岩溶地区设计洪水计算方法探讨

徐克兵

（湖北省宜昌市水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443003）

岩溶地区的明流区与伏流暗河区产流，汇流特性有很大差异，伏流暗河区洪水因受地下水通道和伏流段溶洞的调蓄作用，较明流区洪水过程洪峰滞后，峰形平缓，退水历时长。如果按全流域统算，可能使设计成果偏大，特别是稀遇年份，偏大更甚。

当伏流暗河区洪水的峰量在设计洪水总量中占有较大比重时，应分别计算明流区和伏流暗河区设计洪水并进行叠加。在伏流暗河区出流过程变化较小时，出流相当于基流，采用叠加的方法是可行的。当出流过程变化较大时，存在着如何组合的问题，此时需分析明流区、伏流暗河区出流过程的相互关系。本文以湾潭河流域扁口洞电站设计洪水计算为例，探讨一种推求岩溶地区设计洪水计算方法。

1 研究区域简介

湾潭河流域位于鄂西南山区的南坡，发源于五峰县海拔2252 m的北风垭，自东北向西南径流，在流程21.5 km处的右岸纳入横渡河支流，至汆坪地表河消失，河水由大汆、小汆、吞洪洞等岩溶洞穴潜入地下暗河。经4.5 km长的暗河系流汇集流域内各闭流区的地下水后，于锁金山北麓的百胜观、扁口洞集中出露流入白顺河，在百胜观下游约3 km处的左岸加入三道河，经鹤峰汇入湖南洞庭湖水系缕水上游的缕水支流。

湾潭河流域属典型的山区性岩溶河流，同时又是历史上著名的“35·7”特大暴雨中心。流域洪水由暴雨形成，洪水特征完全受暴雨和地形所制约。据湾潭镇雨量站资料记载，实测最大日降雨量量为210.5 mm，大于50 mm的暴雨日最早出现在3月19日，最大出现在10月10日。平均每年暴雨日数约为6 d，最多年达14 d，暴雨主要集中在5—9月。由于流域支流发育呈扇型，加之河床坡降陡，洪水集流时间短，汇流迅速，致使洪水暴涨、暴落，一次洪水过程1～2 d，涨洪历时仅数小时。

2 湾潭河流域设计洪水计算

2.1 明流区设计洪水计算

明流区洪峰流量计算采用地区综合公式计算。以湾潭河流域扁口洞电站为例，扁口洞电站坝址以上集水面积105.08 km2，其中明流区面积14.5 km2，占13.8%；流暗流区面积90.58 km2，占86.2%。扁口洞电站设计暴雨采用设计点雨量、点面关系转换的方法，计算得到明流区和全流域的设计暴雨，如表1所示。

表1 扁口洞电站设计暴雨统计表

湾潭河流域位于第7水文分区，根据《湖北省暴雨径流查算表》中最大流量综合公式及有岩溶地区变差系数Cv值公式：

计算结果如表2所示。

2.2 明流区设计洪水过程线计算

明流区洪水过程线推求采用《湖北省暴雨径流查算图表》中介绍的中小流域实测洪水过程以相对值Qi/Qm和ti/tp进行概化，为了进一步考虑湾潭河流域的暴雨洪水特性差异，引进洪水形状系数：

表2 扁口洞电站明流区设计洪水

式中：h——设计净雨总量，mm；F——流域面积，km2；Qm——洪峰流量，m3/s；T——地面径流历时，h；

由于明流区坝址和厂房处的面积在14.5～27.4 km2之间，故选用设计净雨历时tc=6 h，地面径流历时T=0.46F0.535+tc=8 h，根据《湖北省暴雨径流查图表》将洪水过程线Qi～ti转换为地面径流过程线，每时段加上Q0则为设计洪水过程线。坝址处明流区百年一遇的洪水过程计算如表3所示。

