東非亞丁灣地區(qū)水文計(jì)算方法研究

陳澤宇

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢　430063）

東非亞丁灣地區(qū)水文計(jì)算方法研究

陳澤宇

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢430063）

東非亞丁灣區(qū)域近年來出于維和需求，逐步成為各國基建投資的重點(diǎn)區(qū)域，中國企業(yè)也開始涉足該區(qū)域鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、港口等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。然而，由于長期的政局不穩(wěn)以及經(jīng)濟(jì)文化落后，亞丁灣各國關(guān)于水文的經(jīng)驗(yàn)公式及相關(guān)資料極為缺乏，使得勘察設(shè)計(jì)單位開展水文工作相當(dāng)困難。論文以“埃塞俄比亞至吉布提鐵路”工程為例，結(jié)合亞丁灣區(qū)域的氣候、降水、地形地貌特點(diǎn)，通過對(duì)周圍各國及中國類似區(qū)域水文信息的橫向?qū)Ρ确治觯偨Y(jié)出適用于該區(qū)域的水文計(jì)算公式，供參與東非亞丁灣區(qū)域的橋梁工程設(shè)計(jì)師參考。

匯水時(shí)間；設(shè)計(jì)流量；Rational法；SCS法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.027

1　引言

本項(xiàng)目位于紅海入海口亞丁灣國家，非洲之角吉布提，該國境內(nèi)地表水不發(fā)育，基本無永久性河流，主要是季節(jié)性河流，河道呈梳狀，多發(fā)源于北部山脈和南部山地或高原，降雨大多蒸發(fā)或滲入地下，剩余小部分注入紅海。地下水埋藏較深，一般在數(shù)十米以下，只局部地段埋藏較淺。

由于常年干旱對(duì)地表植被生長極為不利，故吉布提地區(qū)大部遍布荒溪干溝，但若突遇暴雨極易發(fā)生暴漲暴落的洪水，洪水災(zāi)害是吉布提的主要災(zāi)害。山洪因其所流經(jīng)的溝谷坡度陡峻，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有洪水歷時(shí)短、流速快、沖刷力強(qiáng)、挾帶泥石多、破壞力大等特點(diǎn)。

2　降雨強(qiáng)度的計(jì)算

2.1降雨量數(shù)據(jù)的搜集

降雨量數(shù)據(jù)分析是水文分析計(jì)算中最重要的環(huán)節(jié)，吉布提國內(nèi)基礎(chǔ)資料嚴(yán)重缺乏，氣象資料更是缺少，全境只有3個(gè)雨量監(jiān)控點(diǎn)不連續(xù)的20a有效記錄。根據(jù)全線已收集的線路經(jīng)過區(qū)Djibouti、AliSabieh既有降水資料（見表1、表2）分析，沿線降水稀少，一般年份降水量均小于100mm，局部年份達(dá)207.6mm，其中，AliSabieh鎮(zhèn)有多年不降水記錄。這些數(shù)據(jù)都在項(xiàng)目影響區(qū)域內(nèi)，對(duì)進(jìn)行水文分析和降雨量的月分布研究提供了有效幫助。

表1　DJIBOUTI年度降雨量表

表2　ALISABIEH年度降雨量表

2.2頻率分析

吉布提Djibouti-Aerodrme-Serpent站提供了最大月降雨量數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合比較、分析和判斷，吉布提1969～1978、2003～2012不連續(xù)的20a的年最大月降雨量數(shù)據(jù)是有效的且適用于本項(xiàng)目。因此，統(tǒng)計(jì)分析采用了該“最大月降雨量”數(shù)據(jù)，對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析，以獲取項(xiàng)目區(qū)域的設(shè)計(jì)降雨量參數(shù)和“降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率曲線（IDF曲線）”

通過對(duì)多種分布曲線的綜合分析比對(duì)，“皮爾遜Ⅲ型曲線分布”與區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)比較吻合，皮爾遜Ⅲ型曲線分布如下圖1所示。因此，采用皮爾遜Ⅲ型曲線分布進(jìn)行頻率分析。

