强岩溶非闭合流域水库天然径流分析研究

赵 云,赵 玮,党晓军

(陕西省水利电力勘测设计研究院, 陕西 西安 710001)

我国的岩溶较为发育,在我国南方的云南、贵州、广西以及北方的山西、山东、河南等省份广泛分布有346万km2碳酸盐岩地层,其中91万km2的碳酸盐岩裸露于地表[1]。由于我国各地区气候地质条件不同,岩溶发育强弱不同,因而岩溶地貌与河系的发育也不相同[2-5]。岩溶地区河流的基本特征是流域不闭合[6]：具有地表和地下两个水系、两个分水岭、两个流域的“二元结构”[7-8]。地表和地下流域常不吻合,地下水系的补给区和排泄区常不在同一个地表分水线划分的流域内,径流特征有特殊的规律性。在岩溶地区特别是裸露岩溶区修建水利水电工程时,多数情况下,径流计算不能简单地采用闭合流域水量平衡方程式,应考虑本流域与相邻流域间水量交换,按非闭合流域水量平衡方程式计算设计径流[9-12]。对于复杂的岩溶地区,可通过区域水文地质调查、连通试验等方法确定岩溶区域的水力联系,也可通过设立水文测站进行观测和分析。

龙塘水文站控制流域面积250 km2,存有1973年—1987年水位、流量、降水等观测资料。这15年水文资料,为龙塘水库水文分析提供了宝贵的基础资料。

1 流域概况

马坝河流域位于盐源盆地北部,系雅砻江的四级支流,发源于白林山脉的火炉山,整个流域呈长条形,北高南低,地表流域面积287 km2,长度63 km,主河道平均比降8.2‰。河流自北向南流经盐源县境内的白乌镇、大河乡至干海乡折向西南方向,于九洞桥附近汇入梅雨河。马坝河东邻古柏河、西靠白乌河,由于分水岭距离较近,三条河分水岭宽仅3 km～5 km,因此马坝河中下游流域成窄条长形,马坝河流域水系图见图1。

图1 马坝河流域水系图

龙塘水库所处的马坝河流域处于灰岩发育的喀斯特地区,流域中游漏斗、落水洞密集,可看到成片的落水洞群,落水洞底部常渐变为溶蚀裂隙或竖井,大部分无充填,具有很强的导水能力,成为接受降雨的通道,属于岩溶地下水的径流补给区;下游:农耕发达,岩溶形态仅星点状出露,属岩溶水的排泄区,排泄形式以暗河及泉的形式集中排泄,因而在马坝河的龙塘峡谷形成了集中排泄带,每个排泄带均有一个或多个具有长流量的暗河或泉水点,是岩溶水排泄点相对集中的地点。该区间分布的泉有大龙塘、左龙眼、右龙眼等。

龙塘水库坝址位于马坝河下游的峡谷段,坝址以上地表水控制流域面积256 km2,主河道长50 km,河道平均比降11‰。

2 工程概述

龙塘水库位于四川省凉山彝族自治州盐源县,水库坝址距离盐源县城约16 km,距离凉山州府西昌市约160 km,工程建设任务是灌溉、城乡生活供水及发电等综合利用。工程为Ⅱ等大(2)型,由水库工程和灌区工程两大部分组成。龙塘水库总库容1.45亿m3,兴利库容1.15亿m3。多年平均供水量1.31亿m3,坝后电站总装机容量8 200 kW,年发电量1 368万kW·h。龙塘灌区灌溉面积2.41万hm2,其中新增灌溉面积1.83万hm2,改善灌溉面积0.59万hm2,灌区涉及盐源县盐井镇、梅雨镇、卫城镇、白乌镇、干海乡、下海乡、双河乡、大河乡河棉桠乡9个乡镇,供水惠及人口约14万。

