本實(shí)用新型屬于水文地質(zhì)領(lǐng)域，本實(shí)用新型涉及一種基于歷史洪澇信息的巖溶洼地-管道系統(tǒng)泉水峰值流量調(diào)查和估算的模型。

背景技術(shù)：

巖溶泉水流量一般通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)獲取流量過(guò)程數(shù)據(jù)，但是對(duì)于大多數(shù)巖溶泉水，難以做到有計(jì)劃的長(zhǎng)期科學(xué)觀測(cè)，其峰值流量更是可遇而不可求。如果通過(guò)調(diào)查研究查明了巖溶泉水的補(bǔ)給來(lái)源、巖溶管道特征或者有了泉水的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)建立水文地質(zhì)模型或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)泉水的流量進(jìn)行估算或者預(yù)測(cè)。南京大學(xué)常勇的博士論文《裂隙-管道二元結(jié)構(gòu)的巖溶泉水水文過(guò)程分析與模型》中系統(tǒng)論述了現(xiàn)有的巖溶裂隙-管道水流理論分析模擬技術(shù)。但是，論文中的模擬技術(shù)很復(fù)雜，更多的是研究巖溶裂隙-管道系統(tǒng)對(duì)應(yīng)泉水流量的全過(guò)程特征和裂隙-管道系統(tǒng)的水力學(xué)特征。一般來(lái)說(shuō)巖溶泉水的巖溶管道特征是難以查明的，所以現(xiàn)今采用的許多泉水流量計(jì)算模型要么停留在理論研究階段，要么調(diào)查和勘察投入大，需提供的參數(shù)難以獲取，實(shí)用性較差。

泉水是一種寶貴的自然資源，一方面是工農(nóng)業(yè)及居民生活的重要供水水源，同時(shí)其自然景觀和歷史文化內(nèi)涵又是一種寶貴的旅游資源。隨著大量的開采地下水，人口密集區(qū)的泉水多有斷流和枯竭的趨勢(shì)，因此一般重點(diǎn)關(guān)注泉水的常年流量或枯期流量。然而，暴雨條件下，泉水流量暴增，短時(shí)間內(nèi)突然噴涌而出，排泄不暢也將帶來(lái)一定的自然災(zāi)害，特別是巖溶地區(qū)的管道或者暗河出口，我們需要研究其流量，特別是峰值流量，為防洪設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

巖溶地區(qū)的地質(zhì)特性和地下水補(bǔ)給、徑流和排泄特點(diǎn)使得估算泉水的峰值流量成為可能，可以通過(guò)走訪調(diào)查搜集歷史暴雨和洼地內(nèi)澇成災(zāi)信息，經(jīng)過(guò)地質(zhì)分析和計(jì)算來(lái)確定其峰值流量。

因此，設(shè)計(jì)一種基于歷史洪澇信息的巖溶洼地-管道系統(tǒng)泉水峰值流量調(diào)查和估算方法和模型是有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的提供一種用于估算巖溶地區(qū)泉水流量的寬淺水池-承壓管道模型結(jié)構(gòu)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

用于估算巖溶地區(qū)泉水流量的寬淺水池-承壓管道模型，該模型包括用于模擬降水的設(shè)有閥門的水箱和設(shè)在水箱下方的用于模擬巖溶洼地的寬淺水池，寬淺水池下方一條巖溶管道穿過(guò)黑箱，并在黑箱的側(cè)面出水形成模擬的泉水。

本實(shí)用新型首先通過(guò)地質(zhì)調(diào)查，基本查清研究巖溶泉水的巖溶水文地質(zhì)條件，按照巖溶洼地歷史內(nèi)澇信息，和洼地－管道－泉水關(guān)系將巖溶洼地－管道系統(tǒng)概化為寬淺水池-承壓管道模型，該模型包括用于模擬降水的設(shè)有閥門的水箱和設(shè)在水箱下方的用于模擬巖溶洼地的寬淺水池，寬淺水池下方一條巖溶管道穿過(guò)黑箱，并在黑箱的側(cè)面出水形成模擬的泉水。

模型中水閥以小流量放水，巖溶管道滿足排水需求，巖溶洼地中不會(huì)發(fā)生積水內(nèi)澇，泉水的流量隨降雨量增減而波動(dòng)；當(dāng)降水達(dá)到一定程度，超過(guò)巖溶管道的過(guò)水能力，巖溶洼地將蓄水，發(fā)生內(nèi)澇；控制巖溶管道中流速的水力比降變化相應(yīng)較小，管道被充滿，屬于承壓管道，其過(guò)水能力達(dá)到極限，處于管道出口的泉水存在一個(gè)峰值流量。

