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巖溶地區水庫設計洪水計算策略

時間:2019-10-03 來源:黑龍江水利科技 作者:吳昊 白杰 本文字數:2795字

  摘要:云貴高原為我國典型的喀斯特地貌區,其中巖溶、伏流、泉點等地貌特征廣泛分布于境內,該地區的伏流、洼地常對天然洪水有明顯的削峰滯洪作用,在計算設計洪水時若直接按全流域考慮,則將使設計洪水成果偏大。針對這一情況,文章以貴州省興義市小龍潭水庫工程為例,通過流域內歷史洪水調查,對設計流域內明流區、泉水出流區分別計算設計洪水及出流過程,考慮疊加組成巖溶地區的設計洪水成果,在計算泉水區設計洪水時,充分考慮了洪量控制、洪水漲落過程后得到泉點出流的一個漸變的洪水過程,較常規按均勻峰值考慮泉點出流過程更為嚴謹,對巖溶地區設計洪水計算方法的研究有一定的指導意義。

  關鍵詞:巖溶地區; 伏流; 歷史洪水; 調查法; 設計洪水;

  1、流域概況

  興義市處于貴州省西南部邊緣,地處滇、黔、桂三省 (區) 結合部,巖溶地貌較為發育。水庫所在的小龍潭河屬于珠江流域南盤江水系,發源于興義市七舍鎮讀納村北部,右岸支流接納左岸支流后明流1km后于落水洞 (入伏高程為1750m) 潛入地下成伏流,出露于龍灘村的小龍潭泉點 (出露點高程為1585.6m) ,再明流1.25km后又潛入地下 (入伏點高程為1563.6m) ,又于敬南鎮雞場巖溶大泉出露地表后 (出露點高程為967.5m) 匯入達力河,最終流入南盤江 (如圖1所示) 。

  小龍潭水庫壩址位于小龍潭泉點—小龍潭入伏口之間的明流河段上,壩址距離小龍潭河入伏口約0.767km,壩址以上流域控制集水面積35.9km2,其中地表明流區集水面積6.31km2;小龍潭泉點以上集水面積29.59km2。據地質勘測調查,小龍潭泉點出水量除上游的水量外,還有流域內的巖溶洼地的補水,由于地下巖溶管道通暢,該部分地表和地下徑流還是比較通暢的匯集到小龍潭壩址以上河道內,且地下水沒有其它通道補給外流域,因此,本工程壩址以上流域 (F=35.9km2) 為閉合流域。水庫壩址以上明流區主河道長11.67km,主河道比降43.59‰。


圖1 流域水系示意圖

  2、暴雨洪水特性

  工程設計流域位于我省黔西南暴雨區的邊緣,據興義氣象站實測暴雨資料分析,暴雨天氣一般發生在每年的5-9月,其中以6-8月為最多,發生機率約占78%。流域雨季水汽主要來源于印度洋孟加拉灣,形成暴雨的天氣系統主要是冷峰、低槽和兩高切變。暴雨歷時一般為1-3d,以1d為多,多集中在12h內。

  設計流域屬山區雨源型河流。由于本區巖溶特別發育,溶洞、洼地、地下伏流眾多,有明顯的滯洪作用,洪峰量級不大,匯流歷時較長。地勘調查龍潭泉點的地下巖溶管道較為通暢。雖然巖溶管道比較通暢,但是流域內的巖溶洼地對該區的洪水還是有較明顯的消峰作用。

  3、設計洪水

  3.1、設計暴雨

  小龍潭水庫設計量雨成果表見表1。

  該設計流域內無任何實測降水資料,鄰近設有興義、敬南、棒柞等氣象、雨量站。統計興義氣象站歷年實測最大一日暴雨量資料,得出其統計參數為:H1日=91.8mm, H24h=103mm, CV=0.40, CS=3.5CV。結合最新的“貴州省年最大24h暴雨等值線圖”、“貴州省年最大1h暴雨均值等值線圖”,確定設計流域暴雨參數為:H24h=110mm, Cv=0.42, Cs/Cv=3.5;H1h=47.3mm, CV=0.35, CS=3.5CV。

表1 小龍潭水庫設計暴雨成果表
表1 小龍潭水庫設計暴雨成果表

  3.2、設計洪水

  小龍潭水庫壩址以上流域集水面積35.9km2,其中地表明流區集水面積6.31km2 (包括左右岸支溝) ,小龍潭泉點以上集水面積為29.59km2。

  設計洪水考慮小龍潭壩址的明流區洪水和小龍潭泉點 (S1巖溶大泉) 出流的疊加。地表明流區部分采用雨洪法進行計算,小龍潭泉點部分根據實地調查的洪痕推算的泉水出流過程。

