-2，符合該地區洪水巖溶洼地越發育洪峰模數約小的地區分布規律；從設計成果分析，壩址與大寨洪水調查點距離較近，集水面積相差較小，洪水量級變化不大，差異為3.59%～4.76%(P=2%～10%)，設計洪水與大寨處調查成果基本一致[5]。

5 結 論

貴州省涉及巖溶洼地等閉流區設計洪水的工程較多，而其中絕大多數缺乏實測流量資料。本文主要利用實測暴雨資料，結合水文調查情況分別推求明流區、閉流區洪水，最后疊加得到壩址設計洪水，為此類工程提供了一種計算方式。