李大成,龔蘭強(qiáng)
(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州貴陽(yáng)550081)
巖溶洼地是喀斯特地區(qū)常見的一種負(fù)地形地貌,形狀多為圓形或近圓形,四周多低山和峰林,底部平坦,雨季易澇,旱季易干[1]。洼地積水主要通過巖溶管道進(jìn)入地下巖溶系統(tǒng),明確巖溶管道泄流能力對(duì)保障巖溶洼地滯洪安全具有重要意義。巖溶洼地的巖溶管道具有過水?dāng)嗝娌灰?guī)則、路徑蜿蜒、流態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn),無法通過實(shí)測(cè)巖溶管道水力要素計(jì)算其泄流能力。張祖蓮[2]根據(jù)巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)條件,將超量洪水在洞前形成的滯蓄洪區(qū)視為“一個(gè)水庫(kù)”,而將落水洞視為水庫(kù)的“泄洪建筑物”,以歷史實(shí)測(cè)水位及相應(yīng)暴雨資料等作為已知條件,根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算原理試算確定了清江利川落水洞的過流能力。蔡貴珍等[3]利用暴雨設(shè)計(jì)洪水過程線和洼地蓄積曲線推求了千師營(yíng)溶蝕洼地的地下巖溶通道的最大過流能力。徐一帆等[4]通過對(duì)小流域條件下多種巖溶落水洞過流能力評(píng)價(jià)方法的對(duì)比與分析,認(rèn)為由于巖溶落水洞形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性及流態(tài)運(yùn)移過程復(fù)雜性,目前無現(xiàn)成的公式可直接計(jì)算其過水能力,但可通過計(jì)算暴雨洪峰流量進(jìn)行類比推理。蒙?;ǖ萚5]以貴州省普定縣后寨河流域?yàn)槔?,建立了基于落水洞的巖溶半分布式水文模型,進(jìn)行了巖溶地區(qū)地表模擬工作和水文參數(shù)的反演。然而,目前針對(duì)無實(shí)測(cè)水位流量資料、滯洪時(shí)間長(zhǎng)的巖溶洼地泄流能力分析有待進(jìn)一步研究。
本文以安龍?zhí)焐w海子為例,采用汛期徑流水量平衡法,結(jié)合調(diào)查的歷史洪水,通過試算確定天蓋海子巖溶管道泄流能力,為缺乏實(shí)測(cè)水位流量資料、滯洪時(shí)間長(zhǎng)的巖溶洼地泄流能力分析提供技術(shù)參考。
圖1 天蓋海子地下水補(bǔ)給、排泄及滲漏帶分布示意
天蓋海子位于安龍縣海子鎮(zhèn),為一大型的封閉型巖溶洼地,總體走向近東西向,長(zhǎng)約2.2 km,末端寬度30~50 m,首部寬度130~300 m。天蓋小河自西向東流經(jīng)洼地底部,在洼地最東端陡壁腳潛入地下形成伏流(地下暗河),于東北面約8 km(直線距離)的岔河流出地表,為岔河暗河系統(tǒng)的源流之一。消水點(diǎn)以上流域集水面積29.68 km2,主河道長(zhǎng)8.12 km,平均坡降15.8‰。
天蓋海子以F1斷層為界,斷層北西側(cè)為T1yn弱巖溶化地層或相對(duì)隔水地層,為海子的補(bǔ)給區(qū)域;斷層南東盤為P2m地層出露區(qū)域,P2m為強(qiáng)巖溶地層,存在一系列的溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等典型巖溶現(xiàn)象,天蓋海子天然條件下的排泄通道位于F1斷層南東盤的P2m地層內(nèi),枯水期天蓋小河通過天蓋海子?xùn)|側(cè)陡壁腳的落水洞潛入地下,汛期天蓋海子蓄水后(每年的5月底或6月初至當(dāng)年的12月左右),庫(kù)水從斷層南東盤多個(gè)通道(落水洞、溶洞、洼地、巖溶裂隙等)排泄。天蓋海子地下水補(bǔ)給、排泄及滲漏帶分布示意見圖1。
天蓋海子周邊埡口(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(消水點(diǎn)高程1 401.01 m),洼地底部由于長(zhǎng)期的淤積作用,地形平緩。每年進(jìn)入汛期后(5月底或6月初),洼地被水淹沒,形成一天然的季節(jié)性水庫(kù),至9月主汛期結(jié)束,水面逐漸消落,一般在12月左右,水體基本上消落見底,豐水年洼地的淹沒時(shí)間可持續(xù)至次年的3月底,甚至出現(xiàn)水體未完全消落就再次被淹沒的情況。
研究區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,巖溶洼地及落水洞遍布,巖溶管道錯(cuò)綜復(fù)雜,無法通過實(shí)測(cè)巖溶管道水力要素方式計(jì)算其泄流能力。天蓋海子為封閉型巖溶洼地,周邊埡口(鞍部)地形最低點(diǎn)較洼地底部高約50 m,為一“天然水庫(kù)”??蓪⑻焐w海子看成“水庫(kù)”,巖溶管道視為“泄水建筑物”,結(jié)合調(diào)查的歷史洪水,通過調(diào)洪試算確定巖溶管道過流能力;然而,天蓋海子每年被淹,淹沒持續(xù)時(shí)間約5~10個(gè)月。
為此,本文采用汛期徑流水量平衡方法,以調(diào)查到的淹沒最高水位和淹沒持續(xù)時(shí)間為控制條件,試算確定天蓋海子巖溶管道泄流能力。
天蓋海子所在天蓋河為山區(qū)雨源型河流,徑流、洪水均由降水形成,降水徑流特性基本一致,洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上漲歷時(shí)短等特點(diǎn)。流域內(nèi)無實(shí)測(cè)水文資料,徑流洪水根據(jù)降水資料推求。
