塞拉利昂新建鐵路工程小流域徑流計算方法研究

侯杰平

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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塞拉利昂新建鐵路工程小流域徑流計算方法研究

侯杰平

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

對國內外較常用的水文計算公式進行研究，根據收集資料和現場勘測資料，采用廣東省洪峰流量經驗公式Qp=C2×H24P×Fn，利用塞拉利昂水文站實測資料推算水文公式中的參數值，通過現場勘測，篩選10處較為可靠的小流域工點，按形態法計算出百年流量，并利用現場勘測工點的計算流量對經驗公式參數進行修正，重新擬定出從理論依據及現實效果上均能更好地適應塞拉利昂地區鐵路沿線中小河流的暴雨洪水計算方法。

塞拉利昂 水文計算 水文勘測 形態法 參數修正

1 工程概況

塞拉利昂地處非洲西岸(見圖1)，屬熱帶季風氣候區，高溫多雨，干、濕季分明，年平均降雨量達2 000～5 000 mm，是西非降雨量最多的國家之一，洪水幾乎每年都會爆發。

2014年，鐵三院承擔了新建塞拉利昂礦石鐵路專用線項目的勘測設計工作。該項目位于塞拉利昂中部和南部，基本為北-南走向(見圖2)，線路起點位于潘帕河西側唐卡里里礦區，終點位于大西洋海邊普杰洪港，線路全長227.410 km。因設計要求，需要對沿線中小河流及溝谷進行設計洪峰流量計算，以確定線路高程和橋涵孔徑規模。同時，通過對本地區水文計算方法的研究，為以后西非地區鐵路建設提供水文計算方面的參考。

圖1 非洲水系流域和塞拉利昂位置

圖2 塞拉利昂唐克里里至普杰洪礦區鐵路工程地理位置示意

2 小流域徑流計算公式研究思路

塞拉利昂經濟欠發展，現為全世界最貧窮的國家之一，基礎設施建設相對滯后，水利工程方面的基礎設施較少，內戰不斷，2002年戰爭才趨近尾聲，以上水文計算公式所需很多參數都沒有記錄。勘測期間收集到了《設計資料匯編—塞拉利昂》書籍資料，記錄了一些水文站的降雨資料，主要為20世紀70年代以前的日降雨量資料，其中離線位最近的為博城水文站。該水文站位于全線中間位置，記錄了20年左右的日降雨量資料，通過對比以上水文計算公式以及收集到的水文資料和塞拉利昂國內現場水文勘測資料情況，本次塞拉利昂新建鐵路工程小徑流流量計算公式擬采用廣東省洪峰流量經驗公式Qp=C2×H24P×Fn，其中參數Qp為設計頻率流量，C2為隨計算頻率而變化的頻率系數，H24P為24h不同頻率的降雨量，n為地區暴雨點面折減系數，F為匯水計算面積。

通過收集的水文資料初步推算經驗公式中的參數，再根據現場調查資料采用形態法[5，9，10]計算每個調查工點的流量，通過對比此經驗公式和形態法的流量計算結果，驗證經驗公式是否合理，并根據工點形態法計算流量結果修正經驗公式中的參數C2、n。

3 小流域徑流經驗公式確定參數計算方法

3.1 水文計算公式

本次鐵路工程水文計算公式初步擬采用小徑流流量計算經驗公式

QP=C2×H24P×Fn，

式中 QP——頻率為P的暴雨流量/(m3/s)；

H24P——24h內頻率為P的暴雨量/mm；

n——地區暴雨點面折減系數，暫取0.84；

F——流域面積/km2；

C2——參數，按表1查用。

表1 C2參數查用

3.2 H24P的計算

通過收集的博城水文站降雨資料，可得本地區1955年～1972年日最大降雨量，根據收集的降雨量資料推求經驗公式中的參數H24P。其每年最大日降雨量見表2(塞拉利昂博城水文站，其中：1inch=25.4mm)。

表2 博城水文站1955年～1972年日最大降雨量 inck

首先將每年日最大降雨量按歷年降雨量遞減順序排列，如表3。

表3 每年日最大降雨量按歷年降雨量遞減順序排列

適線法修正：偏差系數按Cs=2.0，2.5，3.5，…，CV取值，假定Cs=3CV和Cs=4CV，查《水文手冊》附表，得出兩條理論頻率曲線(如圖3)，很明顯，兩條曲線的坡度很平緩，說明計算出來的Cv偏小，需要調整Cv值。

圖3 頻率曲線關系

令Cs=3.5CV，由公式

計算得σcv=0.075。

因此得CV=0.36+0.075=0.435，采用CV=0.44，再重新繪制理論頻率曲線(如圖3)，該理論頻率曲線與經驗頻率點配合良好。

最后采取CV=0.44，Cs=3.5CV。

3.3 參數及系數的確定

通過表1可查得百年一遇參數C2=0.053，通過推算得百年一遇H1%=360.60 mm，由于塞拉利昂與我國廣東省氣候類似，所以指數n根據廣東省經驗值暫取0.84，最后得出百年一遇初步流量計算公式為Q1%=0.053×360.60×F0.84，即Q1%=19.11×F0.84。根據鐵三院橋渡水文計算公式，可得50年一遇流量計算公式為Q1%=1.125Q2%，即Q2%=0.889Q1%

