淺析貴州山區(qū)非閉合流域入庫徑流計算方法

龍章發(fā)，羅姍姍

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

巖溶地貌在全球分布廣泛，面積接近2 200萬km2，約占陸地面積的15%，近1/4人口的飲水完全或部分依賴于巖溶地區(qū)的水資源，因此巖溶地區(qū)水資源研究具有十分重要的意義[1]。中國西南地區(qū)，如廣西、貴州、云南等地區(qū)，巖溶分布集中，是世界上巖溶地貌發(fā)育最典型的地區(qū)之一。受溶蝕作用的影響，巖溶地區(qū)發(fā)育巖溶裂隙、巖溶管道、溶溝、落水洞及暗河等構造。這導致地表水與地下水交互頻繁，地下水可在鄰近流域間交換，流域處于非閉合狀態(tài)。所謂閉合流域，就是該流域的地面分水線明確，且地面與地下分水線又相互重合。反之，則稱為非閉合流域。

貴州省是世界上最典型的巖溶地貌地區(qū)之一，巖溶出露面積占全省面積62%，巖溶山區(qū)地質結構復雜，導致流域年徑流難以準確地具體計算，給工程設計工作帶來很大的困難。針對這一問題，筆者根據(jù)實踐經(jīng)驗，以貴州省思南縣小河水庫工程為例，提出非閉合流域入庫徑流的估算方法[2]。

1 流域及工程概況

小河水庫位于貴州省銅仁市思南縣東華鄉(xiāng)東瓜溪村，所在河流楊家河為長江流域烏江水系二級支流，一級支流為六池河。在壩址下游楊家河中游段，有已經(jīng)建成的過水灣水庫，其正常蓄水位為678 m，回水至擬選壩址下游東瓜溪附近。小河水庫壩址地理坐標為東經(jīng)108°05′14″、北緯28°04′37″，距思南縣直線距離約22 km，有鄉(xiāng)村公路通往壩址及庫區(qū)，交通較為便利。

小河水庫壩址以上地表集水面積為 37.1 km2，主河道長為12.5 km，主河道平均比降為13.1‰。經(jīng)勘查，水庫區(qū)位于楊家河上游河段，屬淺切侵蝕—溶蝕低山地貌，可溶巖與碎屑巖相間分布，河床高程為685～715 m，兩岸山頂高程為950～1 195 m，相對高差為245～380 m。水庫為峽谷地形，局部為陡崖，河流一級階地斷續(xù)分布于河床兩岸，高出河水面1.5～4.0 m，兩岸山體總體寬厚完整。庫區(qū)范圍內出露地層由老至新有寒武系(∈)、奧陶系(O)、志留系(S)、二疊系(P)及第四系。其中，寒武系(∈)分布于左岸下部，河床及整個右岸。奧陶系(O)分布于庫尾，左岸坡及右岸坡頂部。志留系(S)和二疊系分布于左岸坡至左岸分水嶺附近。第四系(Q)多集中分布在山間谷地、巖溶洼地、槽谷及河流沿岸。

經(jīng)勘查，小河水庫所在河流楊家河主河道和左岸各支流在桐梓、紅花園組(O1t+h)地層出露段上游于枯水期內均有地表徑流，但徑流在經(jīng)過湄潭組地層出露段進入桐梓、紅花園組(O1t+h)地層出露段后，流量逐漸減少至消失?？菟趯罴液又骱拥篮拖嚓P支流進行了測流，測流斷面布置見圖1，枯水期[3]測流結果見表1。

表1 小河水庫枯期測流成果

圖1 小河水庫壩址流域地質構造、地層分布及枯水期測流斷面布置示意

根據(jù)表1，2017年8月29日當日模數(shù)約為5.0 L/(s·km2)(以1#斷面以上為不漏水封閉流域)，壩址處實測當日徑流模數(shù)為1.64 L/(s·km2)；2017年10月31日當日模數(shù)約為3.2 L/(s·km2)，壩址處實測當日徑流模數(shù)為1.04 L/(s·km2)。壩址處徑流模數(shù)明顯偏小，流域內有水量向外流域補給交換。結合地質專業(yè)分析，壩址以上存在地下分水嶺，地下分水嶺以上流域為非閉合流域，面積為22.6 km2，地下分水嶺至壩址區(qū)為閉合流域，面積為14.5 km2。