表3 坝址处明流区百年一遇洪水过程计算表

2.3 伏流暗流区设计洪水计算

伏流暗河区扣除损失后净雨汇集于河道，经滞洪调蓄后由暗河进入明流区，洪水过程将只概化为三角形。实地调查伏流暗河区洪水历时一般为6～7 d，采用6 d或7 d对全流域设计洪峰影响甚微，故按6 d计算，伏流暗河区设计洪峰流量（Qp暗）按下式计算：

式中：C——洪峰径流系数；H全——全流域设计面雨量，mm；H明——明流区设计面雨量，mm；A全——全流域面积，km2；A明——明流区面积，km2；T——洪水历时，为6 d；

伏流暗河区设计洪峰流量计算成果（明流面积90.58 km2）：P=1%时为 96.4 m3/s，P=2%时为 83.1 m3/s，P=3.33%时为 77.4 m3/s，P=5%时为 66.3 m3/s，P=10%时为 53.2 m3/s。

2.4 洪水叠加原则

明流区洪水过程采用《湖北省暴雨径流查算图表》提供方法确定，伏流暗河区按概化三角形模拟洪水过程，经实地调查涨洪历时10～12 h，根据以往伏流暗河区洪峰出现时间分析，伏流暗河区洪峰流量叠加在明流区洪水过程终止点，由此计算得到全流域的设计洪峰流量如表4所示。

表4 扁口洞电站设计洪峰流量表m3/s

由于暗河区洪水历时较长，具涨水历时几乎超过了明流区的洪水历时，故两者的洪峰不可能相遇，其洪峰只能叠加在明流区洪水过程终点上。按照以上分析叠加原则，计算约百年一遇坝址处暗流区相应明流区Qm的相应流量为17.7 m3/s。

3 成果合理性分析

我们仍按计算岩溶地区明流区的计算公式计算：

坝址断面设计洪水成果如表5所示。

厂房处：

厂房断面设计洪水成果如表5所示。

表5 坝址 厂房断面设计洪水成果表

扁口洞电站坝址以上承雨面积105.08 km2，厂房以上118 km2，其中伏流、暗河区集水面积95.58 km2（其中暗河区为90.58 km2），占全流域面积的86.2%，所占比重较大，在洪水期如果不进行岩溶影响的处理或修正，有可能使设计洪水成果明显偏大较多。扁口洞电站统算与分区计算设计洪水比较如表6所示。

表6 扁口洞电站统算与分区计算设计洪水比较表 m3/s

两种计算方法设计洪水绝对误差与相对误差统计如表7所示。

表7 两种计算方法绝对误差与相对误差统计表

从表7可以看出全流域统算洪水设计成果系统偏大近1～2倍。从两种计算方法成果比较表中可以看出这种误差绝不是偶然误差。而且由于计算方法不当所造成的一种系统误差。

4 结语

本文提出了岩溶地区设计洪水计算方法的处理和修正，并以鄂西南湾潭河流域为例，将明流区、伏流暗河区分开计算设计洪水，然后叠加成为岩溶地区洪水设计。研究结果表明，经岩溶洞室滞洪调蓄后，伏流暗河区的出流量与天然情况有所不同，在达到一定量级后其增率和变幅逐渐减小，当这部分流量所占比重较大时，与明流区洪水一样采用上端无限的线型是不甚相符的。

全流域统算洪峰流量明显偏大较多，稀遇年份几乎偏大近两倍，这主要是由于目前频率计算方法与采用线型适用于明流区设计洪水计算，而伏流暗河经岩溶洞室滞洪调蓄后，其出流量显然有所不同，在达到一定量级后其增率和变幅逐渐减小，可视为有较稳定的上限值，当这部分流量占比重较大时，与明流区洪水一样采用上端无限的线型是不甚相符的。许多调查资料表明：当伏流、暗河区面积所占全流域面积比重较大时，应在开展流域水文地质调查的基础上，对明流区与暗河区分开计算才能使洪水设计成果更加可靠、合理。

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