其中，水箱中的水量通過(guò)水閥放入巖溶洼地，反映的暴雨后的地表入滲和坡面匯流過(guò)程對(duì)暴雨存在削峰填谷作用，進(jìn)入巖溶洼地的水流相對(duì)均勻；巖溶洼地對(duì)洪水也存在一個(gè)調(diào)蓄作用；假設(shè)暴雨產(chǎn)生的水量在巖溶洼地內(nèi)澇時(shí)間內(nèi)基本排泄，泉水處于較為穩(wěn)定的峰值流量狀態(tài)，即可以通過(guò)公式估算出巖溶泉水的峰值流量，為防止泉水泛濫成災(zāi)提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)流量數(shù)據(jù)；

$Q=\frac{{\mathrm{\α\βP}}_{x}TA}{3600t}---\left(1\right)$

式中：

Q為泉水峰值流量，單位m³/s；

P_x為頻率為x下的暴雨強(qiáng)度，單位m/h；

T為暴雨持續(xù)時(shí)間，單位h；

A為泉域面積，單位m²；

t為洼地內(nèi)澇持續(xù)時(shí)間，單位h；

α為水量調(diào)整系數(shù)，為泉水大流量排泄量與降水量的比值，與蒸發(fā)、地下空間蓄滯等消耗因素相關(guān)，0<α<1，雨量越大越接近1；

β為各分支泉水的流量分配系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測(cè)日常泉水的流量比例估算。

本實(shí)用新型可用于估算巖溶洼地－管道系統(tǒng)泉水峰值流量，只需要通過(guò)調(diào)查和搜集歷史降水和巖溶洼地內(nèi)澇成災(zāi)資料，調(diào)查泉水的宏觀水文地質(zhì)條件即可，重點(diǎn)在分析研究巖溶泉水的輸入和輸出條件，將復(fù)雜的地下巖溶管道作為黑箱，避免投入大的精力去研究其微觀特征。投入工程量小，計(jì)算簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確性較好。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型采用的寬淺水池-承壓管道模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的巖溶洼地－管道系統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查流程圖；

圖3為本實(shí)用新型的巖溶洼地－管道系統(tǒng)泉水峰值流量計(jì)算流程圖；

圖4為實(shí)施例1中的S4泉水流量趨勢(shì)圖。

圖中：1-水箱，2-水閥，3-寬淺水池，4-巖溶洼地的積水，5-巖溶管道，6-泉水，7-黑箱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型采用的這種模型包括用于模擬降水的設(shè)有閥門2的水箱1和設(shè)在水箱1下方的用于模擬巖溶洼地的寬淺水池3，寬淺水池3中充水后形成巖溶洼地的積水4，寬淺水池3下方一條巖溶管道5穿過(guò)黑箱7，黑箱7巖溶管道5難以查明，在黑箱7的側(cè)面出水形成模擬的泉水6。

地下管道或者溶隙結(jié)構(gòu)通常難以查清，對(duì)研究者來(lái)說(shuō)是一個(gè)黑箱，但是可以通過(guò)調(diào)查場(chǎng)地基本地質(zhì)條件和巖溶水文地質(zhì)條件，較為容易地搜集和調(diào)查歷史降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間數(shù)據(jù)、巖溶洼地歷史內(nèi)澇資料、巖溶管道和巖溶泉水，劃分泉域，查清邊界條件(集雨面積)和泉水分支出口信息，地質(zhì)調(diào)查的流程見圖2。

巖溶山區(qū)地表植被稀少、覆蓋層淺薄，地表降水入滲率高，入滲量大。對(duì)于巖溶洼地－管道系統(tǒng)，地表降水一方面滲入地下溶隙，坡面產(chǎn)流也最終匯入洼地，集中于巖溶管道，最終以地下水基流或者泉水形式向系統(tǒng)外徑流或者排泄。地下水徑流通道通常為溶隙或者管道，滿足枯期或者大頻率降水的徑流和排泄需求。巖溶管道過(guò)流斷面是有限的，水位以下的過(guò)流能力由流速?zèng)Q定。即模型中水閥2以小流量放水，巖溶管道5滿足排水需求，巖溶洼地3中不會(huì)發(fā)生積水內(nèi)澇，泉水6的流量隨降雨量增減而波動(dòng)。