圖1　Djibouti-Aerodrme-Serpent站皮爾遜Ⅲ型頻率分布

2.2.1皮爾遜III型頻率分布

根據(jù)《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10007—99），CV可做以下調(diào)整：

通過對(duì)許多不同參數(shù)進(jìn)行擬合程度的評(píng)估比對(duì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CV=1.4而CS=3CV時(shí),皮爾遜Ⅲ型曲線與吉布提站的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合程度較高。

2.2.2T年重現(xiàn)期的24h降雨量

吉布提全境只有3個(gè)雨量監(jiān)控點(diǎn)不連續(xù)的20a有效記錄，且只提供精度為“月降雨量”的數(shù)據(jù)，需要將月降雨量轉(zhuǎn)換為24h降雨量，必須通過暴雨衰減公式。根據(jù)《橋渡水文》提供的衰減公式，將設(shè)計(jì)降雨量按照50a和100a重現(xiàn)期，衰減為24h，結(jié)果如表3所示。

表3　T年重現(xiàn)期24h降雨量

以下將采用該值進(jìn)行水文分析計(jì)算。

2.2.3降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率（IDF）曲線

英國運(yùn)輸與道路研究實(shí)驗(yàn)室[2]關(guān)于東部非洲暴雨的降雨量研究成果對(duì)于測(cè)算橋梁及涵洞的洪峰流量非常有效，對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的降雨，根據(jù)從2～120min不同的持續(xù)時(shí)間以及不同的重現(xiàn)期可估算出相應(yīng)的最大降雨強(qiáng)度（單位為mm/h）。公式如下：

式中，It為降雨強(qiáng)度，mm/h；I0為24h降雨量,mm;t為持續(xù)時(shí)間,h;b為常數(shù),b=0.3;n為常數(shù)，n=0.9。

東非多處站點(diǎn)的區(qū)域研究數(shù)據(jù)估算了常數(shù)b和n的數(shù)值，對(duì)于本項(xiàng)目區(qū)域，根據(jù)試算，b=0.3和n=0.9時(shí)是比較合適的。降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率見表4及圖2。

表4　降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率

圖2　降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率（曲線IDF）

3　匯水時(shí)間

匯水時(shí)間是指水流從匯水區(qū)域最遠(yuǎn)的水力點(diǎn)流到出口點(diǎn)的時(shí)間，采用Rational法和SCS法計(jì)算徑流量時(shí)，匯水時(shí)間是一個(gè)重要因素。根據(jù)匯水區(qū)域面積的不同，計(jì)算匯水時(shí)間常用的是“東非”Kirpitch方程、“中非”Kirpitch方程、Hathaway公式以及速度法公式。以下分別對(duì)這幾種方法及適用的條件作簡要介紹。

3.1Kirpitch方程

3.1.1東非法

東非Kirpitch方程：

東非Kirpitch方程并沒有明確所適用的匯水面積，可在各匯水面積區(qū)間進(jìn)行試算比對(duì)。

3.1.2中非法

對(duì)于匯水面積F＜4km2，采用中非Kirpitch方程：

式中，TC為匯水時(shí)間，min；L為水流長度，m；H為高差，m。

若匯水面積F＜0.1km2，Tc計(jì)算結(jié)果小于10min，則在計(jì)算中取10min。中非法在大量非洲公路設(shè)計(jì)實(shí)踐中被驗(yàn)證有效。

3.2Hathaway公式

對(duì)于匯水面積4km2＜F＜200km2時(shí)，采用Hathaway公式：

式中，TC為匯水時(shí)間，h；N為Hathaway專用粗糙系數(shù)（見表5）；S為匯水區(qū)的平均坡度。

表5　Hathaway專用粗糙系數(shù)

3.3速度法公式

對(duì)于小的匯水區(qū)，分水嶺的最大高程差不能從可利用的地形圖中獲取時(shí),可采用速度方法。它取決于河段長度的匯水時(shí)間TC，是河段長度L和速度V的函數(shù)：

