关于岩溶地区非闭合流域水库设计径流计算方法的探讨

陈恒吉， 李劲华， 侯 凯， 苏 军

(毕节市勘测设计研究院， 贵州 毕节 551700)

归化河流域总面积290.0 km2，汇口处高程1295.0 m，河长40.9 km，平均坡降为6.05‰。归化河流域为非闭合流域[1-3]。汇流进入归化水库坝址处的地表水与地下水集水区域分5个区，各区的集水条件和几何特征分别列于表1。

表1 归化水库坝址控制流域地表与地下水分区面积

坝址控制A、C、E三区地表集水面积为269.0 km2，加上B、D二区地下集水面积7.0 km2，总集水面积为276.0 km2；其中闭合集水面积为265.2 km2(A+E区)，非闭合集水面积10.8 km2(B+C+D区)，前者占总集水面积的96.1%，后者仅占3.9%。因此，坝址径流计算时，应计入集水面积265.2 km2(A+E区)的水量，另加上7.0 km2(B+ D区)入渗的地下水量。

1 水文比拟法

基于水库坝址上游集水面积的分区情况，A+E区为水库的主要集水区，该部分径流量采用水文比拟法计算；B+D区地下径流量采用大气降水渗入法计算；C区地表径流量采用年径流模数法-大气降水渗入法和汛期枯水模数控制法综合计算；主要影响水库坝址径流量成果的是A+E区，所以本小结水库坝址径流量计算方法总体为水文比拟法。

(1)A +E区年径流计算。徐花屯水文站为归化水库设计参证站，采用徐花屯水文站实测径流成果，用水文比拟法推求，考虑流域面雨量和径流系数的差异，径流变差系数Cv、偏态系数Cs根据控制流域面积差异并结合地区变化规律及相邻流域已建工程分析成果确定。流量如式(1)[1]：

(1)

表2 A+E区径流计算成果(水文比拟法)

(2)B+D区地下年径流计算。B区和D区的地下水通过岩溶管道流入归化水库，地表水则分别流向六冲河和吊南河；因此，B区、D区的入库径流根据地质提供的降雨入渗系数按照大气降水渗入法计算，计算方法如式(2)：

(2)

表3 B+D区径流计算成果

(3)C区地表年径流计算。C区地下水流向库外，汛期地表径流全部入库。C区年径流按照两种方法进行计算。

① 年径流模数法-大气降水渗入法。水库坝址闭合流域年径流模数为12.2 L/(s·km2)，据此计算C区地表和地下年总水量为0.046 m3/s，即145.1万m3。C区降雨入渗系数为0.3，根据大气降水渗入法公式可得年地下水量为0.033 m3/s，即104.1万m3。因此，C区年地表水量为41.0万m3，按徐花屯水文站汛期5—10月径流量占全年径流总量的78%计算， C区地表径流量为32.0万m3，平均流量为0.010 m3/s。

② 汛期枯水模数控制法。C区附近区域出露的泉点枯季流量大都在1.0～3.0 L/s左右，再结合《贵州省河流枯水调查与统计分析》，C区95%枯水模数取2.0 L/(s·km2)，汛期枯水模数按照枯期模数的2～3倍取，则本次C区的汛期枯水模数为4.0 L/(s·km2)(为95%枯水模数的2倍)。由此而得，C区汛期流量为0.015 m3/s，即年径流量47.3万m3。

从以上两种计算方法的成果可看出，二者成果相差不大。据此，C区汛期流入归化水库的地表水量取二者的均值，平均流量为0.013 m3/s，年径流量为39.7万m3。

(4)坝址年径流。经上述计算，采用叠加法，求得归化水库坝址多年平均径流量如表4所示。

表4 归化水库坝址多年平均径流计算成果

上述成果表明，归化水库坝址多年平均入库流量为3.315 m3/s，入库径流总量为10 451.5万m3，其中A+E区多年平均径流量占总量的97.79%，B+D区占总量的1.83%，C区仅占0.38%。因C区径流量是简化计算，且集水面积仅占总面积的1.38%，从供水安全的角度考虑，本次坝址径流计算不计入C区径流。据此可得，归化水库坝址多年平均流量为3.302 m3/s，即多年平均径流量为10 411.8万m3。