3 水文地质调查

3.1 区域水文地质

马坝河所在的盐源盆地区内水系主要由雅砻江及其支流小金河(包括卧罗河、甲米河、盐塘河及梅雨河等)组成。梅雨河发育分布于盐源盆地内,由白乌河、马坝河、古柏河等众多的支流组成树枝状的向心水系,河谷蜿蜒多曲,河床较为宽坦。其余河流均分布于盆地外围山区,水文网发育展布主要受地质构造控制,其干流以顺构造线发育为主,支流则多垂直构造线展布,组成近似羽状的环形水系,见图1。总体来看,盆地内松散地层、东部和西北部的碎屑岩、变质岩地区,水文网发育较密;碳酸盐岩地层分布区,水文网发育相对较稀,干流切割深,支流切割浅。水文网发育特征对地下水补给、运移有明显的控制作用。

区域内地下水类型主要以岩溶水为主,分布广泛,且含水量丰富、排水集中,集中排泄点10处[13]。排水量受季节影响较大,枯水期排水量较小,丰水期排水量很大。

盐源盆内地共发育了5条暗河,盆地内地下水的流向和水位的下降方向与盆地内河流的发育方向基本一致。这些暗河和泉水的补给来源位于盆地内,通过灰岩中发育的溶洞向盆地内部排泄,并在径流过程中接受沿线地表水和地下水的补给;盆地内共有3处岩溶水集中排泄点,出露的泉水既有上升泉,又有下降泉,且泉水流量差异性较大,说明每个排泄点的补给来源为多层地下水,且相互之间水力联系微弱。

由区域水文调查资料[14]分析可知,盐源盆地与外侧存在地表和地下分水岭,且高程高于库水位2 420 m,说明盐源盆地属于相对封闭的地下水系统。

3.2 库坝区岩溶管道联通试验

岩溶水是工程区最主要的地下水类型,查明岩溶水的动力特征和补排关系,从而查明库坝区岩溶系统是该工程勘察设计的重点。

为了查明工程区岩溶水的水动力联系, 委托中国地质科学院岩溶地质研究所分别在白乌河(河床)高程2 420 m以上的麦地堰沟口段投放钼酸铵示踪剂250 kg;在古柏河左岸大河乡大院子桥以东约2 km处一落水洞内投放荧光素钠100 kg。接收点主要布置在马坝河水库、龙塘峡谷附近的各岩溶水排泄点(泉点)、钻孔。

钼酸铵示踪试验表明[15],白乌河投放点以下河段地表水与马坝河流域各泉点之间没有水力联系。

白乌河每年11月下旬开始断流,至来年5月份有大气降雨才恢复流水。据水文观测,此间近6个月的时间并没有造成马坝河流域各岩溶泉水的突然断流或水量的剧减等水文动态变化,说明马坝河流域出露的泉水来自更远的西北地区,反映出白乌河与马坝河流域各岩溶泉水之间没有直接主导型补-排关系。

荧光素钠示踪试验表明[15],古柏河流域大院子以上河段地表水及地下水与马坝河龙塘峡谷段之间存在密切的水力联系,即古柏河流域大院子以上河段的地表水和地下水均流向了马坝河流域,马坝河袭夺了古柏河。两者之间地下水应主要通过管道-裂隙混合型介质运移,并具有多个相互连通的路径:荧光素钠异常最先于大龙塘检出,随后分别为左龙眼、右龙眼,最终在石河坝泉检出,反映示踪剂弥散晕有自北向南推移、扩散的规律。含水介质属于岩溶裂隙-管道混合型,在左、右龙眼以较高浓度出露地表,并穿越马坝河在对岸的石河坝泉较高位置排出,具有一定的承压性,而大龙塘、东西小龙塘(水井)地下水管道相对通畅。

岩溶发育主要受构造及相对隔水岩层分布的控制,地下水动力场也与此相适应,形成了该区特殊的地表水及地下水补排关系,见图2。马坝河以地表水为主,同时还通过岩溶管道系统袭夺了古柏河上游的河水,增加了自身河流量。岩溶水是工程区最主要的地下水类型,工程区的岩溶水可分为马道子—大林乡水动力单元和长坪子—大院子水动力单元两个水力系统,其补排关系、水动力特征及水化学特征各异,在天然状态下,两个水动力单元的水力联系不密切。