式中,TC為匯水時(shí)間,min；L為最遠(yuǎn)點(diǎn)與交叉點(diǎn)之間的距離，m；V為平均流速（可查表6），m/s。

4　設(shè)計(jì)流量計(jì)算

設(shè)計(jì)流量的計(jì)算是水文工作的最后一步，是確定排水結(jié)構(gòu)物尺寸的依據(jù)。根據(jù)工程實(shí)際以及地理?xiàng)l件等制約因素，本項(xiàng)目根據(jù)匯水面積的不同，對(duì)應(yīng)使用Rational法和SCS公式進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)國內(nèi)西北地區(qū)廣泛使用的“一院法”進(jìn)行全面校核。

表6　地面類型和地形條件下的平均速度

4.1Rational法

根據(jù)《埃塞俄比亞公路管理局的排水計(jì)算手冊(cè)》[3]（ERADDM—2002）,對(duì)于匯水面積少于0.5km2區(qū)域，Rational法是估算洪峰流量最精確的方法。該方法始于1889年，至今仍被廣泛使用。

4.1.1Rational公式

式中,QP為設(shè)計(jì)流量，m3/s；C為徑流系數(shù)；Cf為頻率調(diào)整系數(shù)，100a重現(xiàn)期取1.25；CfC數(shù)值不超過1.0；I為降雨強(qiáng)度, mm/h；F為匯水面積，km2。

1）徑流系數(shù)C

徑流系數(shù)代表了排水流域多種參數(shù)的綜合效應(yīng)。在ERADDM—2002中規(guī)定了表7所示的計(jì)算徑流系數(shù)C的數(shù)值，對(duì)于非城鎮(zhèn)區(qū)域如森林，農(nóng)業(yè)用地和空地等，該數(shù)值取決于水文土壤的組別，土地用途和地形類型（平均坡度）。

表7　徑流系數(shù)C

2）頻率調(diào)整系數(shù)Cf

Cf從ERADDM—2002手冊(cè)查得并列于表8。

表8　Rational公式中的頻率調(diào)整系數(shù)

3）降雨強(qiáng)度I

降雨強(qiáng)度是選定的重現(xiàn)期內(nèi)與匯水時(shí)間相當(dāng)?shù)慕涤瓿掷m(xù)時(shí)期內(nèi)以mm/h為單位的平均降雨率。一旦設(shè)計(jì)中選擇了特定的重現(xiàn)期并且計(jì)算了匯水區(qū)域的匯水時(shí)間，降雨強(qiáng)度即可由降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率曲線確定。

4.2SCS法

SCS法是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年開發(fā)研制的流域水文模型，反應(yīng)不同土壤類型、不同土地利用和覆蓋及前期土壤含水量對(duì)降雨徑流的影響，該模型可在缺乏水文統(tǒng)計(jì)資料地區(qū)廣泛應(yīng)用。

和Rational公式一樣，SCS法需要相同的水域數(shù)據(jù)資料：水流域面積、徑流因子、水流匯流時(shí)間、降雨量。但是，SCS的方法更加復(fù)雜些，因?yàn)樗瑫r(shí)考慮了降雨的時(shí)間分布、最初的滲透和洼地存儲(chǔ)的降雨損失以及暴風(fēng)雨期間減少的滲透率。

4.2.1SCS公式

SCS法適用于匯水區(qū)域大于0.5km2的區(qū)域。計(jì)算公式如下：

式中，Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s；Pc為地表徑流，mm；F為匯水區(qū)域，km2；Tc為匯水時(shí)間，h；D為超量降雨的持續(xù)時(shí)間，h。