  1) 明流區 (包括左右岸支溝) 設計洪水計算:

  小龍潭水庫地表洪水主要來源于兩條支流,龍潭泉點 (S1巖溶大泉) 旁邊的左岸支溝和龍潭泉點下游約440m的右岸支溝,有關流域參數見表2。

  明流區設計洪水計算的公式及產匯流參數在《貴州省暴雨洪水計算手冊 (修訂本) 》上查取。流域以丘山為主,因此產匯流分區定為Ⅰ1區,洪峰徑流系數C取均值;暴雨衰減指數n2=0.70,Δn2為Ⅵ區[2]。小龍潭水庫壩址以上地表明流區集水面積設計洪水成果見表3。

表2 設計流域明流區流域特征參數表
設計流域明流區流域特征參數表

表3 小龍潭壩址以上明流區設計洪水成果表
表3

  2) 小龍潭泉點設計洪水計算:

  小龍潭泉點控制集水面積為29.59km2,計算時按地表設計洪水計算的公式計算其設計洪水,該產匯流分區定為Ⅰ2區,洪峰徑流系數C取均值;暴雨衰減指數n2=0.70,Δn2為Ⅵ區。計算成果見表4。

表4 小龍潭泉點地表入流設計洪水成果表
表4 小龍潭泉點地表入流設計洪水成果表

  根據洪水調查資料可知小龍潭泉點最大歷史洪水重現期為60a一遇 (P=1.67%) ,洪水的最大出流為60m3/s (按調查洪痕點水位推求,下同) ,洪水漲落過程約為3d (即72h) ;常年洪水最大出流為45m3/s,洪水漲落過程為1d (即24h) 。經計算,小龍潭泉點60a一遇 (P=1.67%) 入流的洪峰流量為220m3/s,最大出流僅為60m3/s,消峰比例為72.7%;小龍潭泉點常年洪水入流的洪峰流量為62.8m3/s,最大出流為45m3/s,消峰比例為28.3%。綜上分析,為了安全考慮,小龍潭泉點大于60a一遇 (P=1.67%) 洪水的出流流量消峰比例按72.7%考慮,小于60a一遇 (P=1.67%) 大于常年洪水的消峰比例按72.7%-28.3%進行內插;小龍潭泉點出流過程,大于常年洪水的洪量按3d (即72h) 考慮,接近或小于常年洪水的洪量按1d (即24h) 考慮。根據計算的小龍潭泉點入流過程與出流過程的洪量基本上是一致的,P=0.1%-20%的洪量相差僅1.8%-1.1%,出流過程基本合理[3]。

  3) 壩址處設計洪水:

  小龍潭壩址處設計洪水為明流區左右支溝設計洪水和小龍潭泉點出流的疊加。據此得出壩址處設計洪水成果,見表5。

表5 小龍潭壩址設計洪水成果表 (全設計流域)

  4、設計洪水成果的合理性分析

  從暴雨統計參數來看,以興義氣象站為參證站,暴雨統計參數與貴州省最新的有關暴雨等值線圖是吻合的。調查的1976年洪水其歷史洪水重現期60a左右,壩址處調查水位與以小龍潭伏流按“水庫調洪”計算的庫水位基本一致;下游雞場巖溶大泉出口洪水調查推算的小龍潭伏流消水洞的洪水泄流量61.7 m3/s與以小龍潭伏流按“水庫調洪”計算下泄量60 m3/s較為接近,僅相差-2.7% (最大洪水重新期也為60a一遇洪水) 。根據疊加后的小龍潭壩址設計洪量與按全面積計算的設計洪量基本上一致,P=0.1%-20%的洪量相差僅0.9%-1%,可認為疊加計算的設計洪水過程是合理的,其洪水成果也符合流域的暴雨特性和流域特征。

  5、結論

  該水庫設計洪水計算采用地表明流區洪水疊加小龍潭泉點實地調查的洪痕推算的泉水出流過程,該方法計算的設計洪水過程對流域面上洪量進行了控制,對泉水出流的情況進行了分析,其計算方法更為嚴謹,較采用全面積計算或僅考慮泉水均勻出流過程計算的設計洪水成果更為合理[4]。

  參考文獻
  [1] 楊華、吳昊.貴州省興義市小龍潭水庫工程初步設計報告[R].貴陽:貴州省水利水電勘測設計研究院,2015.
  [2] 貴州省水利電力廳.貴州省暴雨洪水計算實用手冊[M].貴陽:貴州省水利電力廳出版,1983:1-158.
  [3] 葉守澤,詹道江.工程水文學 (第3版) [M].北京:中國水利水電出版社,2002 (07) :72-290.
  [4]郭生練.設計洪水研究進展與評價[M].北京:中國水利水電出版社,2005 (10) :1-273.

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