基于历史洪涝信息的岩溶地区泉水流量的估算方法

技术领域

本发明属于水文地质领域，本发明涉及一种基于历史洪涝信息的岩溶地区泉水流量的估算方法。

背景技术

岩溶泉水流量一般通过长期观测获取流量过程数据，但是对于大多数岩溶泉水，难以做到有计划的长期科学观测，其峰值流量更是可遇而不可求。如果通过调查研究查明了岩溶泉水的补给来源、岩溶管道特征或者有了泉水的长期观测数据，可以通过建立水文地质模型或者经验模型对泉水的流量进行估算或者预测。南京大学常勇的博士论文《裂隙-管道二元结构的岩溶泉水水文过程分析与模型》中系统论述了现有的岩溶裂隙-管道水流理论分析模拟技术。但是，论文中的模拟技术很复杂，更多的是研究岩溶裂隙-管道系统对应泉水流量的全过程特征和裂隙-管道系统的水力学特征。一般来说岩溶泉水的岩溶管道特征是难以查明的，所以现今采用的许多泉水流量计算模型要么停留在理论研究阶段，要么调查和勘察投入大，需提供的参数难以获取，实用性较差。

泉水是一种宝贵的自然资源，一方面是工农业及居民生活的重要供水水源，同时其自然景观和历史文化内涵又是一种宝贵的旅游资源。随着大量的开采地下水，人口密集区的泉水多有断流和枯竭的趋势，因此一般重点关注泉水的常年流量或枯期流量。然而，暴雨条件下，泉水流量暴增，短时间内突然喷涌而出，排泄不畅也将带来一定的自然灾害，特别是岩溶地区的管道或者暗河出口，我们需要研究其流量，特别是峰值流量，为防洪设计提供必要的数据支撑。

岩溶地区的地质特性和地下水补给、径流和排泄特点使得估算泉水的峰值流量成为可能，可以通过走访调查搜集历史暴雨和洼地内涝成灾信息，经过地质分析和计算来确定其峰值流量。

因此，设计一种基于历史洪涝信息的岩溶洼地-管道系统泉水峰值流量调查和估算方法是有必要的。

发明内容

本发明的目的提供一种基于历史洪涝信息的岩溶地区泉水流量的估算方法，以克服现有技术的不足。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

本发明首先通过地质调查，基本查清研究岩溶泉水的岩溶水文地质条件，按照岩溶洼地历史内涝信息，和洼地－管道－泉水关系将岩溶洼地－管道系统概化为宽浅水池-承压管道模型，该模型包括用于模拟降水的设有阀门的水箱和设在水箱下方的用于模拟岩溶洼地的宽浅水池，宽浅水池下方一条岩溶管道穿过黑箱，并在黑箱的侧面出水形成模拟的泉水。

模型中水阀以小流量放水，岩溶管道满足排水需求，岩溶洼地中不会发生积水内涝，泉水的流量随降雨量增减而波动；当降水达到一定程度，超过岩溶管道的过水能力，岩溶洼地将蓄水，发生内涝；控制岩溶管道中流速的水力比降变化相应较小，管道被充满，属于承压管道，其过水能力达到极限，处于管道出口的泉水存在一个峰值流量。

其中，水箱中的水量通过水阀放入岩溶洼地，反映的暴雨后的地表入渗和坡面汇流过程对暴雨存在削峰填谷作用，进入岩溶洼地的水流相对均匀；岩溶洼地对洪水也存在一个调蓄作用；假设暴雨产生的水量在岩溶洼地内涝时间内基本排泄，泉水处于较为稳定的峰值流量状态，即可以通过公式估算出岩溶泉水的峰值流量，为防止泉水泛滥成灾提供准确的设计流量数据；

$Q=\frac{{\mathrm{\alpha \beta P}}_{x}TA}{3600t}---\left(1\right)$

式中：

Q为泉水峰值流量，单位m³/s；

P_x为频率为x下的暴雨强度，单位m/h；

T为暴雨持续时间，单位h；

A为泉域面积，单位m²；

t为洼地内涝持续时间，单位h；

α为水量调整系数，为泉水大流量排泄量与降水量的比值，与蒸发、地下空间蓄滞等消耗因素相关，0<α<1，雨量越大越接近1；

β为各分支泉水的流量分配系数，可根据实测日常泉水的流量比例估算。

本发明可用于估算岩溶洼地－管道系统泉水峰值流量，只需要通过调查和搜集历史降水和岩溶洼地内涝成灾资料，调查泉水的宏观水文地质条件即可，重点在分析研究岩溶泉水的输入和输出条件，将复杂的地下岩溶管道作为黑箱，避免投入大的精力去研究其微观特征。投入工程量小，计算简便，准确性较好。

