鄒希云,莫松柏,張家望,張選民,鄒 胤

(湖南省益陽(yáng)市氣象局,湖南 益陽(yáng) 413000)

基于橋墩歷史水痕與氣象預(yù)報(bào)的中小橋水害預(yù)測(cè)

鄒希云,莫松柏,張家望,張選民,鄒 胤

(湖南省益陽(yáng)市氣象局,湖南 益陽(yáng) 413000)

該文將中小橋山洪水害作為研究對(duì)象,以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP網(wǎng)絡(luò)為工具,將橋墩歷史上的數(shù)次洪水水痕高程和產(chǎn)生當(dāng)次洪水的雨量記錄作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),提出了一種全新的流量計(jì)算和預(yù)報(bào)既有中小橋水害的方法。將“流域和橋渡”看成一個(gè)系統(tǒng),直接建立起輸入 (雨量)與輸出 (水位)的數(shù)學(xué)關(guān)系。因此,它不需要勘測(cè)流域面積、主河道長(zhǎng)度及平均坡度等工作,可以節(jié)約大量的人力物力。多座橋梁的具體應(yīng)用表明,這種方法具有較高的準(zhǔn)確度,是一種有廣泛應(yīng)用前景的新方法。

氣象預(yù)報(bào);橋墩水痕;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);流量計(jì)算

1 問(wèn)題的提出

水毀橋梁是世界各國(guó)橋梁面臨的嚴(yán)重的自然災(zāi)害[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)國(guó)家橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)中有 58萬(wàn)座橋梁,建在河流上的大約占 86%。1991年瑟赫爾 (Shirhole)和何特 (Holt)對(duì)美國(guó)已毀壞的 823座橋梁的毀壞原因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)水毀橋梁占?xì)臉蛄旱?60%。同樣,在我國(guó)橋梁遭受洪水破壞也比較嚴(yán)重[1]。據(jù)有關(guān)部門(mén)不完全統(tǒng)計(jì),僅 1977年9個(gè)省 (區(qū))就有水毀橋梁 900多座,水毀涵洞2 700多座,水毀損失約 5 400萬(wàn)元;1981年四川發(fā)生嚴(yán)重的洪水災(zāi)害,全省公路和橋梁遭到了巨大的損失和破壞,共有 593條省市公路斷道阻車(chē),沖毀和局部毀壞橋梁 457座,計(jì) 1 298m,沖毀涵洞4 647座,經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 6 200多萬(wàn)元。

對(duì)于大橋、特大橋,我國(guó)有專業(yè)部門(mén)對(duì)這些橋梁所跨過(guò)的河流作專業(yè)水文工作,這些橋梁發(fā)生水害的次數(shù)越來(lái)越少。但占 80%以上的中小橋卻沒(méi)有專門(mén)的水文觀測(cè)站,這些橋梁的水害已經(jīng)成了交通運(yùn)輸?shù)耐怀鰡?wèn)題。

引起中小橋梁水害的因素很多,有設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水文參數(shù)了解不夠的因素;有運(yùn)用后橋梁環(huán)境 (如植被)發(fā)生變化的因素;有非法采砂等人為因素等等。如何對(duì)既有中小橋梁的抗洪能力作出簡(jiǎn)單有效的評(píng)估;如何在山洪發(fā)生前對(duì)中小橋即將面對(duì)的狀況作出有效的預(yù)測(cè),以便合理安排抗洪物資和抗洪隊(duì)伍,是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。

2 中小橋梁抗洪能力評(píng)估的現(xiàn)行方法

我國(guó)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[2]對(duì)鐵路橋梁水文檢定作出了原則上的規(guī)定?，F(xiàn)在對(duì)中小橋梁檢定流量的估計(jì)還是采用由雨量到流量的方法,即根據(jù)橋梁所在地區(qū)的實(shí)際情況,采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、單位線法、鐵路設(shè)計(jì)院法 (以下稱傳統(tǒng)方法)等方法[3],其中推理公式法又是各地區(qū)普遍采用的方法。