(5)设计径流。根据叠加后的年径流，推求归化水库的设计年径流。因坝址集水面积为徐花屯水文站集水面积的2.56倍，故采用面积加降水加径流系数修正的水文比拟法来进行径流计算时，考虑径流Cv的修正。查《贵州省地表水资源》中相关等值线图，设计流域年径流Cv为0.28。

归化水库位于白甫河支流归化河上，坝址集水面积不计C区共272.2 km2。对江水文站位于白甫河上，集水面积1944.0 km2，将对江水文站实测历年逐月平均流量按水文年进行统计和频率分析计算，并以P-Ⅲ型曲线适线，该站Cv值为0.23。徐花屯水文站位于白甫河上段倒天河段，集水面积为104.8 km2，该站Cv值为0.28。根据以上分析，并结合本地区已有工程分析成果确定，本次设计归化水库坝址年径流的Cv取为0.28。根据计算的坝址处多年平均流量，并根据确定的径流Cv，得到坝址处设计年均流量频率曲线。根据徐花屯水文站的实测历年平均流量及对应的经验频率，结合参证站采用的统计参数，计算出参证站相应年份的理论年径流量值，结合坝址采用的统计参数，计算出坝址相应年份的理论平均流量值，即：Q参证站实测÷Q参证站理论×Q坝址理论，即可得到坝址逐年的年均流量。径流的年内分配，按徐花屯水文站分配率分配可得到水库的径流过程。采用水文比拟法并结合降水、径流系数及径流Cv修正计算的坝址成果列于表5。

表5 归化水库设计径流成果(水文比拟法)

2 降水径流频率相应法

基于水库坝址上游集水面积的分区情况，A+E区为水库的主要集水区，该部分径流量采用降水径流频率相应法计算；B+D区地下径流量采用大气降水渗入法计算；C区地表径流量采用年径流模数法-大气降水渗入法和汛期枯水模数控制法综合计算；主要影响水库坝址径流量成果的是A+E区，所以本小结水库坝址径流量计算方法总体为降水径流频率相应法。

使用降水径流频率相应法仍按“分块计算再叠加”的方法计算。

(1)A+E区年径流计算。毕节气象站多年平均年降水量为916.8 mm，Cv=0.17，Cs=2Cv；归化水库控制流域多年平均年降水量为910.5 mm，Cv=0.17，Cs=2Cv，多年平均年径流系数在0.40～0.45之间，取0.42，计算得多年平均径流深为382.4 mm。查“贵州省多年平均年径流深等值线图”，得本流域中心多年平均年径流深为400 mm 左右，两者成果相差不多，本工程的多年平均径流深采用382.4 mm是合理的。坝址以上计入降水径流频率相应法的集水面积为265.2 km2(A+E区)。经计算多年平均径流量为10 141.2万m3,多年平均流量3.216 m3/s。

径流的变差系数根据《贵州省地表水资源》中的公式计算，见式(3)[3]：

(3)

式中：Cvy为年径流变差系数；Cv x为年降水变差系数，取0.17；α为年径流系数，取0.42；m、β、γ为地区性经验参数，取m=0.7，β=0.04，γ=1.1；F为集水面积，F<100 km2时取F=100 km2，取265.2 km2。

计算得Cvy=0.29，结合《贵州省地表水资源》上有关等值线图，取年径流的变差系数Cvy=0.28，偏态系数Cs=2Cvy。

(2)B+D+C区年径流计算。采用上述大气降水渗入法计算B区和D区年径流成果，采用年径流模数法-大气降水渗入法计算C区年径流成果，相关成果见表6。

表6 B区、D区、C区年径流成果

(3)叠加后坝址年径流。水库坝址5个区的水量和叠加成果如表7所示。

表7 归化水库坝址多年平均径流量计算成果

分区计算叠加后，归化水库坝址多年平均径流总量为10 372.2万m3，多年平均入库流量为3.290 m3/s，其中A+E集水区多年平均径流量占总量的97.77%，B+D区占总量的1.84%，C区仅占0.38%。因C区径流量是简化计算，且集水面积仅占总面积的1.38%，从供水安全考虑，本次坝址径流计算不计入C区径流。据此可得，归化水库坝址多年平均径流量为10 332.5万m3，即多年平均流量为3.277 m3/s。

