关于岩溶地区非闭合小流域工程水文分析计算的探讨

涂显江

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

贵州省境内大面积为碳酸质岩层分布，广泛发育着各种类型的岩溶地貌，境内峰丛山地、洼地、落水洞、干沟、伏流等形态众多，造成地表分水岭与地下分水岭不一致，使地表径流与地下径流关系复杂，对中小河流水文规律影响较大，在岩溶山区，如何用很少的水文站资料，来分析整个区域的水资源时空变化规律，的确是一个值得深入研究的课题。近年来随着扶贫攻坚的不断深入，绿水青山的提出，生态旅游的发展，贵州将修建较多的中小型水利工程，因此，做好岩溶山区非闭合小流域工程水文分析计算非常必要，本文以对门坡水库工程非闭合流域水文分析计算为例对岩溶山区非闭合小流域工程水文分计算进行阐述。

1　基本情况

对门坡水库位于贵州省黔西南州兴义市威舍镇境内铜厂沟河上，对门坡水库位于铜厂沟河下游，根据1/10 000地形图量算，结合对流域内泉水S01岩溶汇水区集水面积分析。对门坡水库坝址以上集水面积9.14 km2，其中明流区S1集水面积3.75 km2，闭流区闭合流域S2集水面积3.69 km2，闭流区非闭合流域S3集水面积1.70 km2(地下径流部分进入对门坡水库，地表径流部分流出水库外，地下径流下渗率0.15)。明流区集水面积3.75 km2，主河道长3.15 km，总落差630.8 m，主河道平均比降为112.6‰。

2　径流计算

2.1　坝址径流计算

工程流域位于兴义市的西北角，查《贵州省水资源综合规划——水资源及其开发利用现状调查评价附图》设计流域多年平均降水量1400 mm，径流深700 mm，年径流变差系数Cv=0.30，设计流域径流系数0.5。根据所作的降水分析成果，设计流域多年平均降水量1400 mm，降水变差系数Cv=0.18，径流系数0.5，则得本工程多年平均径流深为700 mm，与设计流域等值线图基本一致。则对门坡水库坝址天然径流量为557.00万m3。

坝址处历年年径流量采用降水径流频率相应法计算所得，径流年内分配按降水年内分配加基流控制把年径流分配到各月，并进行枯水控制。根据枯水分析成果，对门坡水库最小月(P=95%)枯水控制径流量5.16万m3(合19.9 L/s)。对计算的径流成果进行枯期控制，水库坝址以上流域枯水径流采用查《贵州省河流枯水调查与统计分析》等值线图，月平均枯水模数为4.0 L/(s·km2)，最小月P=95%枯水流量控制模数取2.51 L/(s·km2)，(P=95%)枯水控制径流量5.16万m3，径流年内分配按降水年内分配加基流控制把年径流分配到各月。坝址处各频率设计径流[1]成果见表1。

表1　对门坡水库坝址径流计算成果表(降水径流同频率相应法)

2.2　枯水分析

2014年6月5日和2017年4月17日贵州省水利水电勘测设计研究院有关工作人员对对门坡水库坝址处进行枯水调查，由于该河道水质较好，该河流下游居民生活用水均从铜厂沟上游引水，据居住在坝址下游火把寨的老百姓说：“铜厂沟河水枯期流量较稳定，每年最枯的时间为春节前后(大概为2月份)。”铜厂沟河上游有3～4根φ6 cm～φ10 cm的PVC引水管，根据访问当地村民，该引水管引水均为附近村民的生活饮用水，这也说明该河道流量比较稳定，水质较好，丰枯变化较小。经实测，坝址处2016年1月8日—2016年3月20日期间实测最小流量为30 L/s，泉水出露点处的实测流量为24 L/s，根据现场调查2015—2016年枯季坝址来水为偏丰年份，历年最枯日流量为2016年1月8日—2016年3月20日期间实测最小流量的60%～70%，坝址处最枯日流量按实测最小流量的65%计为19.5 L/s。

查《贵州省枯水调查等值线图》成果，水库坝址以上流域最枯月P=50%枯水流量模数4 L/(s·km2)，流域最小月枯水模数Cv=0.3，Cs/Cv=2.5，则设计流域最小月枯水模数为2.51 L/(s·km2)。水库坝址处有效集水面积为7.95 km2则水库坝址最小月(P=95%)径流量5.16万m3(合19.9 L/s)。

2.3　径流成果合理性分析

(1)设计流域多年平均降水量1400 mm，多年平均径流深700 mm，径流变差系数Cv=0.30，与《贵州省地表水资源》和《贵州省水资源综合规划——水资源及其开发利用现状调查评价附图》上的有关等值线图基本一致，符合地区分布规律[2]，径流成果基本合理。

(2)枯水。水库坝址径流设计成果最小月多年平均流量8.23万m3(合31.8 L/s)，最小月(P=95%)流量为5.16万m3，坝址处有效集水面积7.95 km2，则最小月多年平均流量模数为4 L/(s·km2)，最小月(P=95%)流量模数为2.51 L/(s·km2)。本阶段枯水流量设计成果与《贵州省枯水调查等值线图》成果及枯水调查成果基本一致，枯水设计成果合理，符合地区分布规律。

(3)径流年内分配。水库坝址以上多年平均径流量557.00万m3，丰水期(5—8月)径流量364万m3，占全年径流量的65.4%，枯水期(11月—次年4 月)径流量89.30万m3，枯水期径流量占全年径流量的16%，设计成果年内分配与地区径流特性基本一致。综上分析，从径流深、径流Cv、枯水、年内分配上看，本次计算成果合理。

