淺談小徑流驗證

劉 敏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

本線從新鄭機場南站接出，自東向西經(jīng)新鄭、新密、登封、伊川四個縣級市，接入洛陽龍門站。

1.1 地形地貌

沿線主要位于丘陵區(qū)，地形呈波狀起伏，沖溝發(fā)育，相對高差變化較大，東部及洛陽地區(qū)地勢較為平坦，一般海拔200～500m。新鄭市低山外圍和西北部為山前坡洪積崗地，京廣鐵路以東多沙丘崗地;新密市地勢西北高、東南低，西、北、南三面環(huán)山，礦產(chǎn)資源豐富。登封地形以山地丘陵為主，穿過嵩山南麓地區(qū)地勢最高，且溝壑縱橫。

1.2 水系

本線經(jīng)過淮河、黃河兩大流域，主要分為雙洎河、潁河水系和伊河、洛河水系。

雙洎河為淮河支流，發(fā)源于河南鄭州登封，流經(jīng)新密、新鄭后轉向東南，從新鄭市黃灣出境，在許昌市境內(nèi)匯入賈魯河。

潁河發(fā)源于嵩山南麓，流經(jīng)登封、禹州、襄城、許昌、臨潁、西華、周口、項城、沈丘，于界首入安徽省。省界以上河長418 km，流域面積34 400 km2。潁河南岸支流有沙河、汾泉河，北岸支流有清潩河、賈魯河、黑茨河。沙河是潁河的最大支流，發(fā)源于魯山縣石人山，流經(jīng)寶豐、葉縣、舞陽、漯河、周口匯入潁河，河長322 km，流域面積12 580 km2。

伊河發(fā)源于熊耳山南麓欒川縣陶灣鄉(xiāng)三合村悶敦嶺，經(jīng)嵩縣、伊川、洛陽市到堰師楊村與洛河相匯，匯流口以上河長264.8 km，流域面積6 029 km2。伊河干流情況大體上可分為三段:嵩縣巖口以上為上段，河長154 km，主要是峽谷小盆地交替出現(xiàn)的束放串珠式河床，峽谷長占河長的65%左右，峽谷谷深河窄，兩岸峭壁嶙峋，水面僅寬20～40m，水流湍急形成多級跌水。從巖口到龍門為中段，河長70.1 km，除陸渾、龍門兩卡口外，都較開闊，河段為階地和淺丘相連;龍門以下為下段，河長40.7 km，兩岸更為開闊，河道展寬，尤其左岸為伊洛河夾灘低地，兩岸靠堤防束水。

1.3 氣象氣候

沿線地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，呈半濕潤半干旱狀態(tài)，四季的主要氣候特征是:冬季寒冷而少雨雪，春季干旱而多風沙，夏季炎熱而易水澇，秋季晴朗而日照長。

各地年平均氣溫在12～15℃之間，由南向北遞減。西部與西北部山地，年平均氣溫，最低為12.1℃。極端最低氣溫在-17.4℃以下。極端最高氣溫在42.7～44.2℃之間，伊洛河盆地高達44.2℃，向南、北遞減，在40.2～41.7℃之間。日平均氣溫大于等于10℃的日數(shù)為200～220 d。

河南省無霜期大致在190～230 d之間，日照時數(shù)在2000～2 600 h之間。

1.4 徑流條件

本線經(jīng)過地區(qū)多為丘陵地區(qū)，徑流明顯，源短流急，沿線水庫星羅棋布，對徑流影響明顯。

1.5 降雨特點

全省的降雨主要集中在汛期。汛期雨量又往往集中在幾次暴雨或一、兩次暴雨之中。7月下旬至8月上旬，是全省最易出現(xiàn)大暴雨的時期，習慣上稱“七下八上”。夏季東南暖濕氣流進入河南省境，降水較多，一般6～9月的雨量占全年降水量的50%～70%。冬季受蒙古高壓控制，盛行于冷氣流，降水很少。降水量年際之間的變化也很大，最大年降水量與最小年降水量相差達2.5～3.5倍。鄭州和洛陽市多年平均降水量分別為637.8 mm和699 mm。

2 驗證方法及公式說明

2.1 計算方法

本次勘測利用河南省暴雨徑流計算公式、鐵三院暴雨徑流計算公式、鐵四院暴雨徑流計算公式計算出的百年流量與形態(tài)法推算出的流量進行比較分析，確定小流域地區(qū)的暴雨徑流公式計算辦法和各參數(shù)的采用。

2.2 公式說明

(1)形態(tài)法

用調查所得到的歷史洪水位和確定的重現(xiàn)期，根據(jù)河流的斷面和坡度計算出在這一水位時的流量，利用本地區(qū)的偏差系數(shù)(CS)、變異系數(shù)(CV)兩者之間的關系和重現(xiàn)期流量，推求設計流量換算系數(shù)X(T1/T2)值(《水文手冊》P509頁的附表)，來推求百年流量。

