隴南地區(qū)橋涵小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

馮英杰

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州 730124）

0 引 言

隨著我國(guó)公路交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)交通建設(shè)提出更高的要求，因此對(duì)人工排水構(gòu)造物和小橋涵的要求亦有所提高。同時(shí)，由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，城鎮(zhèn)新區(qū)建設(shè)正逐漸成為地區(qū)的建設(shè)重點(diǎn)，對(duì)新建城區(qū)的小流域溝道的排洪和城區(qū)規(guī)劃需綜合考慮，合理確定小流域洪水流量既是小橋涵孔徑的計(jì)算重要依據(jù)，也是工程規(guī)劃的主要依據(jù)。而我國(guó)公路小流域洪水流量計(jì)算方法尚不夠完善，缺乏可靠的科學(xué)計(jì)算依據(jù)，致使小橋涵孔徑設(shè)計(jì)存在一定困難。孔徑確定中偏大造成浪費(fèi)，偏小出現(xiàn)水毀的現(xiàn)象，給地區(qū)和國(guó)家?guī)?lái)嚴(yán)重?fù)p失。

1 小流域洪水計(jì)算特點(diǎn)

小流域設(shè)計(jì)洪水是公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的，它是決定小橋涵孔徑的主要依據(jù)。與大中流域相比，小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算有如下特點(diǎn)：

（1）缺乏水文觀測(cè)資料。由于匯水面積小，河溝小，絕大多數(shù)小流域沒(méi)有水文觀測(cè)站，缺乏實(shí)測(cè)資料，因而不能用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法根據(jù)已有的流量資料推算設(shè)計(jì)流量。流量計(jì)算只能按照無(wú)觀測(cè)資料設(shè)計(jì)流量的方法進(jìn)行水文計(jì)算。

（2）洪水暴漲暴落，破壞性較大。由于流域控制的面積小，河溝長(zhǎng)度較短，河床比降較大，因而河床的調(diào)洪能力很弱，由暴雨形成的洪峰流量來(lái)勢(shì)兇猛，對(duì)小橋涵及其構(gòu)造物破壞性較大。

（3）流量小，洪水歷時(shí)短暫。通常河床溝槽的洪水位痕跡不很明顯，進(jìn)行洪水調(diào)查，難度較大，根據(jù)用水資料進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算，有一定困難。

（4）暴雨是形成洪峰流量的根本原因。由于小流域匯水面積小，暴雨范圍很容易覆蓋整個(gè)匯水區(qū)，因而暴雨的大小直接影響洪峰流量的形成及大小，特別是暴雨的強(qiáng)度和暴雨的時(shí)間分布對(duì)洪峰流量和其特征有重要影響。

2 城區(qū)特征

2.1 地貌特征

隴南地區(qū)主要為黃土高原向西秦嶺地區(qū)過(guò)渡段，包括長(zhǎng)江水系和白龍江和西漢水中系中下游地區(qū)，地處青藏高原、黃土高原和四川盆地三大單元之間，隴南城區(qū)地勢(shì)由西北向東南逐漸降低，區(qū)內(nèi)多山地，河流隨地形變化，由西向東南流，河流切割劇烈，呈高山峽谷地貌類型。境內(nèi)多為峽谷盆地或丘陵地形，新建城鎮(zhèn)一般布置在河灘一級(jí)臺(tái)地上，面水靠山，城鎮(zhèn)呈條型布置，而背山側(cè)又多自然沖溝，沖溝面積介于1～10 km2之間。

2.2 氣候特征

隴南城區(qū)所處地理位置比較特殊，位于青藏高原東側(cè)地形坡度較陡的地方，在巴顏格拉山和秦嶺之間，氣候資源豐富，天氣氣候差異比較明顯，屬北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡地段，立體氣候特征明顯，年平均降雨量在450～758 mm之間，白龍江、白水江河谷地帶年平均氣溫13℃～16℃，西北部高山旱地年平均氣溫8℃～11℃，東部徽成盆地地帶年平均氣溫13℃～16℃。

2.3 植被狀況

隴南地區(qū)森林覆蓋率42.5%，覆蓋面積達(dá)到1 775.6萬(wàn)畝。生態(tài)植被較好的縣依次為兩當(dāng)縣、康縣、徽縣、文縣、成縣，森林覆蓋率分別為72%、63%、62%、47%、42.8%；禮縣、西和縣、武都區(qū)、宕昌縣植被較差，森林覆蓋率分別為19.2%、21.3%、24.8%和30.6%，生態(tài)植被與降水、滑坡泥石流分布情況基本一致。

2.4 降水特征

隴南地區(qū)所處地理位置比較特殊，屬南北氣候過(guò)渡地帶，氣候特點(diǎn)是降雨量較充沛，局部短時(shí)暴雨頻繁。暴雨主要出現(xiàn)在隴南東部，占暴雨出現(xiàn)日數(shù)的80%以上。西北出現(xiàn)暴雨相對(duì)較少。暴雨出現(xiàn)的時(shí)間為5月～9月，7～8月是隴南暴雨多發(fā)時(shí)期，80%的暴雨出現(xiàn)在這一時(shí)段。從降雨量看，隴南的暴雨強(qiáng)度較弱，暴雨是隴南最多發(fā)的自然災(zāi)害之一，滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)段頻次與暴雨發(fā)生的時(shí)段頻次具有較好的一致性，隴南出現(xiàn)較重和嚴(yán)重的滑坡大多數(shù)是由暴雨或大暴雨誘發(fā)的。該地區(qū)由于暴雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年愈億元。

