基于水量平衡的溶蚀洼地水库滞洪库容的研究

李大成，范国福，龚兰强，高朝荣，安莉娜

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

溶蚀洼地是岩溶地区一种典型地貌形态，是以碳酸盐为主的地层发育的一种四周高中间低的负地形，伴随着岩溶管道系统的形成而形成，分布于峰丛或峰林之间，呈封闭或半封闭状[1]。溶蚀洼地底部较低、分水岭较高，似天然库盆，集水条件好，易汇集周围径流，天然成库条件好[2]。利用有利地形，通过堵截溶蚀洼地或盲谷中的落水洞或伏流进出口形成水库，是蓄存、调节及合理利用水资源的有效方法[3]。溶蚀洼地无坝成库为我国西南岩溶地区主要的水利工程形式之一，具有工程投资少、施工工期短、施工方便等优点，但也有地势低洼、四周无低凹垭口、岩溶管道过流能力小、开辟新排洪通道技术复杂且投资大、遇暴雨易形成洪涝灾害等劣势[2]。

目前，关于溶蚀洼地无坝成库的研究主要集中在成库地质论证、岩溶管道堵截、防渗处理方法等方面。郑捷[4]结合地下水动力学法和三维数值模拟法计算双龙水库渗漏量，确定最优垂直防渗深度，提出了水库防渗工程的优化设计方案建议。赵攀峰等[5]结合鹿角坝水库水文地质条件，对复杂渗漏管道及深大暗河封堵的施工工艺进行了研究。杨元红等[6]根据马鞭田水库实际地形地质条件和岩溶及渗漏通道情况，研究防渗堵漏建筑物形式，设置双层多排帷幕灌浆进行防渗，在地下渗漏主通道上设置混凝土堵头封堵。然而，现阶段尚未有岩溶管道泄流能力不足且难以开辟新排洪通道的溶蚀洼地水库滞洪库容相关研究，科学合理地确定其滞洪库容，对保障库区防洪安全具有重要意义。

本文以安龙县天盖水库为例，基于水库汛期来泄水水量平衡，结合历史洪水调查成果，综合确定水库滞洪库容，为类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

天盖水库位于安龙县海子镇，为天盖海子通过防渗处理无坝成库。天盖海子为一大型的封闭型岩溶洼地，总体走向近东西向，长约2.2 km，末端宽30～50 m，首部宽130～300 m。天盖小河自西向东流经洼地底部，在洼地最东端陡壁脚潜入地下形成伏流(地下暗河)，于东北面约8 km(直线距离)的岔河流出地表，为岔河暗河系统的源流之一。消水点以上流域集水面积29.68 km2，主河道长8.12 km，平均坡降1.58%。

天盖海子以F1断层为界，断层北西侧为T1yn弱岩溶化地层或相对隔水地层，为海子的补给区域；断层南东盘为P2m地层出露区域，P2m为强岩溶地层，存在一系列的溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等典型岩溶现象，天盖海子天然条件下的排泄通道位于F1断层南东盘的P2m地层内，枯水期天盖小河通过天盖海子东侧陡壁脚的落水洞潜入地下，汛期天盖海子蓄水后(每年的5月底或6月初至当年的12月左右)，库水从断层南东盘多个通道(落水洞、溶洞、洼地、岩溶裂隙等)排泄。

天盖水库的工程任务为供水、灌溉及生态文明建设等综合利用，主要包括水源工程和供水工程。水源工程主要由帷幕灌浆、贴坡防渗、泄洪放空洞组成；供水工程包括提水泵站、输水线路两部分。