當(dāng)降水達(dá)到一定程度，即模型中水閥2以大流量放水，超過(guò)巖溶管道5的過(guò)水能力，巖溶洼地3將蓄水，發(fā)生內(nèi)澇，期內(nèi)形成巖溶洼地的積水4，一般洼地面積大而水位變幅較小，控制巖溶管道5中流速的水力比降變化相應(yīng)較小，管道被充滿，屬于承壓管道，其過(guò)水能力達(dá)到極限。因此，一旦達(dá)到或超過(guò)徑流通道的過(guò)水能力，即使降水補(bǔ)給再大，泉水6流量也難以明顯增加，處于管道出口的泉水6存在一個(gè)峰值流量。

降水通過(guò)模型中水箱1表示，水量根據(jù)歷史氣象資料和洼地歷史內(nèi)澇資料估算。可以進(jìn)行巖溶洼地淹沒(méi)內(nèi)澇和成災(zāi)歷史走訪調(diào)查，淹沒(méi)高程和內(nèi)澇持續(xù)時(shí)間容易獲取，即可以獲取巖溶洼地3中的歷史洪澇信息。水箱1中的水量通過(guò)水閥2放入巖溶洼地3，反映的暴雨后的地表入滲和坡面匯流過(guò)程對(duì)暴雨存在削峰填谷作用，進(jìn)入巖溶洼地3的水流相對(duì)均勻；巖溶洼地3對(duì)洪水也存在一個(gè)調(diào)蓄作用。假設(shè)暴雨產(chǎn)生的水量在巖溶洼地3內(nèi)澇時(shí)間內(nèi)基本排泄，泉水6處于較為穩(wěn)定的峰值流量狀態(tài)，即可以通過(guò)公式(1)估算出巖溶泉水的峰值流量，為防止泉水泛濫成災(zāi)提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)流量數(shù)據(jù)。

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

式中：

Q為泉水峰值流量，單位m³/s；

P_x為頻率為x下的暴雨強(qiáng)度，單位m/h；

T為暴雨持續(xù)時(shí)間，單位h；

A為泉域面積，單位m²；

t為洼地內(nèi)澇持續(xù)時(shí)間，單位h；

α為水量調(diào)整系數(shù)，為泉水大流量排泄量與降水量的比值，與蒸發(fā)、地下空間蓄滯等消耗因素相關(guān)，0<α<1，雨量越大越接近1；

β為各分支泉水的流量分配系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測(cè)日常泉水流量估算。分析計(jì)算的流程見附圖3。

實(shí)施例1：

8.1基本地質(zhì)條件

貴州省貴安新區(qū)某污水處理廠背山臨谷，背后的西側(cè)為柒子坡—苗山—鵝坡—插香山一圈峰叢丘陵，之間發(fā)育洼地，其中最大的為柏臘隴，底部高程1255～1258m。峰叢丘陵南側(cè)以鍋底隴溝谷與高峰山山脈分開，西部和北部以滬昆鐵路所在槽谷為界，污水處理廠正前方的東側(cè)為馬場(chǎng)河谷地，高程最低1239m。地下水位較平緩，高程在1245～1255m之間。直接影響污水處理廠的S4泉水緊鄰污水處理廠，位于峰從丘陵之下，泉水高程1241m，枯期流量10L/s。

8.2巖溶水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地位于巖溶地區(qū)，大氣降水的入滲是地下水的主要補(bǔ)給源。污水處理廠泉水補(bǔ)給區(qū)主要位于其西側(cè)的峰叢丘陵區(qū)，各丘峰之間形成一系列的封閉洼地，洼地內(nèi)落水洞發(fā)育，無(wú)地表溪流從峰叢中流出。峰叢區(qū)域內(nèi)(最外側(cè)的丘峰脊線以內(nèi))的大氣降水除了直接蒸發(fā)和植物的蒸騰以外，均滲入地下?？菁镜拈g歇性小雨一般不能形成對(duì)地下水的有效補(bǔ)給。汛期大雨和暴雨則幾乎全部滲入地下，即使在特大暴雨時(shí)，部分山脊巖溶發(fā)育較弱，不能及時(shí)入滲，也將以坡面流的形式匯入洼地而逐漸通過(guò)落水洞或巖溶管道排入地下。

地下水徑流方向受地質(zhì)構(gòu)造的影響，主要順層面流動(dòng)，匯入沿東西向裂隙發(fā)育的巖溶管道系統(tǒng)之中，最終從污水處理廠所在的坡腳以泉水的形式排泄。

8.2.1主要巖溶洼地

場(chǎng)地以西的峰叢丘陵區(qū)域?yàn)槲鬯幚韽S泉水的主要補(bǔ)給源，其中分布了大小二十多個(gè)洼地。洼地常起到暴雨時(shí)候的短時(shí)間調(diào)蓄作用。與泉水有關(guān)的主要為柏臘隴(W22和W23)洼地。