2 基本資料情況

小河水庫壩址以上流域無水文、氣象、雨量等測站分布，周邊流域主要水文站有石阡水文站(集水面積為1 476 km2)、思南水文站(集水面積為51 270 km2)、印江水文站(集水面積為694 km2)，主要氣象站、雨量站有德江氣象站、思南氣象站、印江氣象站、煎茶溪雨量站。由于各水文測站與工程所在流域下墊面條件、徑流特性存在較大差異[4]。綜合分析，采用德江氣象站作為降水參證站。

3 設計徑流計算

3.1 理論徑流計算

小河水庫理論徑流分析計算根據(jù)德江氣象站資料采用降水徑流頻率相應法推求[5]。假定設計流域徑流與降水的經(jīng)驗頻率相一致，并結合《貴州省地表水資源》成果，并按照枯水調查分析成果控制，采用降水徑流頻率相應法推求壩址處歷年逐月徑流成果。

小河水庫工程流域多年平均降水量為1 186.4 mm，變差系數(shù)Cv為0.20，Cs/Cv=2.0。查《貴州省地表水資源附圖》，設計流域的多年平均年徑流系數(shù)在0.54左右，計算得本工程多年平均徑流深為641 mm；再查“多年平均徑流深等值線圖”，可知本流域的多年平均徑流深在600～700 mm之間，說明本工程的多年平均徑流深是合理的[6]，則壩址多年平均流量為0.754 m3/s。

徑流的變差系數(shù)根據(jù)《貴州省地表水資源》中的公式：

Cvy=γ·Cvx/(αm+βLgF)

(1)

式中Cvy為年徑流變差系數(shù)；Cvx為年降水變差系數(shù)，Cvx=0.20；F為集水面積，F(xiàn)﹤100 km2時取F=100 km2；α為年徑流系數(shù)，本次取0.54；m、β、γ為地區(qū)性經(jīng)驗參數(shù)，m=0.7，β=0.04，γ=1.1。

計算得Cv=0.30，結合《貴州省地表水資源》上年徑流變差系數(shù)等值線圖(F<300 km2)，本流域年徑流變差系數(shù)在0.30左右，根據(jù)計算成果和查等值圖以及周邊鄰近已建過水灣水庫工程，綜合分析Cv取0.31，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv。

壩址處長系列徑流過程采用降水徑流同頻率相應法進行計算。根據(jù)德江氣象站歷年降水量的經(jīng)驗頻率在年徑流深設計頻率曲線上查得一徑流深，在用年降水量的實測值與同一經(jīng)驗頻率查降水頻率曲線上的理論值進行修正，即可得到逐年徑流深。徑流年內分配按降水分配率計算并用保證率P=95%枯水期流量[7]進行控制，各時段徑流設計成果見表2。

表2 小河水庫天然情況下(理論)徑流成果 萬m3

3.2 壩址以上非閉合流域交換水量

3.2.1現(xiàn)狀交換水量ΔP

2017年6月1日，小河水庫流域由于夜間降水量較大，流域沿河道至上而下均有水流，我公司人員對本次小洪水進行了流量測驗，共布置11個測流斷面(S1～S11)，另有2個推測斷面(T1、T2)。小河水庫洪水期測流斷面布置示意見圖2，洪水期測流成果見表3。