天盖水库四面环山，西面坡缓且为来水方向，其余三面山高坡陡，仅能采用泄洪隧洞进行泄洪。若按常规泄洪隧洞考虑，需布置长达约10 km的泄洪洞，将洪水排泄至下游岔河，此方案工程量巨大，且沿途岩溶极其发育，施工难度大，岩溶等不可控地质因素复杂，施工工期长，技术操作复杂，投资经济性差。由于天盖水库为无坝的非常规水库，库区为天然溶蚀洼地，库盆巨大，充分利用原有岩溶管道的泄流能力，考虑汛期滞蓄一部分洪水，选择连通岩溶管道的泄洪放空洞作为泄水建筑物，利用原岩溶管道进行泄水，通过合理调度运行，可有效保障库区防洪安全。因此，科学合理地确定滞洪库容是保障天盖水库工程库区防洪安全、社会经济效益充分发挥的关键因素。

2 研究方法

天盖水库通过对排泄(渗漏)区域进行帷幕灌浆加以封堵形成水库，由于开辟新的排洪通道具有技术难度大、投资不经济等缺点，同时考虑库区适量的淹没移民搬迁以滞蓄部分洪水，利用原有岩溶管道进行泄流，以保障库区防洪安全。根据水文地质调查分析，原岩溶管道泄流能力较小，无法及时排走洪水，可能上一场洪水未消退完，第二场洪水已来临，结合历史洪水调查成果，天盖海子每年淹没最高水位与最大滞洪量基本由多场次洪水叠加形成，若仅考虑单场次洪水扣除原岩溶管道下泄水量后剩余洪水量滞蓄在库中，显然是不安全的。天盖海子缺乏实测水位、流量资料，无法分析多场次洪水组合情况，基于水库汛期来泄水水量平衡原理，结合历史洪水调查成果，采用长系列资料进行调节计算分析，综合确定水库滞洪库容。

3 滞洪库容的研究

天盖水库所在天盖河为山区雨源型河流，径流、洪水均由降水形成，降水径流特性基本一致，洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上涨历时短等特点。流域内无实测水文资料，径流计算采用降水径流同频相应法，洪水采用“雨洪法”计算。

3.1 库容曲线

天盖水库库容曲线采用1∶2000矢量地形图量算所得，高程系统为黄海系统，水位～库容关系曲线见图1。

图1 天盖水库水位～库容关系曲线

3.2 设计洪水成果

天盖河流域缺乏实测洪水资料，设计洪水采用暴雨推求[7-9]，计算公式采用《贵州省特小流域暴雨洪水计算标准》(1993年1月)中式(20)。即

(25≤F<50)

(1)

式中，Qp为洪峰流量，m3/s；f为流域形状系数；J为坡降；F为设计流域集水面积，km2；C3为洪峰径流系数；r1为汇流参数的非几何特征系数；H24p为设计频率P对应的年最大24 h点雨量，mm。

设计洪水总量采用“扣损法”计算而得，即

Wmp=0.1h24p×F

(2)

h24p=H24pf-(Hs+ΔHs)

(3)

式中，Wmp为洪量，万m3；H24pf为流域平均雨量，mm；h24p为设计洪水径流深，mm；Hs为稳定雨损，mm；ΔHs为附加雨损，mm。

设计洪水过程线采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中洪水形状系数ρ为0.25的(二)类概化线推求，涨水面积率α0为23.9%。天盖海子设计洪水成果见表1，设计洪水过程线见图2。

表1 天盖海子设计洪水成果

图2 天盖水库设计洪水过程线

3.3 历史洪水调查

根据现场访问调查，天盖海子受岩溶管道泄流能力限制，每年汛期都会淹没形成一天然的季节性水库，每年洪水位维持在1 415.00 m及以上，最高淹没水位为1 420.00 m(1988年)，2017年为近10年最高淹没水位1 417.50 m，结合流域暴雨洪水特性、周边雨量站点实测暴雨资料及调查情况，历史洪水调查成果见表2。

从表2可知，调查的历史洪水位对应库容均大于相应重现期单场次洪水24 h洪量，表明天盖海子最高淹没水位由多场次洪水叠加形成，水库滞洪库容仅考虑单场次洪水是不安全的。