1）地表徑流Pc

SCS徑流方程是通過24h降雨量估算徑流的方法，由于直到降雨深度超過初始損失值，徑流才開始產(chǎn)生，故地表徑流按下面的公式進(jìn)行估算：

式中，P為與設(shè)計(jì)重現(xiàn)期相對(duì)應(yīng)的24h降雨量，mm；Ia為初始損失，包括地表蓄水及地表下滲，mm,Ia=0.2S(S為潛在的保留量，為匯水區(qū)特征綜合指標(biāo)，取值0～100，與以下有關(guān)，該參數(shù)可根據(jù)ERADDM—2002中提供的CN數(shù)值表查得。

Pc值可通過以上公式計(jì)算，也可以在查得CN值和已知與設(shè)計(jì)重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的24h降雨深度的前提下，通過查圖3可得。

4.3一院法

我國西北地區(qū)存在大范圍的戈壁和沙漠，有著與東非亞丁灣區(qū)域相似的地形地貌和氣候特點(diǎn)，年降水量極低且存在急漲急落的洪水沖刷，因此，我們選擇在我國該區(qū)域普遍使用的“一院法”對(duì)“東非-Rational法”、“東非-SCS法”“中非-Rational法”的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，若出入過大，則需調(diào)整公式中的參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算。

圖3　徑流量與降雨深度關(guān)系圖（ERADDM-2002）

根據(jù)《橋渡水文》[4]中“一院法”的描述，暴雨衰減指數(shù)（n1、n2）、設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)S1%、設(shè)計(jì)最大24h雨量H24，均無法從非洲當(dāng)?shù)孬@得，以上參數(shù)可借鑒新疆地區(qū)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試算。對(duì)于匯水面積F50km2的區(qū)域，選取典型的多處匯水面積及其對(duì)應(yīng)的流量，建立小流域模型，經(jīng)過曲線擬合(見圖4)，得到公式：Q1%=32.018F0.6273

圖4　小流域流模曲線擬合圖

5　公式應(yīng)用建議

根據(jù)以上推算，相對(duì)于不同的匯水面積F(見表9)，我們總結(jié)有以下適用公式，進(jìn)行最大程度的擬合，以計(jì)算相應(yīng)的流量，從而擬定排水構(gòu)造物的尺寸。

計(jì)算完成后，用“一院法”對(duì)全線流量進(jìn)行復(fù)核。

表9　公式運(yùn)用對(duì)照表

6　結(jié)語

本文通過對(duì)非洲地區(qū)水文計(jì)算方法[1]的深入研究以及對(duì)在該地區(qū)常用的水文計(jì)算公式的歸納，經(jīng)過項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)用及核查，提煉總結(jié)了適合于亞丁灣區(qū)域流量計(jì)算的方法，對(duì)于在該區(qū)域從事基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的工程師在涉及橋涵水文計(jì)算上有一定的借鑒作用。

【1】TB10007—1999鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】運(yùn)輸與道路研究實(shí)驗(yàn)室(TRRL,英國),第623號(hào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

【3】埃塞俄比亞公路管理局.ERADDM—2002排水計(jì)算手冊(cè)[K].

【4】鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.橋渡水文[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

【5】中非地區(qū)橋涵水文計(jì)算方法淺析[J].北方交通，2010（5）：91-94.

The Study on Hydrological Calculation of theAden Gulf Area

CHEN Ze-yu
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd.，Wuhan 430063，China)

Due to the demands of peacekeeping,countries of Aden Gulfarea are getting more attentions from the infrastructure companies over the world as well as Chinese companies.There are increasing numbers of Chinese companies are getting involved in the constructions of railway,highway,airport and harbor of this region.However,it is difficult to gather relevant hydrological formulas and data due to the backward economy and unsettled political condition of these countries.The study takes the project of"Addis Ababa-Djibouti Railway"as an example to provide hydrological calculation methods to bridge engineers by comparative analysis of the hydrological information from surrounding countries and similar areas of China.

duration of confluence;design discharge;rational method;SCS Method

U442.3

A

1007-9467（2016）05-0101-05

陳澤宇（1985～），男，福建福州人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）superstar1985@163.com。

2015-11-23