蒙華鐵路小流域暴雨徑流公式驗證

孫漢舟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

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蒙華鐵路小流域暴雨徑流公式驗證

孫漢舟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

【摘要】鑒于小流域暴雨徑流確定的流量為鐵路橋涵孔徑的設計依據，直接關系橋梁的運營安全。文章對蒙華鐵路小流域計算辦法的探討，通過對形態(tài)法與鐵三院丘陵公式法、地方公式的結果綜合分析，論述了小徑流的形態(tài)驗證方法和過程。

【關鍵詞】鐵路；小流域；徑流；形態(tài)驗證

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(qū)要跨越不計其數的大小河流，需要建設橋涵確保洪水順利排泄。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。本文以蒙華鐵路勘測為背景，對桑樹坪至三門峽范圍的小流域計算公式的采用進行了驗證。

1地域水文簡介

1.1地形地貌

區(qū)內地形復雜，地形相對高差明顯，最高峰為桓曲境內的舜王坪，其海拔高度2 321.8 m，最低為黃河岸邊的古城，海拔只有245 m，比差達2 076.8 m。縱觀全貌，區(qū)內自北向南有呂梁山系、汾澮谷地、峨嵋臺地、涑水盆地、中條山系、黃河谷地及桓曲山間盆地等，其中峨嵋臺地(包括鳳凰桓)面積2 526 km2，占全區(qū)面積的17.7 %；三大斷陷盆地(谷地)區(qū)面積6 503 km2(含灘地水面面積)，占全區(qū)面積的45.7 %；山地丘陵(包括山間小盆地)區(qū)面積5 204 km2，占全區(qū)面積的36.6 %。

1.2水文特征

本線先后跨越鑿開河、黃河(河津段)、汾河、涑水河、黃河(三門峽段)、蒼龍澗、好陽河、混水河等河流，均屬黃河流域。受地理環(huán)境和氣候條件所制約，區(qū)內河流兼具山地型和夏雨型的雙重特征。在河流形態(tài)和河道特征方面表現為：溝壑密度大，水系發(fā)育；河流坡陡流急，侵蝕切割嚴重。在徑流和泥沙方面，其特點是，洪水暴漲暴落，含沙量大；年徑流集中于汛期，枯水徑流小而不穩(wěn)。

沿線附近有上馬水庫、苦池水庫、蘇溝水庫、竹林寺水庫、邵溝水庫、幸福水庫、油坊溝水庫、中張水庫、朱乙河水庫等水庫。

1.3氣象

運城市多年平均降水量為527.5 mm，降雨量年際變化大，降水量年內分配極不均勻，冬春降水較少，占全年降水量不足20 %，夏季降水量特別集中，約占全年總降水量的40 %左右；秋季正是夏季風過渡到冬季風的轉換季節(jié)，降水量與夏季相比，所占比例相當。汛期6～9月降水量占全年65 %左右，7、8兩月降水量占年降水量的比重大都在40 %左右。

2小徑流驗證

2.1驗證工點選取

本次勘測選用形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式進行比較分析來確定小流域地區(qū)的暴雨徑流的計算辦法。由于線位附近大多數沖溝上、中、下游有較多小型淤地壩影響，驗證工點很難選取，因此在區(qū)間范圍內延線路方向分段選擇5個代表性的河溝進行驗證。

2.2形態(tài)法

利用本地區(qū)的偏差系數(CS)、變異系數(CV)兩者之間的關系和重現期流量推求設計流量換算系數X(T1/T2)值(《水文手冊》P509頁的附表)，來推求百年流量。

測得水坡和斷面后，根據調查所得到的歷史洪水位，用河流的斷面和坡度計算出在這一水位時的洪水流量并確定重現期。利用《水文手冊》P509頁的附表和變異系數CV=0.5，查表得換算系數X(T1/T2)=1.14，推求100年一遇的流量(表1)。

表1　形態(tài)法百年流量計算

2.3鐵三院丘陵公式法

根據本次勘測范圍內的地形為山丘區(qū)，選用如下公式：

山丘區(qū):當ap=Sp/tn時

式中:C2為參數可按下式計算：

上式中β0、r0、m0、A4均為參數，可從《水文手冊》P90頁表5-21查取。

Sp為頻率為P的雨力(mm/min)；(查閱《山西省暴雨洪水計算實用手冊》計算)

P0為參數，可按下式計算：

上式N0為參數，可從《水文手冊》P90頁表5-21查取。

g0為參數，可按下式計算：

g0=1+m0×p0

n為暴雨衰減系數。(查閱《山西省暴雨洪水計算實用手冊》)

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。

F為流域面積(km2)。

η為暴雨點面折減系數從《水文手冊》P83頁表5-8查取。

本次勘測采用3類號，取A4=7、m0=0.25、N0=0.30、β0=0.52、r0=0.45、n=0.7。

由于流量計算公式龐大，根據上述參數各公式結果采用EXCEL電子表格計算結果如下(表2)。

表2　鐵三院丘陵公式法百年流量計算

2.4山西省地方公式

本次勘測范圍絕大部分屬于山西省，山西省地方公式如下。公式中各參數的選取系參照《山西省暴雨洪水計算實用手冊》(水利電力部山西省水利勘測設計院 1991年)。

Qp=CpH1,pFN

式中：Qp為設計頻率洪峰流量m3/s；

H1,p為計算流域形心處設計頻率一小時點雨量mm；

F為計算斷面控制流域面積km2；

N為綜合面積系數，其中N=apF-np。Cp、ap、np為隨經驗公式地類劃分表及頻率而異的經驗性系數或指數，具體參數詳見《山西省暴雨洪水計算實用手冊》P41頁經驗公式參數表。

由于流量計算公式龐大，根據上述參數各公式結果采用EXCEL電子表格計算結果如下(表3)。

表3　山西省地方公式百年流量計算

3驗證分析

形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式計算流量對照表(表4)。

表4　形態(tài)法及各方法計算對照表　m3/s

4驗證結論

本次勘測通過洪水位調查和實地勘測及篩選分類，選出了以上5處較為典型的小面積流域作為驗證的工點，經過計算和分析得出以下結論：

采用形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式，與形態(tài)法進行計算核對比較，可以看出相對于山西省地方公式，鐵三院丘陵公式法的結果與形態(tài)法結果比較，偏差基本在10 %以內，表明計算的洪峰流量和形態(tài)法計算的洪峰流量吻合較好。

通過以上計算及驗證分析，鐵三院丘陵公式法適合該地區(qū)的小流域暴雨徑流計算。

參考文獻

[1]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， 1999.

[作者簡介]孫漢舟(1988～)，男，本科，助理工程師，從事橋梁設計工作。

【中圖分類號】U442.3+4

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-08