侯佳音

（甘肅綜合鐵道工程承包有限公司，甘肅 蘭州730000）

晉南地區(qū)鐵路水文計(jì)算與流量驗(yàn)證

侯佳音

（甘肅綜合鐵道工程承包有限公司，甘肅 蘭州730000）

鐵路水文計(jì)算與流量驗(yàn)證是鐵路橋涵設(shè)計(jì)前期工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，結(jié)合晉南地區(qū)某鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，針對(duì)鄂河流域進(jìn)行了水文計(jì)算與流量驗(yàn)證，通過勘測(cè)實(shí)踐過程及計(jì)算結(jié)果分析，總結(jié)了晉南地區(qū)鐵路大中流域及小流域的水文計(jì)算方法與流量驗(yàn)證結(jié)果分析，為本地區(qū)類似工程的水文計(jì)算提供參考和借鑒。

鐵路；大中流域；水文計(jì)算；流量驗(yàn)證

1　主要河流水系特征

鐵路所在地區(qū)屬黃河山西段流域，大部分經(jīng)過鄂河流域。鄂河古稱嶼谷、鄂水，位于山西省鄉(xiāng)寧縣境內(nèi)，為黃河的一級(jí)支流，發(fā)源于鄉(xiāng)寧縣管頭鎮(zhèn)東北部的斷山嶺，經(jīng)管頭鎮(zhèn)、昌寧鎮(zhèn)，于棗嶺鄉(xiāng)的萬寶山村下直接匯入黃河，流域包括：鄉(xiāng)寧縣中西部及吉縣西南部，地理坐標(biāo)東經(jīng)110°30′30″～111°03′39″，北緯35°51′03″～36°03′13″。鄂河全長(zhǎng)71.1km，平均縱坡13.8‰，流域面積761km2，較大支流有蒿地溝、劉莊溝、下善溝、羅河、馮家溝、炭峪溝、西莊溝、莊上溝等。

鄂河流域地形自東北向西南傾斜，最高處為北部邊緣的高天山，海拔1820.5m，最低處為萬寶山村下入黃河口，海拔400m，中上游屬土石山區(qū)，分布有大量的天然林，植被較好，中下部為黃土殘?jiān)珔^(qū)，有少量的人工林，植被覆蓋較差。鄂河河道為V形河道，中上游河床為砂卵石，河床基本穩(wěn)定，下游河床為基巖，河道穩(wěn)定。

2　鐵路大中流域水文勘測(cè)方法

大中流域有水利部門實(shí)測(cè)水文資料，采用實(shí)測(cè)水文資料推求設(shè)計(jì)流量和水位；無實(shí)測(cè)水文資料河段的大中橋，根據(jù)歷史洪水調(diào)查資料推算洪峰流量［1］。收集地區(qū)流域圖形資料（包括航攝照片、軍用圖、地形圖等）和與線路有關(guān)的水利設(shè)施、航運(yùn)規(guī)劃和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等資料；調(diào)查地區(qū)水文和氣象特征；調(diào)查歷史高水位和河道變遷情況，結(jié)合河道特征，合理劃分灘槽，選定河床糙率系數(shù)。根據(jù)測(cè)繪資料，結(jié)合上下游水利設(shè)施等，合理推算橋址處設(shè)計(jì)流量和水位，確定橋梁孔徑和高度。

沿線經(jīng)過的大中型河流為鄂河，線路五次跨越鄂河，設(shè)置橋梁5座，橋址分別位于鄉(xiāng)寧縣縣城上、下游?？h城附近鄂河干流上設(shè)有鄉(xiāng)寧水文站，控制流域面積328k㎡，占全流域43%。該站于1959年由黃委會(huì)設(shè)立為國(guó)家正規(guī)水文站，具有1959-1961年和1980年以來的實(shí)測(cè)資料，資料可靠，詳見表1［2］。

表1　鄉(xiāng)寧水文站洪峰流量

以上數(shù)據(jù)為水文站實(shí)測(cè)徑流量資料，考慮系列的連續(xù)性及代表性，水文系列采用30a。用矩法作圖解適線如圖1所示。

圖1　鄉(xiāng)寧水文站頻率曲線

本次驗(yàn)證采用鐵一院編 《壹橋8217大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式與《橋渡水文》中流域面積比擬法對(duì)比分析，并參考《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行核對(duì)。