图2 岩溶地区水力联系图

水文地质分析结论:龙塘水库所在的马坝河流域为非闭合流域,流域通过岩溶管道系统袭夺了古柏河上游的河水,增加了自身河流量,马坝河为盈水区域。

4 非闭合流域径流分析研究

流域内的径流包括地表径流和地下径流。因此,分水线也有地表分水线与地下分水线两种。如果地表分水线与地下分水线相重合,这样的流域称为闭合流域。但由于地质构造上的原因,地表分水线与地下分水线常常并不完全重合。这种流域称为非闭合流域。

在石灰岩发育地区,地层中常有岩溶管道,则本流域产生的地下水,有可能通过溶洞流到外流域去,而外流域的地下水也有可能通过溶洞流到本流域,这是一种非闭合流域。

龙塘水库位于盐源盆地北部的马坝河下游,马坝河以及邻近的白乌河、古柏河均流经了灰岩地区,区域内岩溶发育,坝址区由于马坝河低于两侧邻谷白乌河与古柏河,两侧邻谷灰岩峡谷段的地表水或地下水主要通过地下岩溶管道,集中排泄补给马坝河[16],测得马坝河过境流量显著增大。为了分析不闭合流域龙塘水库的天然来水量,通过龙塘专用水文站观测成果,以盐源县气象站降水资料以及邻近流域庄房站的径流资料插补延长龙塘站,得到龙塘站和水库坝址长系列多年平均径流量;结合水文地质调查和岩溶管道联通试验等勘察成果,勾绘出水库的地下分水岭,得到的水库实际汇水面积,使得插补延长后的水库多年平均径流深满足地区分布规律。

4.1 坝址来水量分析

龙塘水文站仅观测有1973年—1987年15年水文资料,为龙塘水库的设计提供了宝贵的资料,因此水文分析计算也依据这15年资料进行插补延长,得出满足规范要求的长系列坝址天然来水量系列。

(1) 采用降雨资料插补延长。马坝河本流域以上设有的雨量站,观测时间较短,根据马坝河周围雨量站分布情况,采用资料系列较长的盐源气象站进行分析,点绘龙塘站实测径流量与盐源气象站降水量同步图,见图3,由图可以看出,龙塘水文站与盐源气象站降雨具有一定的同步性,径流深大于降雨量,一方面说明马坝河流域非闭合,另一方面说明雨量站代表性不好。

图3 龙塘实测径流深与盐源气象站降雨量过程线

由于坝址以上为岩溶地区,地下水所占比例较大,采用龙塘站扣除基流(基流量采用龙塘实测最小月平均流量0.23 m3/s)的年径流量与盐源气象站年降水量、汛期径流量与汛期降水量分别相关,插补延长龙塘站年、汛期径流量,并以此为控制,得到插补后龙塘各月径流量。根据盐源气象站雨量的年内分配特点,雨量相关汛期采用5月—10月,相关关系如下:

年:

相关方程:W龙塘=17.184P1.0792

相关系数:r=0.75

式中:W龙塘为龙塘年径流量,万m3;P为盐源气象站年降水量,mm。

相关图见图4。

图4 龙塘站(扣基流)年径流-盐源气象站年降雨量相关图

汛期5月—10月:

相关系数:r=0.76

式中:W龙汛为龙塘5月—10月径流量,万m3;P盐汛为盐源气象站5月—10月降水量,mm。

相关图见图5。

图5 龙塘站5月—10月径流量(扣基流)-盐源气象站5月—10月降雨量相关图

由以上方程插补年及汛期径流量,然后回加扣除的基流量,计算得到1957年—2018年多年平均径流量2.42亿m3。

(2) 采用邻近流域参证站径流资料插补延长。与马坝河相邻的永宁河、宁蒗河、盐井河上分别设有盖租、庄房、甲米水文站,其中庄房站观测资料较好,系列也较长,且控制流域面积与马坝河龙塘站相差不大,同期实测径流的同步性较好,宁蒗河以上植被良好,森林覆盖率高,为相对闭合区域,见图6,因此选用宁蒗河庄房站插补延长龙塘站。

