肯尼亞蒙內(nèi)鐵路橋涵水文計算分析

石晉濤

(中交鐵道勘察設(shè)計院有限公司,北京 100088)

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路橋涵水文計算分析

石晉濤

(中交鐵道勘察設(shè)計院有限公司,北京 100088)

肯尼亞沒有系統(tǒng)的洪水水文統(tǒng)計資料， 且無成熟的洪水流量預(yù)測方法。結(jié)合肯尼亞某鐵路項目，針對東非地區(qū)的氣候地形地貌特點，在沿線調(diào)查研究， 收集水系、氣象、水文等自然特征及歷年洪水資料的基礎(chǔ)上， 綜合考慮各方面因素， 確定了適用于本地區(qū)的橋涵水文計算方法。研究表明:東非洪水模型法在預(yù)測中小型流域洪水流量上較適用，理查德推理法在預(yù)測大中型流域洪水流量上較適用，結(jié)果可為東非地區(qū)的水文計算分析提供參考。

蒙內(nèi)鐵路水文分析 東非洪水模型法 理查德推理法

1 工程概況

蒙內(nèi)鐵路是肯尼亞近百年來建設(shè)的首條新鐵路，是東非鐵路網(wǎng)的咽喉，也是東非次區(qū)域互聯(lián)互通重大項目。鐵路正線全長480 km，設(shè)計時速120 km，采用中國國鐵Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)[1]，橋涵設(shè)計洪水頻率為1/100。線路起點為港口城市蒙巴薩，向西北與A109國道并行到達(dá)首都內(nèi)羅畢。

肯尼亞沿海為平原地帶，其余大部分為平均海拔1 500 m的高原。降雨呈季節(jié)性分布，每年有兩個雨季，主要雨季通常從六月底持續(xù)到九月底，小雨季從二月底持續(xù)到五月中旬，其余幾個月通常比較干燥。沿線較大的河流有沃伊河、阿西-加拉那河、基博科河、察沃河，其余中小河流為該四大河流的支流，其水系見圖1。

2 水文計算方法選擇

設(shè)計洪峰流量的推算通常有水文統(tǒng)計分析法、歷史洪水調(diào)查法以及暴雨徑流推算法[2][3][4]。水文統(tǒng)計分析法依賴于多年系統(tǒng)的水文記錄，應(yīng)用概率論原理，對實測水文資料分析統(tǒng)計，從而推求出規(guī)律性并預(yù)估一定時間內(nèi)的洪峰流量。歷史洪水調(diào)查法則主要通過實地調(diào)查洪水痕跡，查找有關(guān)的自然地理和水利治理歷史文獻(xiàn)等措施來確定洪水發(fā)生年份和大小。暴雨徑流推算法主要適用于由于暴雨形成洪水的流域洪峰流量計算。

本鐵路項目沿線沒有水文觀測站，對沿線的大型河流無詳細(xì)的年份流量水位記錄，因此無法采用水文統(tǒng)計分析法。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5，6]，本鐵路沿線有21個雨量觀測站，雨量記錄年份都在10年以上，因此本工程對于由暴雨形成洪水主要來源的流域，可以采用暴雨徑流推算法。根據(jù)已收集到的適用于東非地區(qū)氣候特點的暴雨徑流公式，主要有東非洪水模型法和理查德推理法。沿線的特大型流域，如察沃河、基博科河、阿西河，其流域面積都達(dá)到上千平方公里，其河流源頭可以追溯到非洲第一高峰——乞力馬扎羅山，其洪峰成因不僅與降雨有關(guān)還與乞力馬扎羅山的冰山融雪有關(guān)。因此，對于沿線的特大型河流采用歷史洪水調(diào)查法。綜上所述，鐵路沿線的沃伊河、阿西-加拉那河、基博科河、察沃河等特大型河流的洪峰流量計算采用歷史洪水調(diào)查法推算，其具體方法本文不再贅述；占本鐵路沿線90%以上水文計算工作量的季節(jié)性河流則采用暴雨徑流推算法。

圖1 蒙內(nèi)鐵路沿線水系

鐵路沿線的河流流域面積從幾平方公里到幾百平方公里不等，流域類型變化也較大，有必要對已有的暴雨徑流公式進(jìn)行分析研究，驗證其適用性，并選取適當(dāng)?shù)膮?shù)。參考文獻(xiàn)[7]的驗證方法擬沿全線約每隔20 km選取一個典型工點，采用歷史洪水調(diào)查法(形態(tài)勘測法)對比分析。由于東非洪水模型方法及理查德推理法在國內(nèi)尚沒有完整的文獻(xiàn)資料，因此首先對這兩種暴雨徑流計算方法作較完整的介紹，在第三節(jié)中再對兩種方法詳細(xì)驗證分析。

