喀斯特地区复杂岩溶洪水计算实例分析

周正媛

(贵州省水利水电工程咨询有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

贵州境内73%以上地区分布着碳酸盐类岩层,强烈的岩溶地貌分布星罗棋布，对贵州省水利工程中的洪水计算有很大的影响。贵州省水利专家根据推理公式法并结合贵州省的实际情况，推导出的关于贵州省中小流域洪水计算公式(简称“雨洪法”)，为贵州省内无实测水文资料地区的洪水计算提供了一套实用的计算办法。当工程所在断面以上流域内存在较大范围(如其集水面积占流域面积20%以上)的“闭流区”(排泄性能较差的岩溶洼地、暗河、伏流等,对暴雨洪水具有较强的调蓄性能)，应考虑将“闭流区”与不受岩溶影响的明流区分别推算设计洪水，错开洪水传播时间叠加后推求主河道设计断面处的设计洪水(或洪峰流量)。本文以盘县锅圈洞水库为例，对“雨洪法”中明流区+闭流区的天然洪水计算方法技巧进行详细论析，对喀斯特地区复杂岩溶洪水计算方法的研究有一定的借鉴意义。

1 “明流区”与“闭流区”洪水计算方法

1.1 明流区洪水计算方法

明流区指无岩溶或少岩溶的地区，贵州省一般采用“雨洪法”公式进行计算，该基本计算公式的推导是在短历时暴雨、产流、汇流分析的基础上进行，根据不同集水面积范围采用不同的公式计算明流区的洪峰流量。

1.2 闭流区洪水计算方法

“闭流区”的设计洪水应结合调査进行分析估算，当闭流区为单一岩溶洼地且一个出水点时，一般首先计算闭流区洪水总量，再根据调查一场洪水从起涨到消退完的时间，计算“闭流区”调蓄后的设计最大洪峰流量Q闭。

工程所在断面的设计最大洪峰流量Qp全≈Qp明+Q闭r。

2 计算实例分析

2.1 流域概况

锅圈洞水库位于贵州省盘县县政府所在地红果镇北部，石板沟河的下游河段。石板河为拖长江右岸的一级支流，属于珠江流域北盘江水系。锅圈洞水库坝址处的总集水面积为79.84 km2，由石板沟河(明流区)和锅圈洞泉水(闭流区)两部分组成，其中：明流区集水面积为12.54 km2，主河道长5.83 km，主河道平均坡降46.09‰；闭流区集水面积67.3 km2。

闭流区来水出露于锅圈洞泉水，位于锅圈洞水库坝址上游450 m。闭流区总的集水面积为67.3 km2，由8个岩溶洼地组成：马场屯洼地、小猴场、娅密(岩溶)洼地、海子铺洼地、冯家庄洼地、水沟洼地、吴官屯洼地、两河洼地。锅圈洞泉水发源于贵州省盘县两河乡吴官屯北面山峰，海拔高程1 939.0 m，由北向南经过冲老岭、吴官屯、于李家寨进入伏流，于两河洼地分三个泉眼流出地表，在两河乡由东向西流经0.66 km(河道距离)再次进入伏流(锅圈洞暗河)，沿途接纳水沟洼地、冯家庄洼地、马场屯+小猴场洼地、娅密(岩溶)洼地、海子铺洼地通过地下暗河汇入水量于锅圈洞泉水出露。

水库及其集雨区以中山侵蚀地貌为主、溶蚀地貌为辅的地貌景观，拟建水库处于侵蚀峡谷内。库区碳酸盐岩出露面积大，且分布广泛，主要有T1yn1、T1yn2、T1g2+3等可溶岩地层，水库及水库集雨区处于拖长江与西冲河地表分水岭附近，亦资孔向斜的两翼，地层产状平缓，气候温和湿润，降雨充沛，岩溶发育较为强烈。区内地表岩溶形态主要有石芽与溶沟、溶槽、岩溶洼地、落水洞等，地下岩溶形态主要有溶洞、暗河等。

锅圈洞水库流域特征参数见表1。

表1 锅圈洞水库坝址以上流域特征参数统计表

2.2 设计暴雨

锅圈洞水库所在流域附近有盘县气象站、鸡场坪雨量站、羊场雨量站、土城水文站等站；根据盘县气象站的暴雨统计参数，结合贵州省最新有关的暴雨等值线图和邻近工程取值，确定设计流域最大60 min降水量均值为45 mm，Cv为0.4，Cs/Cv为3.5。

2.3 历史洪水

2013年5月对锅圈洞水库坝址、锅圈洞泉水、海子铺洼地、马场屯洼地、冯家庄洼地、吴官屯洼地和两河洼地进行了洪水调查。由于锅圈洞水库坝址以上流域岩溶伏流复杂，为了调查清楚设计流域的洪水情况，除了对历史洪水重现期的调查外，重点调查流域内洼地伏流的壅水时间、壅水高程、洪水消退历时等。锅圈洞水库历史洪水调查成果见表2。

表2 锅圈洞水库历史洪水调查成果表

受访者将历史洪水集中在1995年和1999年，1995年洪水是受访者记忆中最大的一次，其次是1999年洪水。从受访者年龄来看，大多在60岁左右，考虑对10岁以前发生的洪水情况有可能记忆不清楚，则1995年洪水是50 a以来最大，重现期定为50 a；1999年是50年以来第二大洪水，重现期定为25 a。

