某地區鐵路小流域暴雨徑流公式驗證

王 升

我國是一個幅員遼闊、河川縱橫的國家,在鐵路建設中,鐵路通過的地區要跨越不計其數的大小河流,需要建設橋涵使洪水順利排泄。由于小流域暴雨徑流是確定橋涵孔徑的主要依據,因此,小流域暴雨徑流計算的精度與鐵路免遭水害關系密切。

鐵路部門暴雨徑流計算,經過多年的時間和洪水考驗,逐漸地建立了各地區的計算公式,但由于各地區地形地貌與氣候復雜多樣,需要結合大量的暴雨和徑流實驗觀測資料,逐漸的提高計算公式的準確性。

1 地形地貌

牡丹江—穆棱地區主要為低山丘陵區域,山勢較陡峭,峰巒連綿,切割深度較大,高差多在300 m左右,植被發育,海拔高程在600 m～1100 m。

2 氣候

流域位于東北多雨地區,氣候為太平洋季風及西伯利亞高氣壓影響決定。夏季暴雨和大雨是本流域的主要徑流來源。

3 降雨

本區屬中溫帶濕潤季風氣候區(按對鐵路工程影響氣候分區為嚴寒地區),冬季嚴寒干燥漫長,夏季濕熱短暫,春秋季多風。歷年平均降水量531.0 mm,歷年年平均蒸發量1223.3 mm,歷年平均相對濕度66%。由于該段區域地勢為丘陵地區,坡陡水急,暴雨量集中,匯流時間較短,所以流量較大。

4 驗證過程

本次選用了鐵三院法丘陵區、地方公式法、形態法來最終確定該地區的小徑流公式。由于附近地區變化有較大差異,本次選取四處有代表性的工點進行驗證工作。

4.1 形態法簡介

1)調查的準備階段:在1∶50000的軍用圖上沿線路方向,在靠近線路的兩側選擇河道順直的溝渠,勾繪流域面積F。溝渠附近最好有人居住,可以向當地人調查洪水位。特殊情況下,只有通過現場觀察洪痕及歷史資料確定洪水位及其周期。2)調查過程:找到軍用圖所選溝渠的地點,向當地老鄉詢問相應年份的洪水情況,并指出洪水位,作為我們計算的基本依據。同一年份最好在一定距離內(不同地點)指出兩個或三個洪水位,作為驗證是否準確的依據。3)勘測階段:間隔100 m左右,做兩個規則的水文斷面,并在一定范圍內做水坡,水坡范圍必須包括兩個水文斷面及調查的洪水位點。測水坡時,將洪水位點的高程也同時測出,其中斷面及洪水位點的位置應記錄明確,用于確定斷面處的洪水位。4)計算階段:計算外業測回的數據,畫出兩個斷面圖及水坡圖,將洪水位點的高程換算到相應的斷面處,利用水文計算程序計算出相應年份的洪水流量。確定相應年份流量的重現期(根據地方水文資料及實際了解的情況),應用形態法計算調查重現期的流量,查黑龍江省《水文圖集》最大流量離差系數Cv等值線的數值為1.3,再查鐵三院《水文手冊》附錄六,求得換算系數X(T1/T2),最終算出百年的設計流量,計算結果見表1。

表1 牡丹江—穆棱區域形態法計算結果

4.2 地方公式

公式推導:

根據《黑龍江省水文圖集》中“洪水圖集”的概化過程線法推求設計洪水。

設計最大流量:Qp=Kp/K5%(Cp×F0.67)。

其中,F為匯水面積,km2;Kp為不同頻率模比系數,由皮爾遜Ⅲ型曲線值表查得;K5%為20年一遇的模比系數,由皮爾遜Ⅲ型曲線值表查得;Cp為最大流量參數,由“圖集”中最大流量參數等值曲線圖查得;Cv為最大流量變差系數,由“圖集”中最大流量變差數等值曲線圖查得。

在牡丹江市水務局得知,該流域Cs/Cv=2.0。因此推出:

在小流域設計洪水方面,黑龍江推理公式法是運用經驗相關與成因推理相結合的途徑推求設計洪水,這種方法比單獨用經驗相關與單獨用推理公式推求設計洪水效果較好,方法亦更簡便、實用。

4.3 鐵三院公式法

牡丹江—穆棱地區山丘區域:

其中,L4為流域長度,從分水嶺算起,km;I4為流域坡度,從分水嶺算起,用加權法計算;C2為參數,可按下式計算:

其中,β0,r0,m0,A4均為參數,可從《橋渡水文》查取。

表2 牡丹江—穆棱區域鐵三院公式法計算結果

表3 牡丹江—穆棱區域各公式與形態法結果比較

由于本段區域介于鐵三院公式法的4類土與5類土之間,所以需綜合比較。

4類時:A4=10,m0=0.25,N0=0.30,β0=0.52,γ0=0.45。

計算公式如下:

4.5 類(取4類和5類均值)的取值:

計算公式如下:

其中,g0為參數,可按下式計算:

鐵三院公式法計算結果見表2。

5 結語

對形態法、地方公式、鐵三院公式的計算結果比較見表3,得出結論,牡丹江—穆棱地區對于匯水面積小于100 km2的小流域,鐵三院公式法系數按4.5類計算結果與實際地區暴雨徑流的匯水流量比較接近,所以應選取鐵三院公式法4.5類作為本地區的暴雨徑流的流量計算公式。

[1]黑龍江省水文總站,黑龍江省水利勘測設計院.黑龍江省水文圖集[M].哈爾濱:黑龍江省水文總站出版社,2006.

[2]鐵道第三勘察設計院橋梁處.橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,2001.