侯杰平

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(jì)算方法研究

侯杰平

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

對(duì)國(guó)內(nèi)外較常用的水文計(jì)算公式進(jìn)行研究，根據(jù)收集資料和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式Qp=C2×H24P×Fn，利用塞拉利昂水文站實(shí)測(cè)資料推算水文公式中的參數(shù)值，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，篩選10處較為可靠的小流域工點(diǎn)，按形態(tài)法計(jì)算出百年流量，并利用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工點(diǎn)的計(jì)算流量對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)進(jìn)行修正，重新擬定出從理論依據(jù)及現(xiàn)實(shí)效果上均能更好地適應(yīng)塞拉利昂地區(qū)鐵路沿線中小河流的暴雨洪水計(jì)算方法。

塞拉利昂 水文計(jì)算 水文勘測(cè) 形態(tài)法 參數(shù)修正

1 工程概況

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

2014年，鐵三院承擔(dān)了新建塞拉利昂礦石鐵路專(zhuān)用線項(xiàng)目的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。該項(xiàng)目位于塞拉利昂中部和南部，基本為北-南走向(見(jiàn)圖2)，線路起點(diǎn)位于潘帕河西側(cè)唐卡里里礦區(qū)，終點(diǎn)位于大西洋海邊普杰洪港，線路全長(zhǎng)227.410 km。因設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)沿線中小河流及溝谷進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，以確定線路高程和橋涵孔徑規(guī)模。同時(shí)，通過(guò)對(duì)本地區(qū)水文計(jì)算方法的研究，為以后西非地區(qū)鐵路建設(shè)提供水文計(jì)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(qū)鐵路工程地理位置示意

2 小流域徑流計(jì)算公式研究思路

塞拉利昂經(jīng)濟(jì)欠發(fā)展，現(xiàn)為全世界最貧窮的國(guó)家之一，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，水利工程方面的基礎(chǔ)設(shè)施較少，內(nèi)戰(zhàn)不斷，2002年戰(zhàn)爭(zhēng)才趨近尾聲，以上水文計(jì)算公式所需很多參數(shù)都沒(méi)有記錄。勘測(cè)期間收集到了《設(shè)計(jì)資料匯編—塞拉利昂》書(shū)籍資料，記錄了一些水文站的降雨資料，主要為20世紀(jì)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(guò)對(duì)比以上水文計(jì)算公式以及收集到的水文資料和塞拉利昂國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)水文勘測(cè)資料情況，本次塞拉利昂新建鐵路工程小徑流流量計(jì)算公式擬采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式Qp=C2×H24P×Fn，其中參數(shù)Qp為設(shè)計(jì)頻率流量，C2為隨計(jì)算頻率而變化的頻率系數(shù)，H24P為24h不同頻率的降雨量，n為地區(qū)暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)，F(xiàn)為匯水計(jì)算面積。

通過(guò)收集的水文資料初步推算經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料采用形態(tài)法[5，9，10]計(jì)算每個(gè)調(diào)查工點(diǎn)的流量，通過(guò)對(duì)比此經(jīng)驗(yàn)公式和形態(tài)法的流量計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式是否合理，并根據(jù)工點(diǎn)形態(tài)法計(jì)算流量結(jié)果修正經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)C2、n。

3 小流域徑流經(jīng)驗(yàn)公式確定參數(shù)計(jì)算方法

3.1 水文計(jì)算公式

本次鐵路工程水文計(jì)算公式初步擬采用小徑流流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

QP=C2×H24P×Fn，

式中 QP——頻率為P的暴雨流量/(m3/s)；

H24P——24h內(nèi)頻率為P的暴雨量/mm；

n——地區(qū)暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)，暫取0.84；

F——流域面積/km2；

C2——參數(shù)，按表1查用。

表1 C2參數(shù)查用

3.2 H24P的計(jì)算

通過(guò)收集的博城水文站降雨資料，可得本地區(qū)1955年～1972年日最大降雨量，根據(jù)收集的降雨量資料推求經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)H24P。其每年最大日降雨量見(jiàn)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(shù)按Cs=2.0，2.5，3.5，…，CV取值，假定Cs=3CV和Cs=4CV，查《水文手冊(cè)》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(shuō)明計(jì)算出來(lái)的Cv偏小，需要調(diào)整Cv值。

圖3 頻率曲線關(guān)系

令Cs=3.5CV，由公式

計(jì)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(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)配合良好。

最后采取CV=0.44，Cs=3.5CV。

3.3 參數(shù)及系數(shù)的確定

通過(guò)表1可查得百年一遇參數(shù)C2=0.053，通過(guò)推算得百年一遇H1%=360.60 mm，由于塞拉利昂與我國(guó)廣東省氣候類(lèi)似，所以指數(shù)n根據(jù)廣東省經(jīng)驗(yàn)值暫取0.84，最后得出百年一遇初步流量計(jì)算公式為Q1%=0.053×360.60×F0.84，即Q1%=19.11×F0.84。根據(jù)鐵三院橋渡水文計(jì)算公式，可得50年一遇流量計(jì)算公式為Q1%=1.125Q2%，即Q2%=0.889Q1%

4 形態(tài)法小徑流計(jì)算

通過(guò)實(shí)地調(diào)查，確定所調(diào)查河流的歷史洪水位及相應(yīng)的洪水頻率；其次，根據(jù)實(shí)測(cè)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(jì)算所調(diào)查歷史洪水的流量；利用本地區(qū)的偏差系數(shù)(Cs)、變異系數(shù)(Cv)及調(diào)查洪水的重現(xiàn)期流量，推求設(shè)計(jì)流量換算系數(shù)X(T1/T2)，進(jìn)而推求百年流量。