附图说明

图1为本发明采用的宽浅水池-承压管道模型结构示意图；

图2为本发明的岩溶洼地－管道系统地质调查流程图；

图3为本发明的岩溶洼地－管道系统泉水峰值流量计算流程图；

图4为实施例1中的S4泉水流量趋势图。

图中：1-水箱，2-水阀，3-宽浅水池，4-岩溶洼地的积水，5-岩溶管道，6-泉水，7-黑箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明采用的这种模型包括用于模拟降水的设有阀门2的水箱1和设在水箱1下方的用于模拟岩溶洼地的宽浅水池3，宽浅水池3中充水后形成岩溶洼地的积水4，宽浅水池3下方一条岩溶管道5穿过黑箱7，黑箱7岩溶管道5难以查明，在黑箱7的侧面出水形成模拟的泉水6。

地下管道或者溶隙结构通常难以查清，对研究者来说是一个黑箱，但是可以通过调查场地基本地质条件和岩溶水文地质条件，较为容易地搜集和调查历史降雨强度和降雨时间数据、岩溶洼地历史内涝资料、岩溶管道和岩溶泉水，划分泉域，查清边界条件(集雨面积)和泉水分支出口信息，地质调查的流程见图2。

岩溶山区地表植被稀少、覆盖层浅薄，地表降水入渗率高，入渗量大。对于岩溶洼地－管道系统，地表降水一方面渗入地下溶隙，坡面产流也最终汇入洼地，集中于岩溶管道，最终以地下水基流或者泉水形式向系统外径流或者排泄。地下水径流通道通常为溶隙或者管道，满足枯期或者大频率降水的径流和排泄需求。岩溶管道过流断面是有限的，水位以下的过流能力由流速决定。即模型中水阀2以小流量放水，岩溶管道5满足排水需求，岩溶洼地3中不会发生积水内涝，泉水6的流量随降雨量增减而波动。

当降水达到一定程度，即模型中水阀2以大流量放水，超过岩溶管道5的过水能力，岩溶洼地3将蓄水，发生内涝，期内形成岩溶洼地的积水4，一般洼地面积大而水位变幅较小，控制岩溶管道5中流速的水力比降变化相应较小，管道被充满，属于承压管道，其过水能力达到极限。因此，一旦达到或超过径流通道的过水能力，即使降水补给再大，泉水6流量也难以明显增加，处于管道出口的泉水6存在一个峰值流量。

降水通过模型中水箱1表示，水量根据历史气象资料和洼地历史内涝资料估算。可以进行岩溶洼地淹没内涝和成灾历史走访调查，淹没高程和内涝持续时间容易获取，即可以获取岩溶洼地3中的历史洪涝信息。水箱1中的水量通过水阀2放入岩溶洼地3，反映的暴雨后的地表入渗和坡面汇流过程对暴雨存在削峰填谷作用，进入岩溶洼地3的水流相对均匀；岩溶洼地3对洪水也存在一个调蓄作用。假设暴雨产生的水量在岩溶洼地3内涝时间内基本排泄，泉水6处于较为稳定的峰值流量状态，即可以通过公式(1)估算出岩溶泉水的峰值流量，为防止泉水泛滥成灾提供准确的设计流量数据。

$Q=\frac{{\mathrm{\alpha \beta P}}_{x}TA}{3600t}---\left(1\right)$

式中：

Q为泉水峰值流量，单位m³/s；

P_x为频率为x下的暴雨强度，单位m/h；

T为暴雨持续时间，单位h；

A为泉域面积，单位m²；

t为洼地内涝持续时间，单位h；

α为水量调整系数，为泉水大流量排泄量与降水量的比值，与蒸发、地下空间蓄滞等消耗因素相关，0<α<1，雨量越大越接近1；

β为各分支泉水的流量分配系数，可根据实测日常泉水流量估算。分析计算的流程见附图3。

实施例1：

8.1基本地质条件

贵州省贵安新区某污水处理厂背山临谷，背后的西侧为柒子坡—苗山—鹅坡—插香山一圈峰丛丘陵，之间发育洼地，其中最大的为柏腊陇，底部高程1255～1258m。峰丛丘陵南侧以锅底陇沟谷与高峰山山脉分开，西部和北部以沪昆铁路所在槽谷为界，污水处理厂正前方的东侧为马场河谷地，高程最低1239m。地下水位较平缓，高程在1245～1255m之间。直接影响污水处理厂的S4泉水紧邻污水处理厂，位于峰从丘陵之下，泉水高程1241m，枯期流量10L/s。