2．1方法一

《壹橋8217》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

K——與自然地理?xiàng)l件有關(guān)的系數(shù)；

I1——流域主河槽平均坡度，‰；

f——流域形狀系數(shù)，f=F/L2，L為流域長(zhǎng)度，km；

H日——流域歷年最大日雨量平均值；

F——流域面積，km2；

QP——指定頻率P%的洪峰流量；

KP——P-Ⅲ指定頻率P%的模比系數(shù)。

2．2方法二

流域面積比擬法計(jì)算公式［1］：

式中：Q1——橋址處洪峰流量，m3/s；

Q2——水文站處洪峰流量，m3/s；F1——橋址處流域面積，km2；

F2——水文站處流域面積，km2；

n——指數(shù)，這里取0.5。

2．3方法三

式中：QP——頻率為P的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；

Cp——與頻率P和地類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

A——涉水工程控制的流域面積，km2；

N——面積指數(shù)；

N1、β——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

S0p——涉水工程控制流域內(nèi)定點(diǎn)概率雨力的面平均值，mm/h。

3　大中流域洪峰流量驗(yàn)證及結(jié)果分析

用上述3種方法對(duì)本線大中流域橋址處百年一遇洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比分析結(jié)果見表2。

表2　大中流域百年一遇洪峰流量計(jì)算成果對(duì)比表

通過對(duì)以上橋址處3種方法的百年一遇洪峰流量計(jì)算成果分析，方法一分別與方法二、方法三相對(duì)比較，其誤差值均在8%以內(nèi)，計(jì)算方法及結(jié)果真實(shí)可信。

由于在應(yīng)用方法二時(shí)，兩流域面積相差不宜超過20%，且流域內(nèi)自然地理?xiàng)l件需較一致，降水較均勻，對(duì)于鐵路全線大中河流洪峰流量計(jì)算適用性較低。方法三僅建立了流域面積與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于不同自然地理?xiàng)l件及流域形態(tài)的計(jì)算流域準(zhǔn)確性較低，不能更好的反應(yīng)流域特征及差異性。經(jīng)綜合分析，晉南地區(qū)鐵路大中流域百年一遇洪峰流量采用鐵一院編《壹橋8217大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》中經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算較為準(zhǔn)確合理，適用性強(qiáng)。

4　小流域流量驗(yàn)證

本線所跨越流域面積小于100km2的河溝屬于小流域流量計(jì)算。本次采用鐵一院編《壹橋8216》計(jì)算法與《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》常用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)小流域洪峰流量計(jì)算進(jìn)行了比較分析。

4．1方法一

《壹橋8216》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：Qp——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

k1——產(chǎn)流因子；

η——暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)；

Sp——設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)，mm/h；

F——匯水面積，km2；

k2——損失因子；

k3——造峰因子；

n’——隨暴雨衰減指數(shù)n而變的指數(shù)；

x——河槽和山坡綜合匯流因子；

y——反映流域匯流特征的指數(shù)。

根據(jù)收集資料確定設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)SP為75mm/h，暴雨衰減指數(shù)n為0.7，計(jì)算代表性5處河溝的流量見表3。

表3　小流域百年一遇洪峰流量計(jì)算成果對(duì)比表

4．2方法二

《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》地區(qū)與上文大中流域水文勘測(cè)方法中方法三相同，改公式適用于匯水面積在10～3000km2范圍內(nèi)的洪峰流量計(jì)算，通過面積指數(shù)N來調(diào)整不同面積范圍與流量的關(guān)系，計(jì)算代表性5處河溝的流量見表3。

4．3流量驗(yàn)證及結(jié)果分析

用上述兩種方法對(duì)5處代表性小流域河溝的百年一遇洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比分析結(jié)果如下：

通過對(duì)以上兩種方法的百年一遇洪峰流量計(jì)算成果分析，方法一與方法二相對(duì)比較，其誤差值絕大部分在8%以內(nèi)，計(jì)算方法及結(jié)果真實(shí)可信。從兩種方法的公式可以看出，方法一的流量計(jì)算考慮了小流域河溝形態(tài)、土壤類別、植被狀況及降雨資料等因素，能很好地反應(yīng)不同河溝特征。由計(jì)算結(jié)果分析得知，匯水面積在1～50km2的范圍內(nèi)，方法一適用條件較好，而50～100km2范圍內(nèi)誤差值略大?？紤]到方法一的優(yōu)點(diǎn)以及鐵路橋涵設(shè)計(jì)水文計(jì)算時(shí)便捷、連貫、一致的特點(diǎn)，小流域流量計(jì)算公式采用《壹橋8216》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式法較為準(zhǔn)確合理。

5　結(jié)論

鐵一院編《壹橋8217》和《壹橋8216》經(jīng)過數(shù)十年多條鐵路項(xiàng)目的驗(yàn)證，非常適合秦嶺以北地區(qū)的大中流域及小流域流量計(jì)算。通過上文中對(duì)鄂河流域及其小流域的流量驗(yàn)證及結(jié)果分析，《壹橋8217》和《壹橋8216》對(duì)山西南部地區(qū)同樣是適用的。

［1］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院．橋渡水文［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

［2］山西省水利廳．山西省水文計(jì)算手冊(cè)［M］．鄭州：黃河水利出版社，2011．

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