2.4 坝址天然设计洪水

锅圈洞水库属无实测水文资料地区，流域内伏流暗河密布，附近流域内没有和本流域下垫面特征类似的水文站。不适合采用流量法或地区综合法计算本流域设计洪水，只有采用‘雨洪法’结合调查到的历史洪水来推求。

锅圈洞水库坝址处洪水由石板沟河洪水和锅圈洞泉水组成，石板沟河直接采用“雨洪法”计算，锅圈洞泉水汛期出流根据历史洪水调查资料进行分析拟定。

2.4.1 石板沟河(明流区)设计洪水计算

设计洪水计算公式及产汇流参数在《贵州省暴雨洪水计算手册(修订本)》上查取。根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》的要求，不同的流域特征应采用不同的雨洪计算公式，其水库流域特征以流域特征值θ(θ=L/J1/3/F1/4)和集水面积反映。石板沟河集水面积12.54 km2，河长5.83 km，比降46.09‰，流域特征值θ=8.64。

根据现场踏勘调查，流域内植被较差，且流域内有部分洼地，因此产汇流分区定为Ⅰ区(黔中地区)，暴雨衰减指数n3=0.8，Δn3为6区。有关的地理参数根据1/万地形图量取。参数r取均值0.335，C取均值。石板沟河设计洪水成果见表3。

2.4.2 锅圈洞泉水设计洪水计算

锅圈洞泉水补给源由马场屯洼地、娅密(岩溶)洼地、海子铺洼地、冯家庄洼地、吴官屯洼地、两河洼地组成，汛期洪水源头散布，且岩溶伏流暗河密布，从源头推算锅圈洞洪水及出流过程不现实。锅圈洞泉水设计洪水计算中，考虑直接在锅圈洞泉水出口调查历史洪水、常年洪水流量，并以调查到的洪水流量为依据，按洪水频率越高锅圈洞泉水出流量越大，但增幅逐步减小的规律拟定其他频率洪水流量。

历史洪水调查：根据历史洪水调查，锅圈洞泉水1995年洪水流量为80.2 m3/s，1999年洪水流量为64.9 m3/s，常年洪水流量为14.1 m3/s。锅圈洞泉水1995年洪水频率为P=2.0%，1999年洪水频率为P=4%，常年洪水频率为P=50%，根据上述三组洪水流量和频率反算锅圈洞泉水洪水流量特征值参数。经计算，锅圈洞泉水多年平均最大洪峰流量为21.1 m3/s，Cv=0.915，Cs/Cv=2.77。反算锅圈洞泉水洪峰流量特征值参数频率曲线见图1。

图1 锅圈洞泉水洪峰流量特征值参数频率曲线

锅圈洞泉水汛期洪水峰现时间：锅圈洞泉水补给流域集水面积在4.17～18.51 km2之间，分别为马场屯洼地、海子铺洼地、娅密(岩溶)、冯家庄洼地、吴官屯洼地和两河洼地，6块洼地(岩溶)平均集水面积为11.2 km2。石板沟河集水面积12.54 km2，接近6块洼地(岩溶)平均集水面积，因此锅圈洞泉水汛期各频率洪水的峰现时间和涨峰各时段的涨率均采用石板沟河各频率设计洪水过程线对应成果。

2.4.3 锅圈洞水库坝址天然设计洪水

锅圈洞水库坝址处洪水由石板沟河洪水和锅圈洞泉水组成，锅圈洞泉水汛期洪水考虑洪水传播时间和洪峰出现时间。经计算，锅圈洞水库天然设计洪水成果见表3。

表3 锅圈洞水库坝址天然设计洪水成果表

从暴雨统计参数来看，以流域附近盘县气象站、鸡场坪雨量站、羊场雨量站、土城水文站等站为参证站，暴雨统计参数与贵州省最新的有关暴雨等值线图是吻合的；从区域综合分析角度看，设计断面明流区洪水P=1%洪峰模数为26.6 m3/s·km2(n=0.67)，与邻近下垫面相似流域其它工程相差不多。可见坝址天然设计洪水成果是比较合理的。

3 结语

通过研究该地区洪水特性规律，调查推算天然洪水的推演计算，得到与历史洪水相匹配的设计洪水计算成果，为喀斯特岩溶发育地区工程优化设计提供了科学依据。

(1)锅圈洞水库设计洪水地区组成复杂，通过地质现场查勘、历史洪水调查和水库联通实验确定了水流的方向，即多个岩溶洼地通过不同的岩溶管道最终汇集到锅圈洞泉水，因此锅圈洞水库坝址洪水=明流区洪水+闭流区洪水(锅圈洞泉水洪水)是合理的。

(2)暴雨参数选择首先考虑暴雨参证站是否合理，还应结合地区相关分布规律进行综合研究。锅圈洞水库流域内暴雨参数，以流域内的气象站、雨量站和水文站为参证站，参证站选择比较合理，且暴雨统计值与《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中相关暴雨等值线图吻合。

(3)历史洪水调查包括了历史洪水重现期调查和岩溶洼地的洪水调查，其中重点调查流域内岩溶洼地伏流的壅水时间、壅水高程、洪水消退历时，计算出锅圈洞泉水不同频率的洪峰流量，绘制成泉水的洪峰流量特征值参数频率曲线图，

(4)通过对坝址洪峰模数进行分析，与地区洪水的分布规律基本一致。“雨洪法”计算洪水成果与相应频率历史调查洪水进行比较，二者吻合度好，计算成果合理。