8.2岩溶水文地质条件

场地位于岩溶地区，大气降水的入渗是地下水的主要补给源。污水处理厂泉水补给区主要位于其西侧的峰丛丘陵区，各丘峰之间形成一系列的封闭洼地，洼地内落水洞发育，无地表溪流从峰丛中流出。峰丛区域内(最外侧的丘峰脊线以内)的大气降水除了直接蒸发和植物的蒸腾以外，均渗入地下。枯季的间歇性小雨一般不能形成对地下水的有效补给。汛期大雨和暴雨则几乎全部渗入地下，即使在特大暴雨时，部分山脊岩溶发育较弱，不能及时入渗，也将以坡面流的形式汇入洼地而逐渐通过落水洞或岩溶管道排入地下。

地下水径流方向受地质构造的影响，主要顺层面流动，汇入沿东西向裂隙发育的岩溶管道系统之中，最终从污水处理厂所在的坡脚以泉水的形式排泄。

8.2.1主要岩溶洼地

场地以西的峰丛丘陵区域为污水处理厂泉水的主要补给源，其中分布了大小二十多个洼地。洼地常起到暴雨时候的短时间调蓄作用。与泉水有关的主要为柏腊陇(W22和W23)洼地。

柏腊陇洼地位于污水处理厂西侧峰丛中心位置，最低点高程1255m。。据当地村民介绍，一般常年的洪水可基本充满洼地内的排水沟渠，溢出沟渠的情况几年会出现一次，甚至将洼地底部淹没，从而造成内涝灾害，最深可积水至约1258m高程，灾害一般持续2～3天，积水经落水洞排出。曾经有洼地内的谷糠在新寨的S₃和污水处理厂位置的S₄泉水被发现，说明柏腊陇与两个泉水直接连通，是一个岩溶管道系统。

8.2.2主要泉水和泉域

污水处理厂S₄泉水不断流，枯季水质清澈稳定，在干旱年份，可抽水灌溉附近农田。汛期暴雨后1～2h，水量激增，水质变浑，补给源较近，受外侧溪沟水位顶托影响，淹没周边的田地。调查期间，未发生较大降水，井水高程为1241.2m，与外侧小溪水位基本一致。

S₃泉水为场区另一个泉水，是岩溶管道的一个天窗。暴雨后水位陡涨，水质变浑，涌水淹过外侧路面，据当地村民介绍，柏腊陇洼地被淹时的谷糠可在S₃泉水中出现，说明柏腊陇洼地中的落水洞与S₃泉水连通。S_3-1泉水位于S₃泉水外侧，距离S₃泉水400m。据当地村民介绍，暴雨后，该泉水涌水较大。

综合分析，S₄泉域的范围面积5.1km²。东部以S₃～S₄泉水和苗山至鹅坡一线山脊为界，南部以锅底陇以东的山峰和山脊为界，西部以沪昆铁路以南的山峰和山脊为界，北部以谢家陇以南的金银洞山和周家寨以北的柒子坡及其山脊为界。泉域的补给区和径流区基本一致，排泄区为S₄、S₃和S_3-1等泉水。

根据补给和岩溶管道系统特点将S₄泉域再划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个亚区。Ⅰ亚区为柏腊陇内S₁₃～S₁₅三个内部补给泉水的泉域范围，面积3.2km²，将Ⅰ亚区地表地下水集中于柏腊陇洼地集中汇流后通过S₄管道系统排泄。

Ⅱ亚区主要为柏腊陇洼地和W₂₇洼地两侧地表分水岭围合范围，S₄岩溶管道系统接受K₄和K₅落水洞的补给和两侧山体的入渗补给。Ⅲ亚区为S₃至S₄一线和柒子坡至苗山一线山脊围合区域，面积0.9km²，地表降水一部分入渗为地下水，一部分以坡面流的形式形成地表水。