區(qū)域內(nèi)地貌、植被等差異較大，其降水以及暴雨分布也存在較大差異。隴南地區(qū)降雨量的空間分布見(jiàn)表1。

表1 隴南各縣（區(qū)）年平均降雨量及年降雨量極值（單位：mm）

從降雨時(shí)間分布看，隴南地區(qū)降雨量隨季節(jié)變化差異較大，隴南各地降雨主要集中在下半年5～10月，下半年降雨量占年降雨量的83%～87%，其中尤以6～8月的降雨量集中，各縣的降雨量占全年降雨量的47.1%～52.4%，從6～8月的降雨量占全年總降雨量比率來(lái)看，6～8月各縣差異不大，總體趨勢(shì)一致。大于0.1 mm降雨天數(shù)各縣差異不大，都在100 d以上，康縣最多146 d，武都縣最少104 d，見(jiàn)表2。

表2 各縣大于0.1 mm降雨天數(shù)及下半年降雨量全年降雨量的比

2.5 城區(qū)特點(diǎn)

隴南地區(qū)小城鎮(zhèn)工礦企業(yè)較少，主要以行政和居住為主，而隴南地區(qū)人口較多，適宜居住地塊狹長(zhǎng)，城鎮(zhèn)居住人口密度較大，新建城鎮(zhèn)區(qū)域一般在2～5 km2，防洪等級(jí)一般為20 a一遇。考慮跨越溝道由于城鎮(zhèn)建設(shè)必須設(shè)置橋涵等結(jié)構(gòu)物，建議城鎮(zhèn)溝道設(shè)計(jì)洪水采用50 a一遇為宜。

3 小流域洪水計(jì)算方法

3.1 暴雨推理法

橋位處缺乏實(shí)測(cè)流量資料，又因工程規(guī)模小，不可能做大量的勘測(cè)和地區(qū)資料的整理工作，但當(dāng)?shù)厮臍庀蟛块T(mén)有較多的自記雨量記錄和定時(shí)觀測(cè)雨量累計(jì)資料，有利于分析研究該工程點(diǎn)的洪水流量。

運(yùn)用實(shí)測(cè)暴雨洪水資料來(lái)計(jì)算參數(shù)，并進(jìn)行綜合，對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)流量資料地區(qū)，是公路小橋涵最常用的計(jì)算方法。用暴雨推求設(shè)計(jì)流量時(shí)，假定暴雨與其形成的流量為同一頻率。

城市排洪小流域溝道一般有兩個(gè)功能，排山面下來(lái)的洪水同時(shí)由于城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)部分雨水需要匯集排入溝道，然后排入主河道中。由于匯水面積較小，暴雨特征為歷時(shí)產(chǎn)流快。

暴雨強(qiáng)度推理公式是運(yùn)用成因分析與經(jīng)驗(yàn)推斷相結(jié)合的方法，一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，洪水計(jì)算主要公式適用于多雨地區(qū)，地形條件300～500 km2以下；干旱地區(qū)為100～20 km2以下的情況。通過(guò)損失參數(shù)和匯流時(shí)間，體現(xiàn)地區(qū)差異性。計(jì)算公式為：

3.2 徑流形成法

近百年來(lái)，小流域徑流流量的推理公式數(shù)以百計(jì)，主要有兩大類：一類是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立徑流流量與徑流因素函數(shù)關(guān)系的公式，即經(jīng)驗(yàn)公式；二是根據(jù)徑流形成的因素和條件，通過(guò)分析、推理而建立的徑流流量與徑流因素函數(shù)關(guān)系的公式，為成因推理公式。而徑流成因推理公式計(jì)算繁雜、適用性差，生產(chǎn)上一般多用徑流成因簡(jiǎn)化公式和經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于匯水面積F≤30 km2的情況我國(guó)公路橋涵水文計(jì)算公式為：

3.3 城建經(jīng)驗(yàn)法

隴南市區(qū)50 a一遇洪水公式為：

4 確定工程點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水流量

比較各類方法計(jì)算結(jié)果，以確定隴南某城區(qū)設(shè)計(jì)洪水流量見(jiàn)表3。采用溝道平均坡度為10%，溝道平均寬度按1 km的情況進(jìn)行計(jì)算。

表3 隴南某城區(qū)設(shè)計(jì)洪水流量

通過(guò)計(jì)算，暴雨推理法在30 km2時(shí)與徑流形成法一致，10 km2以內(nèi)計(jì)算偏大。

而城鎮(zhèn)建設(shè)主要流域面積集中在1～10 km2，由于小城鎮(zhèn)建設(shè)缺少城建經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合上面計(jì)算建議采用徑流形成法計(jì)算10 km2以內(nèi)溝道洪水較為合理。

特別強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)上述公式計(jì)算所得為計(jì)算頻率的清水流量，確定洪水流量時(shí)應(yīng)乘以增大系數(shù)。同時(shí)要考慮溝道堵塞系數(shù)，如果城鎮(zhèn)溝道已經(jīng)疏通治理，可按輕微堵塞考慮，一般采用1.0～1.2的系數(shù)。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算比較隴南某城區(qū)小流域洪水流量采用徑流形成法能較好地與當(dāng)?shù)爻墙ń?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算數(shù)據(jù)吻合，暴雨強(qiáng)度推理公式在流域小于10 km2計(jì)算中數(shù)值偏大。計(jì)算結(jié)果為該地區(qū)小橋涵孔徑設(shè)計(jì)及小流域防洪設(shè)計(jì)措施的實(shí)施提供力有利的依據(jù)，最大限度地減少小流域暴雨洪水災(zāi)害造成的影響。

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