图6 庄房站与龙塘站同期年平均流量过程线

参证站:宁蒗河庄房站

资料系列:1961年—2018年

根据龙塘站实测径流和庄房站相应的流量,分别进行年、汛期径流相关,汛期根据龙塘站实测资料,采用6月—10月,相关方程如下:

年:

相关方程:W龙塘=0.4459W庄房+12564

相关系数:r=0.78

相关图见图7。

图7 马坝河龙塘站年径流-宁蒗河庄房站年径流相关图

汛期6月—10月:

相关方程:W龙汛=0.4283W庄汛+12619

相关系数:r=0.77

式中:W龙汛为龙塘6月～10月径流量,万m3;W庄汛为庄房6月—10月径流量,万m3。

相关图见图8。

图8 马坝河龙塘站-宁蒗河庄房汛期6月—10月径流量相关图

根据以上相关关系可计算得到龙塘站1961年—2018年多年平均径流量为2.47亿m3。

(3)采用不同方法计算的多年平均径流量以及汛期径流成果,见表1。

表1 不同方法计算的龙塘站多年平均径流量成果表

从表中可以看出,两种方法计算的龙塘长系列多年平均流量比较接近,由于庄房站插补的成果更接近实测系列的分配,即汛期所占比例更接近,而雨量插补段,汛期6月—10月径流仅占年径流的83%,与实测段径流所占比例相差较大,因此采用庄房站插补成果。因此,龙塘站多年平均径流量为2.47 亿m3,即7.83 m3/s。

(4) 龙塘坝址来水量

龙塘水文站位于龙塘水库坝址以上2 km,区间面积仅5.6 km2,龙塘坝址的年径流直接采用龙塘站径流计算成果,即坝址多年平均径流量2.47亿m3。

坝址上下游是泉水主要的排泄区,主要分布于马坝河龙塘峡谷段上下游。考虑到泉水的不确定性以及水库蓄水后,径流补给条件变化,直接采用龙塘站流量作为坝址流量。

4.2 坝址径流合理性分析

(1) 利用径流参数等值线图分析。根据地质连通试验报告得出以下结论:

a) 古柏河与马坝河存在密切的水力联系,古柏河流域大部分地下水均流向了马坝河。

b) 古柏河与马坝河之间地下水主要通过管道—裂隙混合型介质运移,并具有多个相互连通的路径。

c) 古柏河和马坝河属于统一的地下水系统,两者之间并没有地下分水岭。地下水总体自东向西径流,是古柏河地下水系统被马坝河流域地下水袭夺的结果。

d) 岩溶发育主要受构造及相对隔水岩层分布的控制,地下水动力场也与此相适应,形成了该区特殊的地表水及地下水补排关系——马坝河以地表水为主,同时还通过岩溶管道系统袭夺了古柏河上游的河水,增加了自身河流量。

古柏河位于马坝河东侧,流域面积316 km2, 其中大院子以上控制流域面积261 km2,下三棵树、大院子一带,近坝区地表大部分被第三系地层覆盖,属岩溶荒塬,区内岩溶形态以溶洞为主、少量落水洞,成为接受降雨及地下水的通道,是岩溶水的地下径流补给区。

马坝河龙塘站58年多年平均径流2.47亿m3,采用庄房站直接比拟计算的庄房站多年平均径流量为0.817亿m3(庄房站1961年—2018年实测多年平均径流量2.743亿m3),根据非闭合流域