柏臘隴洼地位于污水處理廠西側(cè)峰叢中心位置，最低點(diǎn)高程1255m。。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，一般常年的洪水可基本充滿洼地內(nèi)的排水溝渠，溢出溝渠的情況幾年會(huì)出現(xiàn)一次，甚至將洼地底部淹沒(méi)，從而造成內(nèi)澇災(zāi)害，最深可積水至約1258m高程，災(zāi)害一般持續(xù)2～3天，積水經(jīng)落水洞排出。曾經(jīng)有洼地內(nèi)的谷糠在新寨的S₃和污水處理廠位置的S₄泉水被發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明柏臘隴與兩個(gè)泉水直接連通，是一個(gè)巖溶管道系統(tǒng)。

8.2.2主要泉水和泉域

污水處理廠S₄泉水不斷流，枯季水質(zhì)清澈穩(wěn)定，在干旱年份，可抽水灌溉附近農(nóng)田。汛期暴雨后1～2h，水量激增，水質(zhì)變渾，補(bǔ)給源較近，受外側(cè)溪溝水位頂托影響，淹沒(méi)周邊的田地。調(diào)查期間，未發(fā)生較大降水，井水高程為1241.2m，與外側(cè)小溪水位基本一致。

S₃泉水為場(chǎng)區(qū)另一個(gè)泉水，是巖溶管道的一個(gè)天窗。暴雨后水位陡漲，水質(zhì)變渾，涌水淹過(guò)外側(cè)路面，據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，柏臘隴洼地被淹時(shí)的谷糠可在S₃泉水中出現(xiàn)，說(shuō)明柏臘隴洼地中的落水洞與S₃泉水連通。S_3-1泉水位于S₃泉水外側(cè)，距離S₃泉水400m。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，暴雨后，該泉水涌水較大。

綜合分析，S₄泉域的范圍面積5.1km²。東部以S₃～S₄泉水和苗山至鵝坡一線山脊為界，南部以鍋底隴以東的山峰和山脊為界，西部以滬昆鐵路以南的山峰和山脊為界，北部以謝家隴以南的金銀洞山和周家寨以北的柒子坡及其山脊為界。泉域的補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)基本一致，排泄區(qū)為S₄、S₃和S_3-1等泉水。

根據(jù)補(bǔ)給和巖溶管道系統(tǒng)特點(diǎn)將S₄泉域再劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個(gè)亞區(qū)。Ⅰ亞區(qū)為柏臘隴內(nèi)S₁₃～S₁₅三個(gè)內(nèi)部補(bǔ)給泉水的泉域范圍，面積3.2km²，將Ⅰ亞區(qū)地表地下水集中于柏臘隴洼地集中匯流后通過(guò)S₄管道系統(tǒng)排泄。

Ⅱ亞區(qū)主要為柏臘隴洼地和W₂₇洼地兩側(cè)地表分水嶺圍合范圍，S₄巖溶管道系統(tǒng)接受K₄和K₅落水洞的補(bǔ)給和兩側(cè)山體的入滲補(bǔ)給。Ⅲ亞區(qū)為S₃至S₄一線和柒子坡至苗山一線山脊圍合區(qū)域，面積0.9km²，地表降水一部分入滲為地下水，一部分以坡面流的形式形成地表水。

根據(jù)當(dāng)?shù)貑?wèn)詢和實(shí)際觀測(cè)，S₄巖溶管道系統(tǒng)三個(gè)泉水出口(S₄、S₃和S_3-1)枯季流量比例約4∶1∶1，即公式(1)中的β系數(shù)對(duì)S₄泉水來(lái)說(shuō)為0.67，S₃和S_3-1各為0.165。

8.3泉水峰值流量估算和驗(yàn)證

根據(jù)調(diào)查，泉水流量增大時(shí)間一般滯后于降水1～2h，地表降水對(duì)巖溶地下水補(bǔ)給較快，之后迅速達(dá)到峰值，并持續(xù)穩(wěn)定，降水結(jié)束后，根據(jù)降水的大小，泉水流量消落速度有所不同。搜集到馬場(chǎng)區(qū)域不同頻率下24h和1h設(shè)計(jì)暴雨量，考慮到地表洼地和地下巖溶系統(tǒng)對(duì)地表降水存在調(diào)蓄作用，以24h的設(shè)計(jì)暴雨來(lái)估算泉水的流量更能適應(yīng)地下水滯后和調(diào)蓄的特征。