4 形態法小徑流計算

通過實地調查，確定所調查河流的歷史洪水位及相應的洪水頻率；其次，根據實測河流斷面、河床坡度及按河床特征確定的糙率，用謝才—曼寧公式[11，12]計算所調查歷史洪水的流量；利用本地區的偏差系數(Cs)、變異系數(Cv)及調查洪水的重現期流量，推求設計流量換算系數X(T1/T2)，進而推求百年流量。

4.1 小流域徑流驗證工點水文調查情況

本次現場水文勘測共對29個小徑流工點進行了調查記錄整理，包括被調查人情況、調查談話資料及調查資料的可信性評價，并通過該調查資料確定所調查洪水的歷史重現期。

通過對29個小徑流工點進行可信度篩選，選取了其中10處較為可靠的小徑流工點作為本次推求百年流量計算公式的依據，驗證工點信息見表4。

由于篇幅限制，本次調查工點只列兩處情況說明。

(1)小徑流驗證工點一

流域內地勢較陡，雜草灌木叢生，河槽兩側生長有高大喬木，寬約10 m，深約6 m，橋下水流深0.5 m，河水清澈，無淤積，有雜草灌木叢生河床地質為巖石，河底平順。此處有一座廢鋼軌搭成的簡易橋，經詢問當地居民，最大洪水位距橋面約0.5 m，幾乎1～2年發生一次。經過現場調查詢問和分析，此洪水位按2年一遇考慮。

(2)小徑流驗證工點七

流域內地勢略有起伏，雜草灌木叢生，河槽兩側生長有高大喬木和茂密灌木雜草，流域內沖溝較多，主槽寬約20 m，驗證工點處有一既有Doowaye River公路橋梁，跨度為2～10.9 m，凈高4.6 m，橋下水流渾濁，水深約1 m。據當地酋長Gbondo(65歲)介紹，此處既有公路橋修建于1985年，從該橋建成通車至今，橋梁尚未遇到淹沒該橋的洪水。本地區大概每年8月份～10月份為雨季，降雨量都會很大，洪水時，水位都會到達距離既有橋梁底下約1.5 m的位置，每隔3～5年發生一次。經過現場調查和分析，采用酋長所指認梁底以下1 m作為歷史洪水位，洪水重現期按5年一遇考慮。

表4 小流域徑流驗證工點信息

4.2 形態法計算百年流量

根據現場小徑流1～10號驗證工點調查情況，按形態法計算驗證各工點流量，并換算成百年流量，各工點流量計算結果見表5。

表5 小流域徑流驗證工點流量計算結果

5 形態法與經驗基本公式流量計算結果對比分析及參數修正

5.1 形態法與經驗基本公式計算結果對比

小流域徑流百年一遇流量計算經驗公式經由以上推算得Q1%=19.11×F0.84。各小流域驗證工點由經驗公式和形態法計算的百年一遇流量結果見表6。由表6可見，經驗公式計算結果略小于形態法計算結果，但兩者流量計算結果吻合較好，故本鐵路工程小流域徑流流量計算公式可采用由經驗公式推算得出的流量計算公式Q1%=19.11×F0.84。

表6 小流域徑流驗證工點經驗公式和形態法流量計算結果對比

5.2 經驗公式計算參數修正

由以上計算結果對比可得，該經驗公式基本上符合該地區小流域百年流量的計算，為了使該流量計算公式各參數取值更加準確，現對公式Q1%=19.11×F0.84中的參數C2×H24P、n，利用形態法計算流量結果進行修正(見圖4)。通過擬合法修正參數得C2×H24P=19.99，n=0.85，則百年一遇供水流量計算公式為Q1%=19.99×F0.85，從而得50年一遇流量計算公式為Q2%=0.889Q1%。

圖4 參數修正時百年流量與計算流域面積關系

6 結論

小流域暴雨徑流計算和流域內的氣候、地貌、地形、地質等情況有著很大的關系。本次勘測在5萬圖上搜索小流域方位，走訪當地老鄉進行洪水位調查，實地勘測水坡和水文斷面，分析篩選出10處較為典型的小流域作為驗證工點，根據勘測的水文資料，采用形態法對以上10處小流域流量進行逐一計算和分析。其次，通過收集來的塞拉利昂本地24 h降雨資料，推算出經驗公式中的基本參數H24P，得出經驗公式基本形式為Q1%=19.11×F0.84，通過經驗公式和形態法流量計算結果對比分析可知，經驗基本公式Q1%=19.11×F0.84可滿足本地區小流域徑流流量計算要求。為了使經驗基本公式各參數更加準確，采用形態法流量計算結果對其參數進行了修正，得Q1%=19.99×F0.85， 50年一遇流量計算公式為Q2%=0.889Q1%。

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Study of the Calculation Method of the Small Watershed Runoff of the New Railway Construction in Sierra Leone

HOU Jieping

2016-09-06

侯杰平(1981—)，男，2006年畢業于中南大學土木工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0033-05

P333

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