天蓋海子庫(kù)容曲線采用1∶2 000矢量地形圖量算所得,高程系統(tǒng)為黃海系統(tǒng),水位~庫(kù)容關(guān)系曲線見圖2。
圖2 天蓋海子庫(kù)容曲線
天蓋河流域缺乏實(shí)測(cè)洪水資料,設(shè)計(jì)洪水采用暴雨推求[6~8],計(jì)算公式采用《貴州省特小流域暴雨洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(1993年1月)。即
(1)
式中,Qp為洪峰流量,m3/s;f為流域形狀系數(shù);J為坡降;F為設(shè)計(jì)流域集水面積,km2;C3為洪峰徑流系數(shù);r1為匯流參數(shù)的非幾何特征系數(shù);H24p為設(shè)計(jì)頻率P對(duì)應(yīng)的年最大24 h點(diǎn)雨量,mm。
設(shè)計(jì)洪水總量采用“扣損法”計(jì)算而得,洪水總量計(jì)算如下
Wmp=0.1h24p×F
(2)
h24p=H24pf-(Hs+ΔHs)
(3)
式中,Wmp為洪量,萬m3;H24pf為流域平均雨量,mm;h24p為設(shè)計(jì)洪水徑流深,mm;Hs為穩(wěn)定雨損,mm;ΔHs為附加雨損,mm。
設(shè)計(jì)洪水過程線采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》中洪水形狀系數(shù)ρ為0.25的(二)類概化線推求,漲水面積率α0為23.9%。天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果見表1、設(shè)計(jì)洪水過程線見圖3。
表1 天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果
圖3 天蓋海子設(shè)計(jì)洪水過程線
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)訪問調(diào)查,天蓋海子每年被淹,每年洪水位維持在1 415.00 m及以上,最高淹沒水位為1 420.00 m(1988年),2017年為近十年最高淹沒水位1 417.50 m,結(jié)合流域暴雨洪水特性、周邊雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)暴雨資料及調(diào)查情況,歷史洪水調(diào)查成果見表2。
表2 天蓋海子歷史洪水調(diào)查成果
根據(jù)表2可知,調(diào)查的歷史洪水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容均大于相應(yīng)重現(xiàn)期次洪水24 h洪量,表明天蓋海子最高淹沒水位由多場(chǎng)次洪水疊加形成,僅單場(chǎng)洪水通過調(diào)洪演算無法推求巖溶管道泄流能力。
天蓋河流域無實(shí)測(cè)徑流資料,由于流域內(nèi)徑流由降水形成且降水徑流特性一致,徑流采用降水徑流同頻相應(yīng)法推求[9~10],天蓋海子汛期徑流成果見表3。
表3 天蓋海子汛期徑流成果 萬m3
根據(jù)調(diào)查的歷史洪水成果分析可知,天蓋海子最高淹沒水位由多場(chǎng)次洪水疊加形成,按汛期水量平衡控制推求巖溶管道泄流能力更為合理。
由于巖溶管道形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性,使得流體在其運(yùn)移過程復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化,結(jié)合調(diào)查的歷史淹沒水位,將天蓋海子巖溶管道泄流曲線分為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勻增加的,據(jù)此采用汛期水量平衡原理試算巖溶管道泄流能力。
分別以P=95%、1988年、2017年汛期徑流作為天蓋海子來水,以假定的巖溶管道泄流能力作為天蓋海子泄流通道,以相應(yīng)的淹沒最高水位和淹沒持續(xù)時(shí)間作為控制條件,試算確定各段巖溶管道泄流能力。
經(jīng)水量平衡試算分析,天蓋海子巖溶管道泄流能力成果見表4。
表4 天蓋海子巖溶管道泄流能力成果
根據(jù)表4可以看出,天蓋海子巖溶管道泄流能力隨著高程的增加而加大,且增加幅度逐漸增大,主要由于隨著高程增加,海子庫(kù)水面增大,巖溶管道增多,相應(yīng)泄流能力也隨之增大。
(1)巖溶管道具有形態(tài)的不規(guī)則性和多樣性及流體運(yùn)移復(fù)雜性等特點(diǎn),無法通過實(shí)測(cè)巖溶管道水力要素計(jì)算其泄流能力,可將巖溶洼地看作“水庫(kù)”,巖溶管道視為“泄水建筑物”,通過水量平衡試算確定。
(2)針對(duì)缺乏實(shí)測(cè)水位流量資料、滯洪時(shí)間長(zhǎng)、淹沒最高水位由多場(chǎng)洪水造成的巖溶洼地,巖溶管道泄流能力計(jì)算無法通過單場(chǎng)次洪水調(diào)洪演算推求,可采用汛期徑流通過水量平衡調(diào)節(jié)試算確定。
(3)根據(jù)歷史洪水調(diào)查分析可知,天蓋海子每年淹沒最高水位由多場(chǎng)次洪水疊加形成,采用汛期海子水量平衡試算確定的巖溶管道泄流能力與水文地質(zhì)調(diào)查成果基本一致。實(shí)踐證明,基于水量平衡試算確定巖溶管道泄流能力是可靠的,對(duì)缺乏實(shí)測(cè)水位流量資料、滯洪時(shí)間長(zhǎng)的巖溶洼地泄流能力分析具有指導(dǎo)意義。