2.1 東非洪水模型[8]

這種方法是由建立在對肯尼亞和烏干達(dá)有代表性的13個小型流域進(jìn)行4年的觀測研究上確定的。

東非洪水水文模型主要由以下兩部分組成：

①一個線性的蓄水模型用來預(yù)測流量，應(yīng)用于降雨開始時到洪水進(jìn)入河流水系之間這段時間。

②運用有限差分法確定洪水到水流匯集點的路徑過程。

(1)計算參數(shù)

洪水的聚集能力與暴雨期間的降水量有關(guān)。由于土壤特性不同和土壤飽和度不同，一些流域的土壤有弱滲水性。在不降水時土壤表層變干，這就導(dǎo)致了在剛開始降雨時土壤具有高滲透性。設(shè)定一個名為初始滯留值的水量存儲值，用此來代表在洪水徑流發(fā)生前土壤滲水存水量，在洪水水文的基準(zhǔn)期內(nèi)，徑流量通過降雨較少時的初始滯留值和洪水水文相關(guān)的折算匯水面積來計算。

折算匯水面積通過實際匯水面積和面積系數(shù)的乘積來計算，面積系數(shù)通過以下三個系數(shù)來計算。

①面積標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)Cs：與集水坡度、土壤類型[9]和排水情況相關(guān)。

②流域濕度系數(shù)Cw：要考慮土壤初始濕度和土壤水分補(bǔ)給能力，土壤水分補(bǔ)給值(SMR)，可通過大暴雨(降水量超過50 mm)的代表樣本值和可能已有地質(zhì)情況指數(shù)的平均值來計算。

SMR=∑P-∑E，其中∑P=前30天內(nèi)的降水量；∑E=在同樣時間內(nèi)的水分蒸發(fā)量，通過潛在的蒸發(fā)能力和相關(guān)植物系數(shù)來確定。

因此，潮濕地區(qū)的SMR>75 mm，干燥地區(qū)的SMR<75 mm。

③土地利用系數(shù)[9]CL：要同時考慮土地使用情況和整個流域河谷上的植被覆蓋情況。

水文基準(zhǔn)期TB由以下幾部分組成。

①降雨時間Tp：暴雨降雨量達(dá)到60%時的時間。

②表層洪水的衰退時間TR：即土壤蓄水后的溢流值下降到初始值的十分之一所經(jīng)歷的時間，其值為2.3K，其中K是土壤蓄水作用的延遲時間。其時間值也即流量曲線從一個線性蓄水曲線下降到初始值的1/3時所需要的時間。

③洪水衰減時間TA：則通過在基準(zhǔn)期內(nèi)主要河流的長度和坡度以及平均流量來計算。

(2)計算公式

東非洪水模型水文公式中的流域參數(shù)通過詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查，并參考相關(guān)的地質(zhì)分類圖[10]來確定。設(shè)計洪峰流量的基本公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，CS為草地集水區(qū)面積系數(shù)的基本值；CW為流域濕度系數(shù)；CL為土地利用系數(shù)；CA為面積系數(shù)；TB為基準(zhǔn)時間/h；TP為降雨時間(強(qiáng)降雨的持續(xù)時間)/h；TR為表層洪水的衰退時間，為2.3倍的集水滯后時間(K)/h；TA為河流體系洪水坡的衰退時間/h；L為主流長度/km；Q′為基準(zhǔn)期內(nèi)的平均洪水流量/(m3/s)；S為主河道的平均坡度；RTB為基準(zhǔn)期內(nèi)的降雨量/mm；n為與地區(qū)有關(guān)的常數(shù)；RTp為與重現(xiàn)期相關(guān)的降雨量/mm；ARF為面積折減系數(shù)；A為匯水面積/km2；P為與基準(zhǔn)期相當(dāng)?shù)牡臅r間內(nèi)的暴雨量/mm；Y為初始保留值/mm；Ro為徑流的總流量/m3；Q為設(shè)計峰值流量/(m3/s)；F為由滯后時間K確定的峰值流量系數(shù)，K小于0.5 h，F(xiàn)=2.8，K大于0.5 h，F(xiàn)=2.3。