推理公式法認(rèn)為,橋址河床斷面的流量與這個(gè)斷面的匯水面積、暴雨強(qiáng)度的關(guān)系是

式中,Q為通過(guò)橋址河床斷面的流量;αp為橋址上游匯水面積上的暴雨強(qiáng)度;A為橋址河床斷面匯水面積;K為比例系數(shù)(它與匯流方式、雨量損失、流域坡度、主河槽長(zhǎng)度等因數(shù)有關(guān))。

利用推理公式法公式和其它傳統(tǒng)方法計(jì)算檢定流量,需要確定匯水面積、流域坡度、主河槽長(zhǎng)度等,這些工作勞動(dòng)強(qiáng)度大,收集時(shí)困難較多。

3 基于橋墩歷史水痕中小橋檢定流量計(jì)算

3.1 水位與雨量的關(guān)系

橋梁水文計(jì)算產(chǎn)生水位關(guān)系曲線,它確定了橋梁流量與水位的關(guān)系,如圖 1。

圖 1 金雞灣橋的水位流量關(guān)系曲線

令橋梁水位與流量的關(guān)系曲線為

雖然這是一條曲線,但在梁底附近的高水位區(qū)間,可以認(rèn)為流量與水位是線性關(guān)系,如圖 1。將式(1)代入 (2),有

對(duì)于特定橋梁,式 (3)中的匯流面積 A是常數(shù);流域坡度、主河槽長(zhǎng)度是常數(shù);與比例因子 K有關(guān)的匯流參數(shù)、損失參數(shù)也接近常數(shù)。因此,可以認(rèn)為在高水位區(qū)間,洪水水位 H與暴雨強(qiáng)度αp接近線性關(guān)系。

3.2 既有橋梁的歷史水位

橋梁在歷年洪水作用下,墩臺(tái)上不可避免的保留有各次洪水的記錄(水痕),由于混凝土中部分元素溶于水,混凝土橋墩的水痕更加明顯。

表 1 京廣線橋 1538歷史水痕實(shí)測(cè)與記錄對(duì)照表

表 1為京廣線橋 1538歷史水痕實(shí)測(cè)與記錄對(duì)照表。表 1表明:歷史洪水的當(dāng)時(shí)記錄與現(xiàn)時(shí)水痕實(shí)測(cè)值的誤差較小,利用實(shí)測(cè)水痕是可靠的。

人們最關(guān)心高水位區(qū)間的洪水,水位越高,水痕記錄的可靠性越好。自橋梁建成后,橋梁墩臺(tái)就無(wú)意識(shí)的收集了這些資料,并保留在墩臺(tái)上。

對(duì)于一些水痕不太明顯或交織不清的橋梁墩臺(tái),可以使用模態(tài)模糊識(shí)別的方法處理,因不是本文目的,不在此贅述。

3.3 流域歷史降雨量

我國(guó)大部分地區(qū)建有雨量觀測(cè)站,氣象部門(mén)編輯有“××省地面氣候資料”,據(jù)此,不難確定中小流域的歷史暴雨強(qiáng)度、降雨前干旱天數(shù)等參數(shù)。除氣象部門(mén)建立的雨量站外,鐵路沿線還有許多鐵路建立的雨量站,對(duì)于橋梁而言這些是寶貴的資源,應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮它們的作用。

3.4 中小橋水位暴雨關(guān)系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解

中小橋水位與暴雨肯定存在函數(shù)關(guān)系,但這種關(guān)系太復(fù)雜,很難使用普通的數(shù)學(xué)公式直接表示,本文使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的 BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)[3]表示。

本文取網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為 2-20-1。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型下,取降雨前干旱天數(shù) d和日降雨量a為輸入信號(hào)。

式 (4)～(8)中,vji和wjk分別為隱層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)和輸出層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的權(quán)向量;m取 20;L取 1;f為非線性轉(zhuǎn)移函數(shù),本文取 Sigmoid函數(shù)

學(xué)習(xí)初期取η=0.9。經(jīng)若干次學(xué)習(xí)后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以穩(wěn)定。