對(duì)S₄巖溶管道系統(tǒng)，中間存在一個(gè)較大的柏臘隴洼地，為流量分析和估算提供了有利的條件。根據(jù)實(shí)地走訪，常年的暴雨能使得洼地內(nèi)的排水溝滿水，那么，可以認(rèn)為，對(duì)99％的洪水，柏臘隴只起到徑流通道的作用；多年會(huì)遇到一次災(zāi)害性暴雨，將洼地不同程度地淹沒(méi)，洼地內(nèi)積水在2～3天消落，我們認(rèn)為對(duì)十年一遇及以上洪水，由于巖溶管道和泉水出口限制，排泄能力不足，柏臘隴成為中轉(zhuǎn)站，具備調(diào)蓄的作用，為保險(xiǎn)起見，對(duì)百年一遇的降雨，排泄時(shí)間近按2天即48h考慮(一般2天不能完全排泄)，這樣估算的泉水流量有一定的安全余度。

(1)常年暴雨(即99％頻率暴雨)

按照泉域內(nèi)24h暴雨全部入滲，24h基本排泄計(jì)算，t為24h，α取1，泉域平均排泄量按下式估算，計(jì)算結(jié)果為2.56m³/s。

Q_T＝A_TP₉₉/24/3600 (2)

式中：Q_T為泉域總平均排泄量，單位m³/s；

A_T為泉域總面積，即5.1×10⁶m²；

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

在99％頻率的暴雨下，柏臘隴排水溝滿溝排泄，排水溝典型斷面為1.8m×1.5m，局部變窄，平均坡度3‰，溝內(nèi)雜草較多，根據(jù)觀察計(jì)算流速為0.5～0.6m/s。溝內(nèi)過(guò)流量為1.62m³/s，該流量為Ⅰ區(qū)S₁₃～S₁₅三個(gè)泉水泉域的排泄量，面積3.2km²，占整個(gè)泉域面積的62.7％，可以根據(jù)柏臘隴泉水流量估算整個(gè)S₄泉域的流量，為2.58m³/s，與(1)式估算的結(jié)果基本一致，兩種方法可以相互驗(yàn)證，S₄泉域在99％頻率的24h暴雨下的總排泄量取2.58m³/s，S₄泉水的β系數(shù)為0.67，即涌水量為1.72m³/s，S₃和S_3-1β系數(shù)均為0.165，即涌水量為均為0.43m³/s。

(2)兩年一遇暴雨

按照泉域內(nèi)24h暴雨全部入滲，24h基本排泄計(jì)算，泉域平均排泄量按(1)式估算，α取1，50％的24h暴雨為84.5×10^-3m。計(jì)算結(jié)果為4.99m³/s，按照β系數(shù)分配S₄泉水的涌水量為3.33m³/s，S₃和S_3-1涌水量均為0.83m³/s。

(3)百年一遇暴雨

按照泉域內(nèi)24h暴雨全部入滲，48h基本排泄計(jì)算，泉域平均排泄量按(1)式估算，α取1，1％的24h暴雨為268×10^-3m。計(jì)算結(jié)果為7.91m³/s，按照β系數(shù)分配S₄泉水的涌水量為5.27m³/s，S₃和S_3-1涌水量均為1.32m³/s。

對(duì)二年一遇和百年一遇之間的暴雨，根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨的變化采取內(nèi)插的方式估算泉水的流量，各頻率暴雨下的相關(guān)泉水的流量匯總于表1和圖4中。對(duì)百年一遇以上的暴雨，已經(jīng)超過(guò)巖溶管道系統(tǒng)和S₄、S₃和S_3-1各排泄點(diǎn)的泄水能力，甚至超過(guò)柏臘隴等低矮洼地的蓄洪能力，洼地外側(cè)的埡口將直接以地表水流的形式排泄地表降水。

表1泉水流量匯總表

注：S_3-1泉水流量與S₃相同。

2014年6月3日上午，泉水所在的平壩縣境內(nèi)遭受1957年有氣象記錄以來(lái)最大暴雨，3h之內(nèi)降雨量達(dá)187.7mm。S₃泉水實(shí)測(cè)流量約1.2m³/s，S₄泉水實(shí)測(cè)流量約5.4m³/s。與100年一遇暴雨對(duì)應(yīng)的泉水計(jì)算峰值流量基本一致，說(shuō)明對(duì)泉域的劃分和泉水流量的估算方法、成果是正確和可靠的。

當(dāng)然，以上只是本實(shí)用新型的具體應(yīng)用范例，本實(shí)用新型還有其他的實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型所要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。