王 升

我國是一個幅員遼闊、河川縱橫的國家,在鐵路建設(shè)中,鐵路通過的地區(qū)要跨越不計其數(shù)的大小河流,需要建設(shè)橋涵使洪水順利排泄。由于小流域暴雨徑流是確定橋涵孔徑的主要依據(jù),因此,小流域暴雨徑流計算的精度與鐵路免遭水害關(guān)系密切。

鐵路部門暴雨徑流計算,經(jīng)過多年的時間和洪水考驗,逐漸地建立了各地區(qū)的計算公式,但由于各地區(qū)地形地貌與氣候復(fù)雜多樣,需要結(jié)合大量的暴雨和徑流實驗觀測資料,逐漸的提高計算公式的準(zhǔn)確性。

1 地形地貌

牡丹江—穆棱地區(qū)主要為低山丘陵區(qū)域,山勢較陡峭,峰巒連綿,切割深度較大,高差多在300 m左右,植被發(fā)育,海拔高程在600 m～1100 m。

2 氣候

流域位于東北多雨地區(qū),氣候為太平洋季風(fēng)及西伯利亞高氣壓影響決定。夏季暴雨和大雨是本流域的主要徑流來源。

3 降雨

本區(qū)屬中溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)(按對鐵路工程影響氣候分區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)),冬季嚴(yán)寒干燥漫長,夏季濕熱短暫,春秋季多風(fēng)。歷年平均降水量531.0 mm,歷年年平均蒸發(fā)量1223.3 mm,歷年平均相對濕度66%。由于該段區(qū)域地勢為丘陵地區(qū),坡陡水急,暴雨量集中,匯流時間較短,所以流量較大。

4 驗證過程

本次選用了鐵三院法丘陵區(qū)、地方公式法、形態(tài)法來最終確定該地區(qū)的小徑流公式。由于附近地區(qū)變化有較大差異,本次選取四處有代表性的工點進(jìn)行驗證工作。

4.1 形態(tài)法簡介

1)調(diào)查的準(zhǔn)備階段:在1∶50000的軍用圖上沿線路方向,在靠近線路的兩側(cè)選擇河道順直的溝渠,勾繪流域面積F。溝渠附近最好有人居住,可以向當(dāng)?shù)厝苏{(diào)查洪水位。特殊情況下,只有通過現(xiàn)場觀察洪痕及歷史資料確定洪水位及其周期。2)調(diào)查過程:找到軍用圖所選溝渠的地點,向當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)詢問相應(yīng)年份的洪水情況,并指出洪水位,作為我們計算的基本依據(jù)。同一年份最好在一定距離內(nèi)(不同地點)指出兩個或三個洪水位,作為驗證是否準(zhǔn)確的依據(jù)。3)勘測階段:間隔100 m左右,做兩個規(guī)則的水文斷面,并在一定范圍內(nèi)做水坡,水坡范圍必須包括兩個水文斷面及調(diào)查的洪水位點。測水坡時,將洪水位點的高程也同時測出,其中斷面及洪水位點的位置應(yīng)記錄明確,用于確定斷面處的洪水位。4)計算階段:計算外業(yè)測回的數(shù)據(jù),畫出兩個斷面圖及水坡圖,將洪水位點的高程換算到相應(yīng)的斷面處,利用水文計算程序計算出相應(yīng)年份的洪水流量。確定相應(yīng)年份流量的重現(xiàn)期(根據(jù)地方水文資料及實際了解的情況),應(yīng)用形態(tài)法計算調(diào)查重現(xiàn)期的流量,查黑龍江省《水文圖集》最大流量離差系數(shù)Cv等值線的數(shù)值為1.3,再查鐵三院《水文手冊》附錄六,求得換算系數(shù)X(T1/T2),最終算出百年的設(shè)計流量,計算結(jié)果見表1。

表1 牡丹江—穆棱區(qū)域形態(tài)法計算結(jié)果

4.2 地方公式

公式推導(dǎo):

根據(jù)《黑龍江省水文圖集》中“洪水圖集”的概化過程線法推求設(shè)計洪水。

設(shè)計最大流量:Qp=Kp/K5%(Cp×F0.67)。

其中,F為匯水面積,km2;Kp為不同頻率模比系數(shù),由皮爾遜Ⅲ型曲線值表查得;K5%為20年一遇的模比系數(shù),由皮爾遜Ⅲ型曲線值表查得;Cp為最大流量參數(shù),由“圖集”中最大流量參數(shù)等值曲線圖查得;Cv為最大流量變差系數(shù),由“圖集”中最大流量變差數(shù)等值曲線圖查得。

在牡丹江市水務(wù)局得知,該流域Cs/Cv=2.0。因此推出:

在小流域設(shè)計洪水方面,黑龍江推理公式法是運用經(jīng)驗相關(guān)與成因推理相結(jié)合的途徑推求設(shè)計洪水,這種方法比單獨用經(jīng)驗相關(guān)與單獨用推理公式推求設(shè)計洪水效果較好,方法亦更簡便、實用。

4.3 鐵三院公式法

牡丹江—穆棱地區(qū)山丘區(qū)域:

其中,L4為流域長度,從分水嶺算起,km;I4為流域坡度,從分水嶺算起,用加權(quán)法計算;C2為參數(shù),可按下式計算:

其中,β0,r0,m0,A4均為參數(shù),可從《橋渡水文》查取。

表2 牡丹江—穆棱區(qū)域鐵三院公式法計算結(jié)果

表3 牡丹江—穆棱區(qū)域各公式與形態(tài)法結(jié)果比較

由于本段區(qū)域介于鐵三院公式法的4類土與5類土之間,所以需綜合比較。

4類時:A4=10,m0=0.25,N0=0.30,β0=0.52,γ0=0.45。

計算公式如下:

4.5 類(取4類和5類均值)的取值:

計算公式如下:

其中,g0為參數(shù),可按下式計算:

鐵三院公式法計算結(jié)果見表2。

5 結(jié)語

對形態(tài)法、地方公式、鐵三院公式的計算結(jié)果比較見表3,得出結(jié)論,牡丹江—穆棱地區(qū)對于匯水面積小于100 km2的小流域,鐵三院公式法系數(shù)按4.5類計算結(jié)果與實際地區(qū)暴雨徑流的匯水流量比較接近,所以應(yīng)選取鐵三院公式法4.5類作為本地區(qū)的暴雨徑流的流量計算公式。

[1]黑龍江省水文總站,黑龍江省水利勘測設(shè)計院.黑龍江省水文圖集[M].哈爾濱:黑龍江省水文總站出版社,2006.

[2]鐵道第三勘察設(shè)計院橋梁處.橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,2001.