4.1 小流域徑流驗(yàn)證工點(diǎn)水文調(diào)查情況

本次現(xiàn)場(chǎng)水文勘測(cè)共對(duì)29個(gè)小徑流工點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查記錄整理，包括被調(diào)查人情況、調(diào)查談話資料及調(diào)查資料的可信性評(píng)價(jià)，并通過(guò)該調(diào)查資料確定所調(diào)查洪水的歷史重現(xiàn)期。

通過(guò)對(duì)29個(gè)小徑流工點(diǎn)進(jìn)行可信度篩選，選取了其中10處較為可靠的小徑流工點(diǎn)作為本次推求百年流量計(jì)算公式的依據(jù)，驗(yàn)證工點(diǎn)信息見(jiàn)表4。

由于篇幅限制，本次調(diào)查工點(diǎn)只列兩處情況說(shuō)明。

(1)小徑流驗(yàn)證工點(diǎn)一

流域內(nèi)地勢(shì)較陡，雜草灌木叢生，河槽兩側(cè)生長(zhǎng)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(wú)淤積，有雜草灌木叢生河床地質(zhì)為巖石，河底平順。此處有一座廢鋼軌搭成的簡(jiǎn)易橋，經(jīng)詢(xún)問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用?，最大洪水位距橋面約0.5 m，幾乎1～2年發(fā)生一次。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查詢(xún)問(wèn)和分析，此洪水位按2年一遇考慮。

(2)小徑流驗(yàn)證工點(diǎn)七

流域內(nèi)地勢(shì)略有起伏，雜草灌木叢生，河槽兩側(cè)生長(zhǎng)有高大喬木和茂密灌木雜草，流域內(nèi)沖溝較多，主槽寬約20 m，驗(yàn)證工點(diǎn)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(jù)當(dāng)?shù)厍蹰L(zhǎng)Gbondo(65歲)介紹，此處既有公路橋修建于1985年，從該橋建成通車(chē)至今，橋梁尚未遇到淹沒(méi)該橋的洪水。本地區(qū)大概每年8月份～10月份為雨季，降雨量都會(huì)很大，洪水時(shí)，水位都會(huì)到達(dá)距離既有橋梁底下約1.5 m的位置，每隔3～5年發(fā)生一次。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，采用酋長(zhǎng)所指認(rèn)梁底以下1 m作為歷史洪水位，洪水重現(xiàn)期按5年一遇考慮。

表4 小流域徑流驗(yàn)證工點(diǎn)信息

4.2 形態(tài)法計(jì)算百年流量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)小徑流1～10號(hào)驗(yàn)證工點(diǎn)調(diào)查情況，按形態(tài)法計(jì)算驗(yàn)證各工點(diǎn)流量，并換算成百年流量，各工點(diǎn)流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 小流域徑流驗(yàn)證工點(diǎn)流量計(jì)算結(jié)果

5 形態(tài)法與經(jīng)驗(yàn)基本公式流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析及參數(shù)修正

5.1 形態(tài)法與經(jīng)驗(yàn)基本公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

小流域徑流百年一遇流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)由以上推算得Q1%=19.11×F0.84。各小流域驗(yàn)證工點(diǎn)由經(jīng)驗(yàn)公式和形態(tài)法計(jì)算的百年一遇流量結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果略小于形態(tài)法計(jì)算結(jié)果，但兩者流量計(jì)算結(jié)果吻合較好，故本鐵路工程小流域徑流流量計(jì)算公式可采用由經(jīng)驗(yàn)公式推算得出的流量計(jì)算公式Q1%=19.11×F0.84。

表6 小流域徑流驗(yàn)證工點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式和形態(tài)法流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5.2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算參數(shù)修正

由以上計(jì)算結(jié)果對(duì)比可得，該經(jīng)驗(yàn)公式基本上符合該地區(qū)小流域百年流量的計(jì)算，為了使該流量計(jì)算公式各參數(shù)取值更加準(zhǔn)確，現(xiàn)對(duì)公式Q1%=19.11×F0.84中的參數(shù)C2×H24P、n，利用形態(tài)法計(jì)算流量結(jié)果進(jìn)行修正(見(jiàn)圖4)。通過(guò)擬合法修正參數(shù)得C2×H24P=19.99，n=0.85，則百年一遇供水流量計(jì)算公式為Q1%=19.99×F0.85，從而得50年一遇流量計(jì)算公式為Q2%=0.889Q1%。

圖4 參數(shù)修正時(shí)百年流量與計(jì)算流域面積關(guān)系

6 結(jié)論

小流域暴雨徑流計(jì)算和流域內(nèi)的氣候、地貌、地形、地質(zhì)等情況有著很大的關(guān)系。本次勘測(cè)在5萬(wàn)圖上搜索小流域方位，走訪當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)進(jìn)行洪水位調(diào)查，實(shí)地勘測(cè)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(yàn)證工點(diǎn)，根據(jù)勘測(cè)的水文資料，采用形態(tài)法對(duì)以上10處小流域流量進(jìn)行逐一計(jì)算和分析。其次，通過(guò)收集來(lái)的塞拉利昂本地24 h降雨資料，推算出經(jīng)驗(yàn)公式中的基本參數(shù)H24P，得出經(jīng)驗(yàn)公式基本形式為Q1%=19.11×F0.84，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和形態(tài)法流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，經(jīng)驗(yàn)基本公式Q1%=19.11×F0.84可滿(mǎn)足本地區(qū)小流域徑流流量計(jì)算要求。為了使經(jīng)驗(yàn)基本公式各參數(shù)更加準(zhǔn)確，采用形態(tài)法流量計(jì)算結(jié)果對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了修正，得Q1%=19.99×F0.85， 50年一遇流量計(jì)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(yè)于中南大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0033-05

P333

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