(2)河南省地方公式

①設計暴雨量計算

山丘區(qū)設計暴雨時段采用 10 min、1 h、6 h、24 h。設計暴雨參數(shù)均值和變差系數(shù)Cv分別由2005年《河南省暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖集》(下稱2005圖集)中相應歷時等值線圖上的流域重心點處讀取，偏態(tài)系數(shù)Cs選用3.5Cv。通過1984年《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》(下稱84圖集)中的短歷時暴雨時面深關系圖查得點面折減系數(shù)，求得面雨量。

24 h設計雨型采用長短歷時雨量同頻率相包型式雨型時程分配，各時段雨量由下式計算

式中 H1p、H24p——設計 1 h、24 h 雨量/mm;

t——設計歷時/h;

n2、n3——設計面雨量遞減指數(shù)。

②產(chǎn)流計算

山丘區(qū)24 h設計凈雨量用84圖集山丘區(qū)降雨徑流關系p+pa～R(Ⅵ-1)線查得，最大初損為60 mm。

③設計洪水計算

24 h洪量計算:

由24 h各種頻率設計凈雨量，乘以流域面積得到設計洪水總量。

計算公式為:W24=RF1000

設計洪峰流量計算:

設計洪峰流量采用推理公式計算

式中Qm——設計洪峰流量/(m3/s);

Ψ——洪峰徑流系數(shù);

F——流域面積/km2;

L——干流長度/km;

J——L的平均坡度;

S——設計最大1 h雨量平均強度/(mm/h);

μ——平均入滲率/(mm/h);

m——匯流參數(shù);

n——設計暴雨遞減指數(shù)，當 τ＜1 h，代入 n1，τ=1～6 h代入 n2，τ=6～24 h代入 n3，求得各種頻率設計洪峰流量。

設計洪水過程線:

采用三角形概化過程線疊加法計算。

根據(jù)24 h暴雨時程分配計算逐時降雨量，用扣滲法計算逐時凈雨量。

將設計洪峰(主峰)的Qm和τ，對應τ時段的最大平均凈雨強度，繪出概化等腰三角形，其頂高為Qm，底寬為 2τ。

列表計算出主峰τ前后各個τ時段的凈雨量Rτ，按式Qm=0.278Rτ/τ×F計算各個τ時段的洪峰流量，按等腰三角形對應于凈雨過程疊加得24 h洪水過程線。

注:匯流區(qū)域多為50 km2以內(nèi)，點面折減系數(shù)均取1;本次勘測只采用流量計算公式計算，不再采用其他方法。

(3)鐵三院公式

根據(jù)本次勘測范圍內(nèi)的地形為山丘區(qū)，選用如下公式

山丘區(qū) 當ap=Sp/tn時

式中，β0、r0、m0、A4均為參數(shù)，可從《水文手冊》P90頁表5-21查取。

P0可按下式計算

N0可從《水文手冊》P90頁表5-21查取。

g0可按下式計算

式中 n——為暴雨衰減系數(shù)。

L4——流域長度，從分水嶺算起/km。

I4——流域坡度，從分水嶺算起，用加權法計算。

F——流域面積/km2。

η——為暴雨點面折減系數(shù)，從《水文手冊》P83頁表5-8查取。

(4)鐵四院公式

根據(jù)華東、華中地區(qū)特點制定如下公式

式中 Rp——設計凈雨深/mm;

t0——凈雨歷時，t0取6 h或24 h;

B5——雨型系數(shù)，從《水文手冊》P91頁表5-23查取;

E——與坡面自然特征及產(chǎn)流條件有關的參數(shù)，可按可按下式計算

式中 I2——流域坡面平均坡度/‰;

bc——坡面平均長度/m。

D——反映河槽與山坡調蓄能力的參數(shù)，可按下式計算

式中 kA——斷面系數(shù)，可按下式計算

其中:a0值應取高水位時過水全面積ω及其最大水深hm，按下式計算

式中 I1——主河槽平均坡度/‰;

m1——可從《水文手冊》P94頁表5-24查取;

k0——與坡面流速有關的參數(shù)，可從《水文手冊》P94頁表5-25查取;

A5——洪峰削減系數(shù)，隨E、D而變，從《水文手冊》P92、P93頁圖5-8或圖5-9查取。

3 驗證過程

在1：50000圖上和收集的資料中可以看出，沿線各小流域上游多有水庫，且多源短流急，經(jīng)過分析和調查，列舉三個工點作為驗證的依據(jù)。

3.1 驗證一:曲河支流

地點:伊川市彭婆鄉(xiāng)袁莊村。

基本數(shù)據(jù):

F(匯水面積)=28.02 km2;

L(流域長度)=11.59 km;

I(流域坡度)=0.018 5。

(1)形態(tài)法

被調查人為47歲的袁先生，他述說每年雨季河中均有不同程度的大水，2010年洪水屬于常見情況，水位到達樹干上掛藤蔓處，經(jīng)分析可以作為2年一遇洪水。他還指認20世紀70年代洪水位沒既有公路石拱橋橋墩頂部，經(jīng)現(xiàn)場查看，水位到達橋墩頂部應為無壓流，不考慮公路橋孔的束水作用，重現(xiàn)期暫按40年一遇考慮。