3　洪水计算

对门坡水库坝址以上集水面积9.14 km2，其中明流区集水面积3.75 km2，闭流区闭合流域集水面积3.69 km2，闭流区非闭合流域集水面积1.7 km2。对门坡水库集水面积由明流区集水面积、闭流区闭合流域集水面积、闭流区非闭合流域集水面积组成。闭流区非闭合流域地表径流较发育，地表径流流入木浪河，地下径流流入对门坡水库，闭流区非闭合流域洪水通过地表径流排入木浪河，进入地下径流部分基本不形成洪水，对门坡水库洪水组成由明流区洪水和闭流区闭合流域洪水组成。本次洪水计算分别计算明流区洪水和闭流区闭合流域洪水。

3.1　明流区设计洪水

对门坡水库所在的铜厂沟河流域无实测洪水资料，坝址明流区设计洪水采用雨洪法计算[3]。

(1)流域参数。有关流域参数从1/万地形图上量取，坝址以上流域面积3.75 km2，主河道长3.15 km，主河道平均比降112.6‰。

(2)暴雨参数。本阶段确定坝址最大24 h降水量均值为100 mm，Cv为0.5，Cs/Cv为3.5，坝址最大1 h降水量均值为47 mm，Cv取0.4，Cs/Cv为3.5。

(3)产汇流系数。本流域属于高原山地峡谷地区，植被一般，明流区岩溶不发育，故适用的分区为Ⅱ2区，由于水库设计流域属于高山峡谷地区，r1取Ⅱ2区上限0.4；洪峰径流系数C取均值，取值范围为0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

(4)坝址设计洪水计算。本流域属无资料地区，坝址设计洪水采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》(修订本)上的“雨洪法”进行计算。

根据“雨洪法”计算公式及相关参数计算，得到坝址断面设计洪水成果，不同频率设计洪水计算成果见表2。设计洪水过程线采用“手册”中的概化洪水过程线坐标推算，并为洪水调节计算所采用，明流区计算洪水成果见表2。

表2　对门坡水库坝址明流区设计洪水成果表

3.2　闭流区设计洪水

根据《贵州省特小流域暴雨洪水计算》[4]，对门坡水库坝址闭流区集水面积均为3.69 km2，对门坡水库闭流区洪峰流量及洪水总量采用式(1)、式(2)计算：

(1)

Wp=C·φ·H24P·F闭

(2)

式中：QP闭为设计频率P的洪峰流量，m3/s；φ为暴雨点面折减系数，1；H24P为设计24 h暴雨，mm；F闭为闭流区集水面积，3.69 km2；T为经调蓄后的洪水总历时，1d；WP为闭流区一场洪水总量，万m3；C为洪峰径流系数，取值范围为0.88～0.84(P=0.5%～20%)。

经计算得闭流区不同频率设计洪水成果，设计洪水过程线其涨水历时ta和退水历时(T-ta)的比例选定为(T-ta)/ta=4，洪水过程线采用简化三角形过程，对门坡水库闭流区设计洪水成果(表3)。根据现场调查的历史洪水洪水资料，泉水出露点约50 a一遇洪峰流量为12.6 m3/s，与该计算成果基本一致。

表3　对门坡水库坝址闭流区设计洪水成果表

3.3　坝址设计洪水

对门坡水库集水面积由明流区集水面积、闭流区闭合流域集水面积、闭流区非闭合流域集水面积组成。闭流区非闭合流域地表径流较发育，地表径流流入木浪河，地下径流流入对门坡水库，闭流区非闭合流域洪水通过地表径流排入木浪河，进入地下径流部分基本不形成洪水，对门坡水库洪水组成由明流区洪水和闭流区闭合流域洪水组成。本次坝址设计洪水采用明流区洪水+闭流区闭合流域洪水，闭流区出口S1泉点距坝址0.8 km，泉点距离坝址较近，洪水传播时间可忽略不计，根据明流区和闭流区的设计洪水成果及其洪水过程线，将明流区和闭流区的洪水进行叠加得到对门坡水库的总设计洪水，见表4。

表4　对门坡水库坝址设计洪水成果表

3.4　洪水成果合理性分析

总的来说，从暴雨统计参数来看，以兴义气象站为参证站，并结合贵州省最新的有关暴雨等值线图；坝址P=0.2%～20%洪峰模数为33.1～12.7 m3/(s·km2)，面积比指数0.67，明流区3.75 km2+闭流区闭合流域3.69 km2，坝址闭流区占设计流域的49.6%，符合流域特性及地区规律。

根据调查的1997年的历史洪水，其重现期为50 a一遇，坝址处50 a一遇洪峰流量为86.3 m3/s，坝址50 a一遇的天然设计洪峰流量为88.2 m3/s，与历史洪水相差不大，说明设计洪水成果是合理的。

综上所述，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　泥沙计算

对门坡水库坝址河段无实测悬移质和推移质泥沙资料。参考贵州省《地表水资源悬移质多年平均年输沙模数分区图》并结合现场实际调查，水库多年平均悬移质输沙模数为500 t/(km2·a)，明流区推移质考虑加入20%，闭流区泉水出口水质较清澈，闭流区只考虑悬移质输沙，泥沙容重为1.3 t/m3，闭流区悬移质输沙量按有效地下集水面积计算。

对门坡水库坝址以上明流区流域面积为3.75 km2，闭流区闭合流域面积3.69 km2，闭流区非闭合流域面积1.7 km2，下渗率0.15，闭流区悬移质输沙量按有效地下集水面积4.2 km2计算，经计算，对门坡水库坝址多年平均来沙量0.435万t，其中，推移质输沙量0.0375万t，悬移质输沙量0.3975万t，多年平均悬移质含沙量0.71 kg/m3，多年平均悬移质输沙率为0.126 kg/s。