根据当地问询和实际观测，S₄岩溶管道系统三个泉水出口(S₄、S₃和S_3-1)枯季流量比例约4∶1∶1，即公式(1)中的β系数对S₄泉水来说为0.67，S₃和S_3-1各为0.165。

8.3泉水峰值流量估算和验证

根据调查，泉水流量增大时间一般滞后于降水1～2h，地表降水对岩溶地下水补给较快，之后迅速达到峰值，并持续稳定，降水结束后，根据降水的大小，泉水流量消落速度有所不同。搜集到马场区域不同频率下24h和1h设计暴雨量，考虑到地表洼地和地下岩溶系统对地表降水存在调蓄作用，以24h的设计暴雨来估算泉水的流量更能适应地下水滞后和调蓄的特征。

对S₄岩溶管道系统，中间存在一个较大的柏腊陇洼地，为流量分析和估算提供了有利的条件。根据实地走访，常年的暴雨能使得洼地内的排水沟满水，那么，可以认为，对99％的洪水，柏腊陇只起到径流通道的作用；多年会遇到一次灾害性暴雨，将洼地不同程度地淹没，洼地内积水在2～3天消落，我们认为对十年一遇及以上洪水，由于岩溶管道和泉水出口限制，排泄能力不足，柏腊陇成为中转站，具备调蓄的作用，为保险起见，对百年一遇的降雨，排泄时间近按2天即48h考虑(一般2天不能完全排泄)，这样估算的泉水流量有一定的安全余度。

(1)常年暴雨(即99％频率暴雨)

按照泉域内24h暴雨全部入渗，24h基本排泄计算，t为24h，α取1，泉域平均排泄量按下式估算，计算结果为2.56m³/s。

Q_T＝A_TP₉₉/24/3600>

式中：Q_T为泉域总平均排泄量，单位m³/s；

A_T为泉域总面积，即5.1×10⁶m²；

P₉₉为99％的24h暴雨，代表了公式(1)中的P_xT，即43.4×10^-3m。

在99％频率的暴雨下，柏腊陇排水沟满沟排泄，排水沟典型断面为1.8m×1.5m，局部变窄，平均坡度3‰，沟内杂草较多，根据观察计算流速为0.5～0.6m/s。沟内过流量为1.62m³/s，该流量为Ⅰ区S₁₃～S₁₅三个泉水泉域的排泄量，面积3.2km²，占整个泉域面积的62.7％，可以根据柏腊陇泉水流量估算整个S₄泉域的流量，为2.58m³/s，与(1)式估算的结果基本一致，两种方法可以相互验证，S₄泉域在99％频率的24h暴雨下的总排泄量取2.58m³/s，S₄泉水的β系数为0.67，即涌水量为1.72m³/s，S₃和S_3-1β系数均为0.165，即涌水量为均为0.43m³/s。

(2)两年一遇暴雨

按照泉域内24h暴雨全部入渗，24h基本排泄计算，泉域平均排泄量按(1)式估算，α取1，50％的24h暴雨为84.5×10^-3m。计算结果为4.99m³/s，按照β系数分配S₄泉水的涌水量为3.33m³/s，S₃和S_3-1涌水量均为0.83m³/s。

(3)百年一遇暴雨

按照泉域内24h暴雨全部入渗，48h基本排泄计算，泉域平均排泄量按(1)式估算，α取1，1％的24h暴雨为268×10^-3m。计算结果为7.91m³/s，按照β系数分配S₄泉水的涌水量为5.27m³/s，S₃和S_3-1涌水量均为1.32m³/s。

对二年一遇和百年一遇之间的暴雨，根据设计暴雨的变化采取内插的方式估算泉水的流量，各频率暴雨下的相关泉水的流量汇总于表1和图4中。对百年一遇以上的暴雨，已经超过岩溶管道系统和S₄、S₃和S_3-1各排泄点的泄水能力，甚至超过柏腊陇等低矮洼地的蓄洪能力，洼地外侧的垭口将直接以地表水流的形式排泄地表降水。

表1泉水流量汇总表

注：S_3-1泉水流量与S₃相同。

2014年6月3日上午，泉水所在的平坝县境内遭受1957年有气象记录以来最大暴雨，3h之内降雨量达187.7mm。S₃泉水实测流量约1.2m³/s，S₄泉水实测流量约5.4m³/s。与100年一遇暴雨对应的泉水计算峰值流量基本一致，说明对泉域的划分和泉水流量的估算方法、成果是正确和可靠的。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。