W0=W′+△W

式中:W0为设计流域为非闭合情况下的年径流(龙塘站W0=2.47亿m3);W′为设计流域为闭合情况下的年径流(通过庄房站比拟求得,W′=0.817亿m3); △W为设计流域盈亏水量,根据此方法推求,推求马坝河龙塘站△W=1.653亿m3,马坝河为盈水区域。

图9为四川省1956年—2005年平均年径流深等值线图。

图9 四川省1956年—2005年平均年径流深等值线

查图得马坝河流域多年平均径流深为400 mm左右,径流深等值线是以闭合流域为基础编制的,龙塘站地表多年平均径流深965 mm,扣除龙塘站盈水量,马坝河径流深与该地区径流深相协调。

将本地区各水文测站的径流统计参数列于表2,从表中可以看出,龙塘水库实际控制面积517 km2(古柏河大院子以上),计算实际径流深480 mm,介于该地区径流深之间,能与地区各站径流深相协调。

表2 地区水文测站径流统计参数

(2) 岩溶地下水大龙塘泉水量分析。库坝址区岩溶水的补给主要形式为裸露灰岩岩溶洼地大气降雨直接补给和邻谷地表水、地下水集中补给。库区月亮湾以上段,两岸分布的地层中发育有各种形态的岩溶,为大气降雨迅速直接补给地下水提供了良好条件。坝址、近坝库区及河间地块地区,多被透水性微弱的黏土岩覆盖,阻隔了大气降雨的直接入渗,该层厚度一般40 m～200 m,最大厚度达260 m,但在坝址区由于马坝河低于两侧邻谷白乌河与古柏河,两侧邻谷灰岩峡谷段的地表水或地下水主要通过地下岩溶管道,集中排泄补给马坝河,测得马坝河过境流量显著增大,据近坝址区岩溶泉水出露点观测资料统计,大龙塘、东小龙塘、西小龙塘、左龙眼、右龙眼等多个泉年出水量达7 107万m3,邻谷的集中补给是本区段河谷地下水的主要补给来源。

总体而言,库坝址区岩溶水主要以管道流和脉状流两种形式存在,流向受构造形迹的控制,分别由马坝河的北东向南西和由北西向南东汇集于河谷较低侵蚀面排出,径流畅通,补排交替强烈。

大龙塘泉属岩溶水的径流排泄区,降水与泉水的流量有密切关系,采用盐源县气象与大龙塘泉1975年、2010年—2016年实测径流量同步分析计算大龙塘泉多年平均径流量为4 820万m3。

根据水文地质结论,大院子以上是大龙塘泉的补给区,其中大院子以上控制流域面积261 km2,根据参证站庄房径流量计算大院子以上径流量为8 540万m3,大龙塘泉径流量占大院子以上径流量的56%,大院子以上径流量一半被袭夺,这也说明了古柏河大院子以下河床断流积水的河道情况。

(3) 从马坝河的地形特点说明。马坝河坝址河床(高程2 374 m),低于东侧的古柏河(高程2 404 m,相当于马坝河三级阶地的高程)约30 m;低于西侧的白乌河(高程2 391 m,相当于马坝河二级阶地的高程)约19 m,河间地块存在连续的地下分水岭。 马坝河流域平均相对高程较低,这也是符合盈水区域的普遍地形特点。

以上这些水文地质特点,造成了马坝河流域为盈水区域,地表径流深较周边流域偏大。结合水文地质分析成果,提出水库坝址以上总集水面积,计算的径流深介于地区各站径流深之间,能与地区径流深协调。

5 结 论

通过连通试验以及库坝区水文地质调查,摸清水库来水补给条件,龙塘水库来水不但有本流域马坝河的来水,还有通过岩溶管道系统袭夺了古柏河上游的河水,水库所在流域为非闭合流域。结合连通试验以及地质的分析结论,划分流域的地下分水岭,计算的坝址以上实际径流深能与周边相适应。龙塘水库径流组成,含有外流域古柏河的来水,为盈水区域。采用闭合流域参证站对设计依据站分丰、枯进行插补,对摸清该地区盈亏水量具有一定的说明作用。