本實用新型屬于水文地質領域，本實用新型涉及一種基于歷史洪澇信息的巖溶洼地-管道系統泉水峰值流量調查和估算的模型。

背景技術：

巖溶泉水流量一般通過長期觀測獲取流量過程數據，但是對于大多數巖溶泉水，難以做到有計劃的長期科學觀測，其峰值流量更是可遇而不可求。如果通過調查研究查明了巖溶泉水的補給來源、巖溶管道特征或者有了泉水的長期觀測數據，可以通過建立水文地質模型或者經驗模型對泉水的流量進行估算或者預測。南京大學常勇的博士論文《裂隙-管道二元結構的巖溶泉水水文過程分析與模型》中系統論述了現有的巖溶裂隙-管道水流理論分析模擬技術。但是，論文中的模擬技術很復雜，更多的是研究巖溶裂隙-管道系統對應泉水流量的全過程特征和裂隙-管道系統的水力學特征。一般來說巖溶泉水的巖溶管道特征是難以查明的，所以現今采用的許多泉水流量計算模型要么停留在理論研究階段，要么調查和勘察投入大，需提供的參數難以獲取，實用性較差。

泉水是一種寶貴的自然資源，一方面是工農業及居民生活的重要供水水源，同時其自然景觀和歷史文化內涵又是一種寶貴的旅游資源。隨著大量的開采地下水，人口密集區的泉水多有斷流和枯竭的趨勢，因此一般重點關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，短時間內突然噴涌而出，排泄不暢也將帶來一定的自然災害，特別是巖溶地區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，為防洪設計提供必要的數據支撐。

巖溶地區的地質特性和地下水補給、徑流和排泄特點使得估算泉水的峰值流量成為可能，可以通過走訪調查搜集歷史暴雨和洼地內澇成災信息，經過地質分析和計算來確定其峰值流量。

因此，設計一種基于歷史洪澇信息的巖溶洼地-管道系統泉水峰值流量調查和估算方法和模型是有必要的。

技術實現要素：

本實用新型的目的提供一種用于估算巖溶地區泉水流量的寬淺水池-承壓管道模型結構，以克服現有技術的不足。

本實用新型是通過如下技術方案予以實現的：

用于估算巖溶地區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有閥門的水箱和設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黑箱，并在黑箱的側面出水形成模擬的泉水。

本實用新型首先通過地質調查，基本查清研究巖溶泉水的巖溶水文地質條件，按照巖溶洼地歷史內澇信息，和洼地－管道－泉水關系將巖溶洼地－管道系統概化為寬淺水池-承壓管道模型，該模型包括用于模擬降水的設有閥門的水箱和設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黑箱，并在黑箱的側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，巖溶洼地中不會發生積水內澇，泉水的流量隨降雨量增減而波動；當降水達到一定程度，超過巖溶管道的過水能力，巖溶洼地將蓄水，發生內澇；控制巖溶管道中流速的水力比降變化相應較小，管道被充滿，屬于承壓管道，其過水能力達到極限，處于管道出口的泉水存在一個峰值流量。

其中，水箱中的水量通過水閥放入巖溶洼地，反映的暴雨后的地表入滲和坡面匯流過程對暴雨存在削峰填谷作用，進入巖溶洼地的水流相對均勻；巖溶洼地對洪水也存在一個調蓄作用；假設暴雨產生的水量在巖溶洼地內澇時間內基本排泄，泉水處于較為穩定的峰值流量狀態，即可以通過公式估算出巖溶泉水的峰值流量，為防止泉水泛濫成災提供準確的設計流量數據；

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

式中：

Q為泉水峰值流量，單位m³/s；

P_x為頻率為x下的暴雨強度，單位m/h；

T為暴雨持續時間，單位h；

A為泉域面積，單位m²；

t為洼地內澇持續時間，單位h；

α為水量調整系數，為泉水大流量排泄量與降水量的比值，與蒸發、地下空間蓄滯等消耗因素相關，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，可根據實測日常泉水的流量比例估算。

本實用新型可用于估算巖溶洼地－管道系統泉水峰值流量，只需要通過調查和搜集歷史降水和巖溶洼地內澇成災資料，調查泉水的宏觀水文地質條件即可，重點在分析研究巖溶泉水的輸入和輸出條件，將復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，計算簡便，準確性較好。