獲得穩(wěn)定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后,利用預(yù)報(bào)暴雨強(qiáng)度,可以回代得到與預(yù)報(bào)暴雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的橋梁水位。水位確定后不難確定相應(yīng)流量,并使用相應(yīng)公式求得沖刷深度等指標(biāo)。

4 實(shí)例

4.1 京廣線金雞灣橋

圖 2是京廣線金雞灣橋的歷史水位圖,圖中虛線為計(jì)算機(jī)作模態(tài)識(shí)別后留下的中間結(jié)果。表 2是與圖 2對(duì)應(yīng)的雨量和水位紀(jì)錄。經(jīng)過(guò) 100 000次學(xué)習(xí)后,網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。金雞灣橋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程見(jiàn)圖 3。

使用“鐵路橋涵水文檢算系統(tǒng)”[5]計(jì)算金雞灣橋的情況見(jiàn)圖 5。

表 2 金雞灣橋日最大暴雨與水位關(guān)系表

圖 4 使用“鐵路橋涵水文檢算系統(tǒng)”計(jì)算金雞灣橋

4.2 滬昆線占卜橋

占卜橋的原設(shè)計(jì)流量 Qp=523m3/s;使用江西省單位線法,得其百年一遇的流量Qp1=521m3/s;使用本文方法,得其百年一遇流量

可見(jiàn)本文方法所得流量與江西省單位線法的結(jié)果比較接近。

4.3 泰肥線滂河橋

滂河橋的原設(shè)計(jì)流量 Qp=910m3/s;使用山東省單位線法,得其百年一遇的流量Qp1=910.6m3/s;使用鐵四院法,得其百年一遇的流量 Qp2= 936.6m3/s;使用本文方法得百年一遇流量907.3m3/s;

可見(jiàn)本文方法所得流量與山東省單位線法的結(jié)果比較接近。

5 結(jié)論

①本文提供的小流域流量計(jì)算方法,是從雨量直接到橋下水位。不需要確定流域參數(shù),不但減少了工作量,也減少了許多出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

②BP網(wǎng)絡(luò)方法是一種成熟的數(shù)學(xué)工具。本文引用這種方法計(jì)算的結(jié)果比較穩(wěn)定、可靠。

③這種方法可以應(yīng)用到既有中小橋抗洪能力評(píng)估上。設(shè)計(jì)新橋需要使用傳統(tǒng)方法計(jì)算流量,因?yàn)樾聵驔](méi)有歷史水痕可以利用。但既有中小橋上有水痕可以利用,加上氣象部門(mén)記錄的雨量參數(shù),就滿足了本文方法依靠的 2個(gè)基礎(chǔ)——雨量和水痕高程。在經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)用后,既有中小橋都有水痕高程可以利用,有的甚至已經(jīng)遇到了百年一遇的暴雨(如金雞灣橋),顯然利用這一水痕高程是十分可靠的。

④這種方法可以應(yīng)用到既有線中小橋水害預(yù)測(cè)上。隨著技術(shù)的進(jìn)步,如多普勒氣象雷達(dá)站的建立、雨量站網(wǎng)的改善等,雨量專業(yè)預(yù)報(bào)的精度將會(huì)不斷提高。只要獲得未來(lái)雨量的預(yù)測(cè)值,就可以將它代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定相應(yīng)的水位值,及時(shí)預(yù)報(bào)橋梁水害,這對(duì)于合理安排抗洪的人力、物力是十分有用的。

[1] 肖盛燮,凌天清,陳世民 .公路與橋梁抗洪分析[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

[3] 韓力群 .人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4] 文雨松,張大偉 .鐵路橋涵可視化水文檢定[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2003.

[5] 潘志祥,等 .湖南省大型水電廠流域?qū)I(yè)天氣預(yù)報(bào)方法研究[M].北京:氣象出版社,2000.

P457

B

2010-09-10

鄒希云 (1952-),男,高工,主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。

1003-6598(2010)增刊 -0023-04