圖2 小河水庫洪水期間(2017年6月1日)測流斷面布置示意

表3 小河水庫洪水期測流成果 m3/s

根據(jù)表3可知，當日地表、地下分水嶺斷面處的測時流量為1.0 m3/s，根據(jù)流域內S1、S11兩不透水地層控制斷面，推測當次模數(shù)約為 0.169 m3/(s·km2)(已考慮洪水的消退系數(shù)影響)，則T1斷面理論流量應為3.82 m3/s，T2斷面理論流量為5.95 m3/s。因此，初步分析可知，T1斷面以上控制流域總的交換水量[8]約為2.82 m3/s。

另外，根據(jù)S1、S2斷面實測流量可知，S1～S2兩斷面之間河床漏失水量為0.036 m3/s；同理可知S2～S3兩斷面之間的河床漏失水量為0.119 m3/s；S3～S6兩斷面之間的河床漏失水量為0.389 m3/s；S6～T1兩斷面之間的河床漏失水量為0.70 m3/s，如此，則小河水庫壩址以上滲漏區(qū)域河床交換水量為1.24 m3/s。進而可分析得出滲漏區(qū)域面上交換水量為1.58 m3/s。

因此，根據(jù)本次測流成果分析，小河水庫壩址以上非閉合流域總的交換水量為2.82 m3/s，其中區(qū)間滲漏段河床交換水量為1.24 m3/s，滲漏區(qū)域面上交換水量為1.58 m3/s。

3.2.2流域引水防滲措施總體布局以及對流域徑流的影響分析

根據(jù)前述分析，現(xiàn)狀小河水庫壩址以上控制流域面積為37.1 km2，其中閉合流域面積為14.5 km2，非閉合流域(地表、地下分水嶺處以上控制流域)面積為22.6 km2。為保障小河水庫入庫徑流，并考慮采取引水防滲措施：對區(qū)間非閉合流域內S1、S4、S7控制斷面至T1區(qū)間河道進行河道治理[9]，并采取防滲措施，確保水庫建成后流域內河床不漏水，并將小河水庫非閉合流域內處于湄潭組地層(非滲漏地層)的楊家河上游、魚家溝支流、雙龍洞支流三處的天然水量通過防滲處理后的河道引入水庫。相關措施實施后，可減少非閉合流域內的河床滲漏水量，另外通過將上游各不漏水區(qū)域通過區(qū)間防滲處理后的河道與下游閉合流域河道連接后，可加大小河水庫的入庫徑流，上游來水更有保障。

3.2.3采取工程措施后壩址以上非閉合流域交換水量ΔP′

通過實施上述防滲引水工程措施，由圖2可知，楊家河上游(S1斷面以上，控制流域面積為4.46 km2)、魚家溝支流(S4斷面以上，控制流域面積為1.17 km2)、雙龍洞支流(S7斷面以上，控制流域面積為2.44 km2)天然徑流均可通過防滲處理后河道入庫。因此，小河水庫壩址以上閉合流域面積應為14.5+4.46+1.17+2.44=22.6 km2，非閉合流域面積則為37.1-22.6=14.5 km2，主要滲漏為非閉合流域面上滲漏，根據(jù)前述分析其交換水量為1.58 m3/s。

3.3 實際入庫徑流計算

3.3.1總體思路

采取工程措施后，小河水庫閉合流域面積為22.6 km2，非閉合流域面積為14.5 km2，水庫實際入庫徑流為閉合流域徑流與非閉合流域徑流疊加求得。

閉合流域徑流計算：本次閉合流域徑流根據(jù)前述計算所得壩址理論徑流成果，根據(jù)面積比求得。

非閉合流域徑流計算：小河水庫非閉合流域總面積為14.5 km2，流域主要為地層滲漏，根據(jù)前述分析，其交換水量大約為1.58 m3/s。漏水能力遠大于該流域的多年平均徑流量，無雨時日，流域基流基本不進入河道，直接從地層表面往深層滲漏。因此，該非閉合流域入庫徑流量主要為區(qū)域暴雨時超過其交換水量后多余的洪水。