附圖說明

圖1為本實用新型采用的寬淺水池-承壓管道模型結構示意圖；

圖2為本實用新型的巖溶洼地－管道系統地質調查流程圖；

圖3為本實用新型的巖溶洼地－管道系統泉水峰值流量計算流程圖；

圖4為實施例1中的S4泉水流量趨勢圖。

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。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本實用新型采用的這種模型包括用于模擬降水的設有閥門2的水箱1和設在水箱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穿過黑箱7，黑箱7巖溶管道5難以查明，在黑箱7的側面出水形成模擬的泉水6。

地下管道或者溶隙結構通常難以查清，對研究者來說是一個黑箱，但是可以通過調查場地基本地質條件和巖溶水文地質條件，較為容易地搜集和調查歷史降雨強度和降雨時間數據、巖溶洼地歷史內澇資料、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，地質調查的流程見圖2。

巖溶山區地表植被稀少、覆蓋層淺薄，地表降水入滲率高，入滲量大。對于巖溶洼地－管道系統，地表降水一方面滲入地下溶隙，坡面產流也最終匯入洼地，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。巖溶管道過流斷面是有限的，水位以下的過流能力由流速決定。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中不會發生積水內澇，泉水6的流量隨降雨量增減而波動。

當降水達到一定程度，即模型中水閥2以大流量放水，超過巖溶管道5的過水能力，巖溶洼地3將蓄水，發生內澇，期內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較小，管道被充滿，屬于承壓管道，其過水能力達到極限。因此，一旦達到或超過徑流通道的過水能力，即使降水補給再大，泉水6流量也難以明顯增加，處于管道出口的泉水6存在一個峰值流量。

降水通過模型中水箱1表示，水量根據歷史氣象資料和洼地歷史內澇資料估算。可以進行巖溶洼地淹沒內澇和成災歷史走訪調查，淹沒高程和內澇持續時間容易獲取，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程對暴雨存在削峰填谷作用，進入巖溶洼地3的水流相對均勻；巖溶洼地3對洪水也存在一個調蓄作用。假設暴雨產生的水量在巖溶洼地3內澇時間內基本排泄，泉水6處于較為穩定的峰值流量狀態，即可以通過公式(1)估算出巖溶泉水的峰值流量，為防止泉水泛濫成災提供準確的設計流量數據。

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

式中：

Q為泉水峰值流量，單位m³/s；

P_x為頻率為x下的暴雨強度，單位m/h；

T為暴雨持續時間，單位h；

A為泉域面積，單位m²；

t為洼地內澇持續時間，單位h；

α為水量調整系數，為泉水大流量排泄量與降水量的比值，與蒸發、地下空間蓄滯等消耗因素相關，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，可根據實測日常泉水流量估算。分析計算的流程見附圖3。

實施例1：

8.1基本地質條件

貴州省貴安新區某污水處理廠背山臨谷，背后的西側為柒子坡—苗山—鵝坡—插香山一圈峰叢丘陵，之間發育洼地，其中最大的為柏臘隴，底部高程1255～1258m。峰叢丘陵南側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為馬場河谷地，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巖溶水文地質條件

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

地下水徑流方向受地質構造的影響，主要順層面流動，匯入沿東西向裂隙發育的巖溶管道系統之中，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

場地以西的峰叢丘陵區域為污水處理廠泉水的主要補給源，其中分布了大小二十多個洼地。洼地常起到暴雨時候的短時間調蓄作用。與泉水有關的主要為柏臘隴(W22和W23)洼地。

柏臘隴洼地位于污水處理廠西側峰叢中心位置，最低點高程1255m。。據當地村民介紹，一般常年的洪水可基本充滿洼地內的排水溝渠，溢出溝渠的情況幾年會出現一次，甚至將洼地底部淹沒，從而造成內澇災害，最深可積水至約1258m高程，災害一般持續2～3天，積水經落水洞排出。曾經有洼地內的谷糠在新寨的S₃和污水處理廠位置的S₄泉水被發現，說明柏臘隴與兩個泉水直接連通，是一個巖溶管道系統。

8.2.2主要泉水和泉域

污水處理廠S₄泉水不斷流，枯季水質清澈穩定，在干旱年份，可抽水灌溉附近農田。汛期暴雨后1～2h，水量激增，水質變渾，補給源較近，受外側溪溝水位頂托影響，淹沒周邊的田地。調查期間，未發生較大降水，井水高程為1241.2m，與外側小溪水位基本一致。

