永茂煤矿废水治理工程设计洪水分析计算

田谷顺

（湘西水文水资源勘测中心，湖南 吉首 416000）

1 项目由来

永茂煤矿筹建于1990 年8 月，1992 年简单投产，资源储量采完后，1999 年又新掘进两个平硐，即现在的永茂主平硐和景和主平硐。相继在2002 年初、2008年6 月对该两处矿井进行资源整合，整合后矿井范围即现阶段永茂矿山范围。

根据相关文件精神，决定对该煤矿进行政策性关闭，但关闭后，未进行矿山生态复绿，目前仍有废水从矿坑内流出，对周边环境有一定影响。为切实维护当地群众利益，龙山县国土资源局分别委托湖南省常德工程勘察院编制《湖南省龙山县永茂煤矿含铁酸性废水治理工程设计》、湘西鸿源水利咨询有限公司编制《湖南省龙山县永茂煤矿含铁酸性废水治理工程洪水影响评价》。

2 设计洪水计算技术路线

1）设计洪水流量计算

工程处设计洪峰流量分别采用面积比拟法和《湖南省暴雨洪水查算手册》（2015 版）推理公式法计算，综合分析确定。

2）设计洪水位计算

工程处起推控制断面根据调查1998 年的洪水位、流量、水面比降和实测大断面成果，用曼宁公式计算其综合糙率，再推求起推控制断面处水位流量关系，最后用水面线方程逐断面向上计算上游断面洪水位，遇阻水工程，用经验公式计算工程后阻水壅高，然后再又用水面线方程逐步向上计算至工程最上游断面。

3 流域概况

该工程位于酉水一级支流猛洞河水田坝镇上游村，猛洞河流域在东经109°98′～109°53′，北纬28°49′～29°29′之间，发源于桑植县八家田，流经猛必、汝池、五家堡、吴家寨、马鞍山、凤栖、勺哈、富坪、灵溪镇、海螺，于永顺龙头汇入酉水，河流总长158 km，干流平均坡降2.25‰，流域面积为2 275 km2。流域内设有1 个国家基本水文站，8个雨量站。河源至永顺水文站河长111 km，干流平均坡降2.55‰，永顺水文站以上流域面积为1 035 km2。

工程处以上集雨面积95.5 km2，干流长度25.9 km，干流平均坡降6.90‰，工程与临近永顺水文站距离40.8 km。工程处以上水系及项目位置示意见图1。

图1 工程以上水系及项目位置示意图

4 工程处设计洪水计算

4.1 项目基本情况

该煤矿目前已停产，矿坑排水仍未达到自然排放标准。为了更加有效地处理此矿坑水，防止矿坑水从其他途径渗出，污染生态环境，根据该煤矿废水特征，以及对污染物的去除机理分析，本次设计选择经济合理、技术可行、操作简单方便的工艺流程。设计的工艺流程如图2。

图2 废水治理工艺流程图

4.2 洪水计算方法

1）水文比拟法

采用永顺水文站1957—2016 年58 年历年实测洪峰资料系列及其历史调查洪水，进行P-Ⅲ型频率适线，适线成果：Q平=1 273 m3/s，CV=0.62，CS=4.0 CV。用水文比拟法计算工程处的设计洪峰流量，成果见表1。

表1 永顺站及工程处不同频率洪峰成果表 m3/s

2）设计暴雨（推理公式法）推求设计洪峰流量

根据工程所在位置和邻近龙山县水田站1998 年最大24 h 雨量资料，查算《湖南省暴雨洪水查算手册》，工程处P24均=125 mm，Cv=0.60，Cs/Cv＝3.5，计算得工程处不同设计频率的最大P24点雨量，计算成果见表2。

表2 工程处不同频率年最大24 h 降雨量成果表 mm

4.3 洪水计算参数

根据工程处设计最大P24点雨量、集水面积等资料，查算《湖南省暴雨洪水查算手册》图表中的相关参数，采用推理公式推求得到工程处设计洪水，计算参数及成果见表3。

表3 工程处推理公式设计洪水计算参数及成果表

4.4 洪水计算成果及合理性分析

因工程处以上集水面积为95.5 km2与参证站的集水面积相差81.3%，超出30%范围内，不符合水文比拟法的适用条件；工程处流域面积小于100 km2，根据以往的洪水计算实践，推理公式较适用于小流域，故选用推理公式法计算成果作为本次设计洪水，成果见表4。

表4 工程处年最大洪峰不同频率流量汇总表流量 m3/s

4.5 洪水位的推求

1）计算公式

①曼宁公式：Q=AR2/3S1/2/n

式中 Q——流量；

A——过水断面面积；

R——水力半径；

S——水面比降。

②天然河道水面曲线基本方程

a.伯努利能量方程

式中 Z上、Z下——上、下断面水位；

V上、V下——上、下断面流速；

Q——河道流量；

ΔS——上、下断面间距；

α——动能校正系数；

KP——河段平均流量模数；

ζP——河段平均局部水头损失系数；

g——重力加速度；

he′——工程阻水造成的局部水头损失。

2）起推控制断面水位流量关系推求

根据1998 年调查的洪水位、流量、水面比降以及实测大断面，用曼宁公式计算起推控制断面（D1）综合糙率，n=0.036。再采用其综合糙率推求D1 断面水位流量关系线。成果见表5，水位流量关系线见图3。

图3 起推控制断面(D1)水位流量关系线图

表5 工程处起推控制断面（D1）水位流量关系曲线成果表

3）工程处典型断面设计洪水位的推求

根据工程起推控制断面不同设计频率洪峰流量所对应的水位，采用天然河道水面曲线基本方程计算，分别得到上游不同典型断面处的不同设计频率洪水位。成果见表6。工程河段典型水文断面布置图见图4。

表6 工程处不同频率洪水位成果表

图4 工程河段典型水文断面布置图

5 结 语

在湖南省无水文资料山区，对于控制面积较小的涉水工程，根据工程处河流自然特性，采用《湖南省暴雨洪水查算手册》（2015 版）推理公式法推求设计洪水，其计算结果与实地调查成果较为吻合。