基于水量平衡的岩溶洼地泄流能力研究

李大成，龚兰强

(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

岩溶洼地是喀斯特地区常见的一种负地形地貌，形状多为圆形或近圆形，四周多低山和峰林，底部平坦，雨季易涝，旱季易干[1]。洼地积水主要通过岩溶管道进入地下岩溶系统，明确岩溶管道泄流能力对保障岩溶洼地滞洪安全具有重要意义。岩溶洼地的岩溶管道具有过水断面不规则、路径蜿蜒、流态复杂等特点，无法通过实测岩溶管道水力要素计算其泄流能力。张祖莲[2]根据岩溶地区特殊的地质条件，将超量洪水在洞前形成的滞蓄洪区视为“一个水库”，而将落水洞视为水库的“泄洪建筑物”，以历史实测水位及相应暴雨资料等作为已知条件，根据水库调洪演算原理试算确定了清江利川落水洞的过流能力。蔡贵珍等[3]利用暴雨设计洪水过程线和洼地蓄积曲线推求了千师营溶蚀洼地的地下岩溶通道的最大过流能力。徐一帆等[4]通过对小流域条件下多种岩溶落水洞过流能力评价方法的对比与分析，认为由于岩溶落水洞形态的不规则性和多样性及流态运移过程复杂性，目前无现成的公式可直接计算其过水能力，但可通过计算暴雨洪峰流量进行类比推理。蒙海花等[5]以贵州省普定县后寨河流域为例，建立了基于落水洞的岩溶半分布式水文模型，进行了岩溶地区地表模拟工作和水文参数的反演。然而，目前针对无实测水位流量资料、滞洪时间长的岩溶洼地泄流能力分析有待进一步研究。

本文以安龙天盖海子为例，采用汛期径流水量平衡法，结合调查的历史洪水，通过试算确定天盖海子岩溶管道泄流能力，为缺乏实测水位流量资料、滞洪时间长的岩溶洼地泄流能力分析提供技术参考。

图1 天盖海子地下水补给、排泄及渗漏带分布示意

1 研究区域概况

天盖海子位于安龙县海子镇，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，末端宽度30～50 m，首部宽度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15.8‰。

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。天盖海子地下水补给、排泄及渗漏带分布示意见图1。

天盖海子周边垭口(鞍部)地形最低高程1 448.00 m左右，洼地底部最低高程1 402.21 m(消水点高程1 401.01 m)，洼地底部由于长期的淤积作用，地形平缓。每年进入汛期后(5月底或6月初)，洼地被水淹没，形成一天然的季节性水库，至9月主汛期结束，水面逐渐消落，一般在12月左右，水体基本上消落见底，丰水年洼地的淹没时间可持续至次年的3月底，甚至出现水体未完全消落就再次被淹没的情况。

2 研究方法

研究区域岩溶发育强烈，岩溶洼地及落水洞遍布，岩溶管道错综复杂，无法通过实测岩溶管道水力要素方式计算其泄流能力。天盖海子为封闭型岩溶洼地，周边垭口(鞍部)地形最低点较洼地底部高约50 m，为一“天然水库”。可将天盖海子看成“水库”，岩溶管道视为“泄水建筑物”，结合调查的历史洪水，通过调洪试算确定岩溶管道过流能力；然而，天盖海子每年被淹，淹没持续时间约5～10个月。

为此，本文采用汛期径流水量平衡方法，以调查到的淹没最高水位和淹没持续时间为控制条件，试算确定天盖海子岩溶管道泄流能力。

3 泄流能力分析

天盖海子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，径流洪水根据降水资料推求。

3.1 库容曲线

天盖海子库容曲线采用1∶2 000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2。

图2 天盖海子库容曲线

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[6～8]，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)。即

(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，洪水总量计算如下

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3。

表1 天盖海子设计洪水成果

图3 天盖海子设计洪水过程线

3.3 历史洪水调查

根据现场访问调查，天盖海子每年被淹，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年为近十年最高淹没水位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。

表2 天盖海子历史洪水调查成果

根据表2可知，调查的历史洪水位对应库容均大于相应重现期次洪水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，仅单场洪水通过调洪演算无法推求岩溶管道泄流能力。

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[9～10]，天盖海子汛期径流成果见表3。

表3 天盖海子汛期径流成果 万m3

3.5 泄流能力分析

根据调查的历史洪水成果分析可知，天盖海子最高淹没水位由多场次洪水叠加形成，按汛期水量平衡控制推求岩溶管道泄流能力更为合理。

由于岩溶管道形态的不规则性和多样性，使得流体在其运移过程复杂。为了简化，结合调查的历史淹没水位，将天盖海子岩溶管道泄流曲线分为3段(1 401～1 415 m、1 415～1 417.5 m，1 417.5～1 420 m)，假定各段泄流能力是均匀增加的，据此采用汛期水量平衡原理试算岩溶管道泄流能力。

分别以P=95%、1988年、2017年汛期径流作为天盖海子来水，以假定的岩溶管道泄流能力作为天盖海子泄流通道，以相应的淹没最高水位和淹没持续时间作为控制条件，试算确定各段岩溶管道泄流能力。

经水量平衡试算分析，天盖海子岩溶管道泄流能力成果见表4。

表4 天盖海子岩溶管道泄流能力成果

根据表4可以看出，天盖海子岩溶管道泄流能力随着高程的增加而加大，且增加幅度逐渐增大，主要由于随着高程增加，海子库水面增大，岩溶管道增多，相应泄流能力也随之增大。

4 结 论

(1)岩溶管道具有形态的不规则性和多样性及流体运移复杂性等特点，无法通过实测岩溶管道水力要素计算其泄流能力，可将岩溶洼地看作“水库”，岩溶管道视为“泄水建筑物”，通过水量平衡试算确定。

(2)针对缺乏实测水位流量资料、滞洪时间长、淹没最高水位由多场洪水造成的岩溶洼地，岩溶管道泄流能力计算无法通过单场次洪水调洪演算推求，可采用汛期径流通过水量平衡调节试算确定。

(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由多场次洪水叠加形成，采用汛期海子水量平衡试算确定的岩溶管道泄流能力与水文地质调查成果基本一致。实践证明，基于水量平衡试算确定岩溶管道泄流能力是可靠的，对缺乏实测水位流量资料、滞洪时间长的岩溶洼地泄流能力分析具有指导意义。