(4)设计径流。假设归化水库年径流深与毕节气象站年降水的经验频率一致，按经验频率查出年降水的P-Ⅲ型曲线的理论值，再根据归化水库年径流的统计参数，可得到归化水库历年径流理论值系列；再移用毕节气象站年降水量理论值与实际值的比例到年径流，从而确定归化水库对应年份的年径流实际值，如公式Yi=(Pi/Pp)·Yp所示。有了年径流深后，按毕节气象站降水的年内分配计算归化水库径流深的年内分配，并进行枯水控制。枯水控制的方法为[2]：根据分析计算出的坝址断面处最小月P=95%的枯水模数，其值为1.83 L/(s·km2)，若坝址断面出现月平均流量小于坝址处最小月P=95%的枯水流量，则该月的流量修正为最小月P=95%的枯水流量，增加的部分从丰水期平均流量最大的月份扣除。这样就得到1951—2020年共70个水文年逐月径流深系列。按不同时段推求归化水库的设计年径流，成果见表8。

表8 归化水库设计径流成果

3 径流成果比较

根据水文比拟法和降水径流频率相应法计算出的归化水库坝址历年长系列径流成果，汇总相应径流统计参数计算成果列于表9。

表9 归化水库坝址径流统计参数成果对比

由表9可知，采用水文比拟法计算水库坝址多年平均径流量10 411.8万m3，采用降水径流频率相应法计算水库坝址多年平均径流量10 332.5万m3，两种方法计算成果值差异较小，仅为0.7%。从年内分配分析，采用水文比拟法计算枯水段11月—次年4月平均径流量2291.6万m3，Cv为0.30，占多年平均径流量的22.01%；采用降水径流频率相应法计算枯水段11月—次年4月年均径流量1720.7万m3，Cv为0.36，占多年平均径流量的16.65%，略显偏小。上述两种方法计算成果的最大差异主要在全年和枯水段11月—次年4月Cv的差异，采用水文比拟法时考虑了Cv的修正，其计算成果与流域年内年际分配规律相吻合，故本次设计推荐水文比拟法作为设计径流成果。

4 径流成果合理性分析

(1)归化水库控制流域多年平均年降水量为910.5 mm，多年平均径流系数为0.42，径流深为382.4 mm，与降水、径流深的区域分布是基本相符的，年径流变差系数取值0.28，符合年径流变差系数区域分布规律。

(2)年径流量随统计时段的增加而增加，变差系数Cv相应则减小，反映了径流变化的一般规律，符合区域变化规律。

(3)经两种计算方法比较，二者结果基本接近，多年平均流量相等；其中水文比拟法枯水期径流和最小月径流更接近实际。

(4)坝址处最小月平均径流模数为3.11 L/(s·km2)，与《贵州省河流枯水调查与统计分析成果》等值线成果基本一致。

综上所述，设计坝址处径流成果符合地区规律，成果合理。

5 结 论

归化河流域为非闭合流域，归化水库坝址有特性不同的5个地表和地下集流区，本次采用水文比拟法及降水径流频率相应法进行径流计算，并按照 “分块计算再叠加”的方法进行推求。采用徐花屯水文站及毕节气象站作为径流分析参证站，经过水文比拟法与降水径流同频率相应法径流成果对比分析，最终推荐以徐花屯水文站为参证站的水文比拟法径流成果为本次设计成果。经过计算成果合理性分析，成果安全可靠，为岩溶地区非闭合流域水库径流计算及成果选择提供了借鉴。