S₃泉水為場區另一個泉水，是巖溶管道的一個天窗。暴雨后水位陡漲，水質變渾，涌水淹過外側路面，據當地村民介紹，柏臘隴洼地被淹時的谷糠可在S₃泉水中出現，說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，距離S₃泉水400m。據當地村民介紹，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。泉域的補給區和徑流區基本一致，排泄區為S₄、S₃和S_3-1等泉水。

根據補給和巖溶管道系統特點將S₄泉域再劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個亞區。Ⅰ亞區為柏臘隴內S₁₃～S₁₅三個內部補給泉水的泉域范圍，面積3.2km²，將Ⅰ亞區地表地下水集中于柏臘隴洼地集中匯流后通過S₄管道系統排泄。

Ⅱ亞區主要為柏臘隴洼地和W₂₇洼地兩側地表分水嶺圍合范圍，S₄巖溶管道系統接受K₄和K₅落水洞的補給和兩側山體的入滲補給。Ⅲ亞區為S₃至S₄一線和柒子坡至苗山一線山脊圍合區域，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。

根據當地問詢和實際觀測，S₄巖溶管道系統三個泉水出口(S₄、S₃和S_3-1)枯季流量比例約4∶1∶1，即公式(1)中的β系數對S₄泉水來說為0.67，S₃和S_3-1各為0.165。

8.3泉水峰值流量估算和驗證

根據調查，泉水流量增大時間一般滯后于降水1～2h，地表降水對巖溶地下水補給較快，之后迅速達到峰值，并持續穩定，降水結束后，根據降水的大小，泉水流量消落速度有所不同。搜集到馬場區域不同頻率下24h和1h設計暴雨量，考慮到地表洼地和地下巖溶系統對地表降水存在調蓄作用，以24h的設計暴雨來估算泉水的流量更能適應地下水滯后和調蓄的特征。

對S₄巖溶管道系統，中間存在一個較大的柏臘隴洼地，為流量分析和估算提供了有利的條件。根據實地走訪，常年的暴雨能使得洼地內的排水溝滿水，那么，可以認為，對99％的洪水，柏臘隴只起到徑流通道的作用；多年會遇到一次災害性暴雨，將洼地不同程度地淹沒，洼地內積水在2～3天消落，我們認為對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，柏臘隴成為中轉站，具備調蓄的作用，為保險起見，對百年一遇的降雨，排泄時間近按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24h暴雨全部入滲，24h基本排泄計算，t為24h，α取1，泉域平均排泄量按下式估算，計算結果為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‰，溝內雜草較多，根據觀察計算流速為0.5～0.6m/s。溝內過流量為1.62m³/s，該流量為Ⅰ區S₁₃～S₁₅三個泉水泉域的排泄量，面積3.2km²，占整個泉域面積的62.7％，可以根據柏臘隴泉水流量估算整個S₄泉域的流量，為2.58m³/s，與(1)式估算的結果基本一致，兩種方法可以相互驗證，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系數為0.67，即涌水量為1.72m³/s，S₃和S_3-1β系數均為0.165，即涌水量為均為0.43m³/s。

(2)兩年一遇暴雨

按照泉域內24h暴雨全部入滲，24h基本排泄計算，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。計算結果為4.99m³/s，按照β系數分配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24h暴雨全部入滲，48h基本排泄計算，泉域平均排泄量按(1)式估算，α取1，1％的24h暴雨為268×10^-3m。計算結果為7.91m³/s，按照β系數分配S₄泉水的涌水量為5.27m³/s，S₃和S_3-1涌水量均為1.32m³/s。

對二年一遇和百年一遇之間的暴雨，根據設計暴雨的變化采取內插的方式估算泉水的流量，各頻率暴雨下的相關泉水的流量匯總于表1和圖4中。對百年一遇以上的暴雨，已經超過巖溶管道系統和S₄、S₃和S_3-1各排泄點的泄水能力，甚至超過柏臘隴等低矮洼地的蓄洪能力，洼地外側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遭受1957年有氣象記錄以來最大暴雨，3h之內降雨量達187.7mm。S₃泉水實測流量約1.2m³/s，S₄泉水實測流量約5.4m³/s。與100年一遇暴雨對應的泉水計算峰值流量基本一致，說明對泉域的劃分和泉水流量的估算方法、成果是正確和可靠的。

當然，以上只是本實用新型的具體應用范例，本實用新型還有其他的實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型所要求的保護范圍之內。