3.3.2閉合流域設計徑流成果

小河水庫工程實施后，壩址以上閉合流域面積為22.6 km2，該部分入庫徑流根據(jù)壩址天然情況下(理論)徑流成果，按面積比(22.6/37.1=0.609)求得，經(jīng)計算，閉合流域多年平均年徑流量為1 449萬m3。

3.3.3非閉合流域設計徑流成果

小河水庫上游非閉合流域主要為地層滲漏，根據(jù)前述分析，其交換水量大約為1.58 m3/s。漏水能力遠大于該流域的多年平均徑流量，無雨時日，流域基流基本不進入河道，直接從地層表面往深層滲漏。本次設計，該部分入庫徑流量主要為區(qū)域暴雨時超過其交換水量，地層水量飽和后多余的洪水[10]。因此，非閉合流域入庫徑流將根據(jù)德江氣象站逐日降水資料進行分析計算求得。

1) 非閉合流域不同量級暴雨天然洪水過程線

根據(jù)德江氣象站1959—2016年歷年逐日降水資料，歷年最大1 d暴雨為185 mm，出現(xiàn)日期為1989年8月27日，本次以10 mm為梯級，分別計算10～190 mm不同等級降水量下的洪水過程線。

2) 非閉合流域不同量級暴雨入庫洪量

根據(jù)計算所得不同量級暴雨天然洪水過程線，扣除其交換水量1.58 m3/s，計算得到不同量級暴雨的入庫洪水過程線，進而統(tǒng)計分析得出不同量級暴雨的入庫洪量(見表4)。

3) 非閉合流域入庫徑流量計算。

根據(jù)德江氣象站1959—2016年逐日降水資料以及不同量級暴雨對應入庫洪量關系，可得到非閉合流域的逐日入庫徑流量[11]，從而統(tǒng)計分析可得非閉合流域歷年逐月徑流量，經(jīng)計算，小河水庫壩址以上非閉合流域多年平均入庫徑流量為332.2萬m3，占理論多年平均徑流量的35.7%。汛期4—9月多年平均入庫徑流量為290萬m3，占多年平均年入庫徑流量的87.3%，枯期10—3月多年平均入庫徑流量為42.2萬m3，占多年平均年入庫徑流量的12.7%。

表4 不同量級暴雨對應入庫洪量關系成果

4) 小河水庫實際入庫徑流量

將前述分析計算所得閉合流域與非閉合流域逐月入庫徑流量進行疊加即可求得小河水庫實際入庫徑流量(見表5)。經(jīng)計算小河水庫多年平均實際入庫徑流量為1 781萬m3，占小河水庫壩址以上流域多年平均理論年徑流量的74.9%。

表5 小河水庫實際入庫徑流量統(tǒng)計成果

4 設計徑流合理性分析

小河水庫所在流域屬典型的雨源型河流，設計流域多年平均降水量為1 186.4 mm，理論上多年平均年徑流深為641 mm，而通過采取一定的防滲措施后，實際狀況為480 mm，且豐枯年的水量差異較大。設計流域徑流深較《貴州省地表水資源》及鄰近流域要小，是由于本流域與外流域存在水量交換所致。本次非閉合流域設計徑流采用德江氣象站逐日降水資料，并結合分析所得的不同量級暴雨對應入庫洪量關系推求。非閉合流域多年平均入庫徑流量約占多年平均理論徑流量的35.7%，符合流域的徑流特性[12]，成果是合理的。

5 結語

巖溶地區(qū)巖溶千姿百態(tài)，對徑流的影響各不相同。本文依據(jù)測流成果，分析得出交換水量，然后建立不同量級暴雨對應入庫洪量關系，并結合參證站逐日降水資料，綜合分析得出非閉合流域的設計徑流，僅為諸多方法之一。

對于缺乏實測資料的巖溶流域，設計流域的漏水調查和建立專用站實測為設計提供可靠依據(jù)是十分重要的，但是調查難以定量而專用站資料一般較短，如何利用較短的資料作出滿足規(guī)范要求的設計徑流是值得分析和研究的。