表2 天盖海子历史洪水调查成果

3.4 设计径流成果

天盖河流域无实测径流资料，由于流域内径流由降水形成且降水径流特性一致，径流采用降水径流同频相应法推求[10-11]，天盖海子汛期径流成果见表3。

表3 天盖水库汛期设计径流成果

从表3可知，天盖水库汛期水量主要集中在6月～8月，径流占整个汛期的62.3%，为主汛期，是易形成水库淹没最高水位和所需滞洪库容最大的时段。

3.5 岩溶管道泄流能力

天盖海子最高淹没水位由多场次洪水叠加形成，无法采用单场洪水通过调洪演算推求岩溶管道泄流能力。李大成等[12]基于淹没时段水量平衡，结合历史洪水成果，以淹没最高水位和淹没持续时间为控制条件，推求了天盖海子岩溶管道泄流能力，成果见表4。

3.6 滞洪库容分析

天盖水库通过帷幕灌浆、贴坡防渗等措施无坝成库，利用闸门连通库水和原岩溶管道进行泄流，受岩溶管道泄流能力不足的制约，洪水不能被及时排走，最大滞洪量可能有多场次洪水叠加形成，滞洪库容不能按单场次洪水考虑，而应考虑整个汛期泄水情况综合确定。

表4 天盖海子岩溶管道泄流能力成果

根据天盖水库1951年～2017年汛期径流系列，扣除各时段泄流量(岩溶管道泄流能力采用表4)，可得各对应时段的余水量，筛选出各年最大余水量，即为相应年份最大滞洪量。

水库入流具有随机特性，常以独立随机变量形式描述，通过水量平衡调节计算所得最大滞洪量也为随机变量。根据水文计算的实践经验可知我国水文随机变量较为符合皮尔逊III型曲线分布，天盖水库入流服从P-III分布，最大滞洪量为水库入流的严格单调函数，根据随机变量性质，通过调节计算确定的最大滞洪量也满足P-III分布。

将天盖水库1951年～2017年历年最大滞洪量作为连续实测系列，采用数学期望公式Pm=m/(n+1)×100%计算经验频率，矩法初估统计参数初值，采用P-Ⅲ型理论频率曲线目估适线确定统计参数，成果见表5及图3。

表5 天盖水库年最大滞洪量统计成果

图3 天盖水库年最大滞洪量频率曲线

根据表5可知，天盖水库P=20%、P=5%滞洪量较相应频率单场次洪水量分别少30万、157万m3，表明以整个汛期来泄水情况确定滞洪库容是合理的。

根据SL290—2009《水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范》，结合天盖水库库区的实际情况，确定天盖水库淹没处理的设计洪水标准为，耕园地按5年一遇(P=20%)、农村居民点按20年一遇(P=5%)设计洪水标准确定。库区主要防护对象为农村居民点，滞洪库容按20年一遇设计洪水考虑，为保障天盖水库库区防洪安全，所需滞洪库容为540万m3。

4 结 论

(1)溶蚀洼地无坝成库具有工程投资省、施工工期短、施工方便等优势，但亦有地势低洼、四周无低凹垭口、地质条件复杂、岩溶管道堵塞、泄流能力不足、开辟新排洪通道技术复杂且投资经济性差等问题，泄洪及库区防洪安全是溶蚀洼地水库工程建设的重点与难点。

(2)针对缺乏实测水位流量资料、淹没最高水位与最大滞洪量由多场洪水叠加形成的溶蚀洼地水库，滞洪库容的确定仅考虑单场次洪水是不安全的，可基于水量平衡原理考虑水库汛期来泄水情况综合确定。

(3)根据历史洪水调查分析可知，天盖海子每年淹没最高水位与最大滞洪量由多场次洪水叠加形成，采用1951年～2017年长系列资料，基于水库汛期来泄水水量平衡原理，结合历史洪水调查成果，综合确定水库滞洪库容。实践表明，基于水库汛期来泄水水量平衡调算确定溶蚀洼地水库的滞洪库容是合理且可靠的，对缺乏实测水位流量资料、淹没最高水位和最大滞洪量由多场洪水叠加形成的溶蚀洼地水库的滞洪库容研究具有一定的借鉴意义。