測得水坡和斷面后，通過《河南省暴雨參數(shù)圖集》查得本工點Cv值取0.55，Cs=3.5Cv。用QLSW軟件計算得出結果，查取《橋墩水文》中XT1/T2值推算得Q1/100分別為599.2m3/s和633.1m3/s。

經(jīng)分析，重現(xiàn)期推斷基本上準確，最終采用:Q1/100=599.2m3/s。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨參數(shù)圖集》雨量及《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》的相關參數(shù)，水文分區(qū)為Ⅴ區(qū)，得出Q1/100=629.20m3/s。

(3)三院法

從《河南省暴雨參數(shù)圖集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=771m3/s。

(4)四院法

根據(jù)形態(tài)法采用匯水面積和水深推算流量結果，得出Q1/100=497.31m3/s。

3.2 驗證二:后河(潁河中源)

地點:登封市石道鄉(xiāng)焦窯村。

基本數(shù)據(jù):

F(匯水面積)=27.11 km2;

L(流域長度)=8.82 km;

I(流域坡度)=0.029。

(1)形態(tài)法

被調查人為61歲的侯女士和31歲的張先生，侯女士告訴我們此段河溝每年都有大水，且都能沒到河邊水囤頂上;張先生跟我們指認了1997年水位能到水囤北側的第一階麥田上。經(jīng)過推斷，分別按重現(xiàn)期2年和25年考慮。

測得水坡和斷面后，通過《河南省暴雨參數(shù)圖集》查得本工點Cv值取0.53，Cs=3.5Cv。用QLSW軟件計算得出結果，查取《橋墩水文》中 XT1/T2值推算得Q1/100分別為837.9m3/s和840.7m3/s。

經(jīng)分析，重現(xiàn)期推斷基本上準確，最終采用:Q1/100=840.7m3/s。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨參數(shù)圖集》雨量及《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》的相關參數(shù)，水文分區(qū)為Ⅲ區(qū)，得出Q1/100=864.45m3/s。

(3)三院法

從《河南省暴雨參數(shù)圖集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=1 166m3/s。

(4)四院法

根據(jù)實際情況，確定出各個參數(shù)的取值，有公式得出Q1/100=587.38m3/s。

3.3 驗證三:石淙河(紙坊水庫上游)

地點:登封市唐莊鄉(xiāng)三畝汃村。

基本數(shù)據(jù):

F(匯水面積)=37.93 km2;

L(流域長度)=9.05 km;

I(流域坡度)=0.037 9。

(1)形態(tài)法

被調查人為74歲的韓先生和56歲的曲女士，他們一致認為1997的洪水較大，可達大國坪村公路拱橋下30 cm左右，重現(xiàn)期按25年考慮。他們記憶中20世紀70年代有一次更大的大水，但不能確定具體年代，洪水位描述不夠準確，不予采用。

測得水坡和斷面后，通過《河南省暴雨參數(shù)圖集》查得本工點Cv值取0.53，Cs=3.5Cv。用QLSW軟件計算得出結果，查取《橋墩水文》中XT1/T2值推算得Q1/100為 1 274.7m3/s。

經(jīng)分析，重現(xiàn)期與后河工點重疊，本工點流量可以采用。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨參數(shù)圖集》雨量及《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》的相關參數(shù)，水文分區(qū)為Ⅲ區(qū)，得出 Q1/100=1 424.16m3/s。

(3)三院法

從《河南省暴雨參數(shù)圖集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=1 148m3/s。

(4)四院法

根據(jù)實際情況，確定出各個參數(shù)的取值，由公式得出Q1/100=1 267.70m3/s。

4 計算結果

本次勘測在一個多月的緊迫時間內(nèi)完成。該地區(qū)地形較為復雜，線位所經(jīng)之處既有山區(qū)，也有丘陵，同時還有平原。通過大量的洪水位調查和實地勘測及篩選分類，選出了以上較為典型的小面積流域作為驗證的工點，計算結果如表1、表2、表3所示。

表1 地方公式計算結果

表2 鐵三院公式計算結果

表3 鐵四院公式計算結果

5 驗證分析

流量對照如表4所示。

表4 各方法和公式流量對照

流量比例如表5所示。

表5 各方法和公式流量比例對照

6 結論

通過以上的驗證工作及比例圖表的數(shù)據(jù)處理，可以清楚地看出:河南省地方公式法的數(shù)據(jù)曲線和形態(tài)法的數(shù)據(jù)曲線最為接近，表明計算出來的流量和形態(tài)法的流量最為接近，適合本次勘測范圍內(nèi)的小流域的流量計算。

結論:通過本次鄭州至登封至洛陽城際鐵路小徑流驗證得出，采用河南省地方公式法計算流量較為合理。

［1］鐵道第三勘測設計院.橋渡水文［M］.北京:中國鐵道出版社，1999

［2］鐵道第三勘測設計院橋梁處.小流域暴雨徑流計算資料匯編［G］.天津:鐵道第三勘察設計院，2009

［3］TB 10017—99 鐵路工程水文勘測設計規(guī)范［S］

［4］TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］