利川市清江落水洞水位～流量关系推求

闫伟伟，周锦华，景晓菊

(湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070)

清江发源于齐跃山东侧的汪营龙洞沟，在利川市境内流经石坝、汪营、凉雾、大塘和利川市城区，至落水洞进入约9 km的伏流至黑洞出流，下游经恩施、长阳，于宜都市汇入长江[1-2]。清江在利川市境内的总流域面积1 535 km2，干流长92.2 km，落水洞(伏流进口)以上流域面积836 km2，干流长82.7 km，河道平均坡降0.94‰。

清江伏流段“窄门”、“扁眼”等卡口多，流态复杂，既有无压明流段，也有管流式的有压流，还有倒虹吸式的流态，甚至在局部地段根本就没有规模化的过流通道，全靠水的压力从若干裂隙挤渗过流。落水洞过流能力有限，稍遇大洪水便过流不及，壅高上游清江水位。

落水洞阻流壅水是清江利川城区段防洪的制约因素，为此在清江防洪治理工程设计中推求落水洞水位～流量关系，是确定工程设计方案的必要步骤。

1 落水洞水位～流量关系推求方法

本次落水洞水位～流量关系推求主要依据资料为利川水文站实测水位和流量资料以及测量资料。利川水文站位于清江干流上游利川市境内，由于多种原因，站址多变，站址变动情况见表1。

由于落水洞处没有实测水位～流量关系，其真实的泄流能力无法准确计算。目前切实可行的办法是通过落水洞口上游6.1 km处枇杷滩站(利川三站)实测的水位～流量关系和实测的1982年和1998年相应的沿河道洪水水位，确定几组不同水位下的水力比降，然后用枇杷滩站实测水位通过线性内插求出该水位下的水力比降，椐此计算落水洞处的相应水位。因为没有实测的落水洞处流量成果，可通过水文比拟法求出与枇杷滩站实测的水位流量对应的落水洞处流量，作为落水洞泄流能力的初始估值。然后根据务子千站(利川二站)实测的1982年、1998年的洪水过程线和水位，换算到落水洞处，通过调洪演算试算确定落水洞泄流能力的最后估值。

表1 利川水文站基本情况表

2 过流能力初始估值

2.1 枇杷滩站实测水位～流量关系

根据枇杷滩站实测的水位～流量过程，点绘枇杷滩站实测水位～流量关系曲线，见图1。

图1 枇杷滩站实测水位～流量关系曲线图

从图1可以看出：曲线呈绳套形。由于河道测流断面比较稳定，经分析其主要原因有二：一是受落水洞洪水顶托影响，测站受下游水位抬高的影响，使水面比降减小，与不受回水影响时比较，同一水位的流速减小，流量也减小，水位流量关系的点子分布很乱；二是受洪水涨落的影响，水位流量关系点为带状，分布涨水期在右边，落水期在左边。如果落水洞过流能力取较大值时，计算的洪水位偏小，偏不安全。因落水洞过流能力不足对洪水顶托的影响比较大，所以其过流能力取上外包线偏于安全，不同水位下的过流能力结果见表2。

从图1可以看出：不受阻滞影响的最大过水流量为Q=228 m3/s，相应水位为1 061.60 m；由面积比拟法求得落水洞不受阻滞影响的最大过水流量为231 m3/s。

按均匀流公式进行计算，得到落水洞前河道断面的不受落水洞阻滞影响的水位流量关系见表3。

从表3中查得231 m3/s对应水位为1 056.4 m。

2.2 落水洞与枇杷滩站对应的几组实测水位～流量关系

通过枇杷滩站实测结果和落水洞洪水调查分析资料可以得到四组不同水位所对应的上下游流量关系，见表4。

表3 落水洞前河道断面不受落水洞阻滞影响的水位～流量关系表

表4 枇杷滩站和落水洞对应的水位流量关系

根据表5中4组上下游水位控制值，可通过线性插值求出落水洞处相应于不同上游水位的水力比降，并据此推求其下游水位，其流量通过面积比拟法求出(注：1 056.40 m以下采用不受阻滞影响的均匀流计算成果)，得到落水洞处的水位～流量关系初始估计结果，具体数据见表5。

表5 落水洞水位～流量关系表(初始估计结果)

3 过流能力的修正

因为由上述线性插值方法推求的落水洞水位～流量关系曲线(见表5)与实际泄流能力存在一定的误差，必须进行修正才能作为调洪演算的依据。

1982年和1998年实测的落水洞前水位是确定的，落水洞过流能力的大小和精度与这2年洪水过程的估算精度密切相关，而落水洞处的洪水过程是未知的，可通过实测的暴雨途径推求。1982年大洪水有各雨量站实测的逐小时降雨量，根据实测雨量资料可推求出设计洪水过程。

试算求落水洞过流能力时，以表5所列的初始估值作为基础开始进行调洪演算，其原理简述如下：

把落水洞前清江干支流作为一个“水库”，其水位～容积关系曲线复核计算成果见表6。

表6 落水洞前清江水位～容积曲线

然后根据入库设计洪水和落水洞及隧洞泄流能力曲线进行调洪演算，调洪演算的水量平衡方程[3-5]为

V末=V初+V来-W洞-W隧

式中：V末为t时段末河道槽蓄容积，万m3；V初为t时段初河道槽蓄容积，万m3；V来为t时段来水量，万m3。

V来=Q洪△t

式中：Q洪为t时段设计入库洪水平均流量，m3/s；△t为t时段的时间长度，万s；W洞为t时段内落水洞泄水量，万m3；W隧为t时段内隧洞泄水量，万m3。

落水洞起调水位取1 053.00 m，下泄流量为19.9 m3/s，河槽槽蓄量为62.4万m3。(注：起始条件对调洪结果影响不大)。

当调洪计算后落水洞的最高水位高于1982年实测水位1 070.34 m时，说明落水洞过流能力估计偏小；当调洪演算后落水洞的最高水位低于1982年实测水位1 070.34 m时，说明落水洞过流能力估计偏大。上述两种情况都要进行修正。修正时维持1 056.4 m以下曲线部分不变，只对1 056.4 m以上曲线部分进行修正，直到调洪演算后落水洞的最高水位等于或非常接近于1 070.34 m。

调洪演算成果：最高水位1 070.34 m，最大流量1 190 m3/s。推求的落水洞水位～流量关系曲线见表7。

表7 落水洞水位～流量关系表(修正后)

4 成果比较分析

根据1982年7月和1998年6月底至7月初两场洪水实测的沿程水面高程和各断面的测量资料，根据水力学原理，按非均匀渐变流公式近似估算落水洞的下泄量，其结果见表8。

表8 1982年和1998年落水洞最大下泄量计算成果表

从表8中的结果可以看出：落水洞对大洪水的阻滞作用比中、小洪水为大，流量由小变大流速反而由大变小，与天然河道的一般规律相反，但符合落水洞的实际情况。

从上述分析知道：当落水洞前水位在1 070.34 m附近时，落水洞的过流能力应在1 100 m3/s左右；当落水洞前水位在1 066.40 m附近时，落水洞的过流能力应在700 m3/s左右。本次推求的成果与落水洞1982年大洪水过流能力比较接近，成果较为合理。

5 结 语

清江干流(利川)重点河段近期防洪治理工程设计中以此成果作为依据，通过了专家审查并获得相关部门批复，目前工程正在实施。

岩溶发育地区溶洞过流能力推算较为复杂，本次利川市清江落水洞水位～流量关系推求方法有一定借鉴意义，在岩溶发育地区受落水洞阻水影响的河道防洪治理工程设计中可酌情参考。