用上述方法進(jìn)行水文計算，相關(guān)系數(shù)選取參照表1到表5。

表1 基本面積系數(shù)CS

表2 匯水區(qū)濕度系數(shù)Cw

表3 土地利用系數(shù)CL

表4 集水滯后時間K和峰值流量系數(shù)F

表5 不同區(qū)域降水時間Tp和指數(shù)n的取值

需要注意的是，計算TA的公式中用到平均洪水流量Q′，而Q′是未知的。一般通過假設(shè)一個初值，通過迭代計算得到。

2.2 理查德推理法[11]

(1)計算公式

這種方法是基于關(guān)于持續(xù)徑流強(qiáng)度一系列方程組確定的

(11)

式中，Qm為設(shè)計流量(流量單位)；K為徑流系數(shù)，0到1.0；a為匯水面積(英畝)；i為每小時單位集水區(qū)的平均降雨強(qiáng)度/(inch/h)。

此方法基于以下方程組

(12)

(13)

由(2)式可得

(14)

假定T為12 h

(15)

式中，t為匯水時間；I為降雨量最大的匯水區(qū)的降雨強(qiáng)度/(inch/h)；i為匯水區(qū)平均降雨強(qiáng)度/(inch/h)；a為匯水面積/acres；f(a)為i/I的比率，是圖2中給出的匯水面積的函數(shù)；T為暴雨持續(xù)時間/h；R為降雨系數(shù)；L為河流沿線匯水區(qū)的長度/mile；K為徑流系數(shù)；S為匯水區(qū)的平均坡度；C為圖3中給出的系數(shù)，是K×R的函數(shù)；F為24 h的最大降雨量。

這種方法考慮到降雨模式和強(qiáng)度，匯水區(qū)的大小、形狀和坡度，以徑流系數(shù)K形式表現(xiàn)徑流特性。

(2)推理法模型參數(shù)確定

水文模型中的參數(shù)通過肯尼亞測量地形圖和現(xiàn)場調(diào)查得出的匯水參數(shù)確定，徑流系數(shù)見表6。

表6 推理法的徑流系數(shù)K

注：大匯水區(qū)為面積大于50 km2，坡度大于10%。

推理方法假定條件如下：

①降雨強(qiáng)度在整個暴雨持續(xù)期間內(nèi)整個流域上是一致的，整個流域?qū)纬珊樗?/p>

②最大徑流系數(shù)發(fā)生在當(dāng)暴雨持續(xù)時間T和匯水時間t相同時，匯水時間t是徑流從流域最遠(yuǎn)處到匯水地點(水利結(jié)構(gòu)評價或設(shè)計處)所需要的時間。

推理法存在的缺點如下：

匯水區(qū)沒有進(jìn)行蓄水考慮，大流域設(shè)計超限。

除鋪砌非常好的城市小型集水區(qū)，系數(shù)K與前期降雨量有關(guān)，并且很難估計。

圖2 匯水面積a與參數(shù)F(a)關(guān)系曲線

圖3 參數(shù)K×R與參數(shù)C關(guān)系曲線

3 水文計算與分析

3.1 流域調(diào)查

肯尼亞全年分為雨季和旱季，雨季期間洪峰流量較大，但沿線河流居民稀少，難以走訪，特大洪水調(diào)查點較少；常年洪水則沖刷痕跡明顯，水位調(diào)查比較準(zhǔn)確。調(diào)查時采用擴(kuò)大調(diào)查范圍對歷史洪水痕跡進(jìn)行洪水位調(diào)查，沿河在線位上下游調(diào)查多個常年洪水痕跡和多年最高洪水痕跡，結(jié)合收集的氣象資料(降雨量)，分析出常年洪水痕跡和多年最高洪水痕跡的洪水頻率。根據(jù)所實測的水面坡度及所調(diào)查的洪水位點的實際情況，確定調(diào)查河段所推算的洪水位的水面坡度。根據(jù)河段的特點來選用糙率?？缭胶恿鞫酁榧竟?jié)性河流，大部分河道較為順直，線位附近河岸均無防護(hù)措施；河床少部分為卵礫石，土質(zhì)及砂卵石河槽，河灘長有較密雜草以及灌木。

3.2 百年流量計算

根據(jù)實測水面坡度及水文斷面，計算相應(yīng)頻率所對應(yīng)的流量，推出Q最高/Q常比值，依據(jù)比值查《橋渡水文》[2]，查得Cv值。經(jīng)過水文計算及結(jié)合該河段的水流特征，確認(rèn)出合適的Cv值，從而推算出該河段形態(tài)勘測水文斷面處的百年一遇流量。

經(jīng)過計算，得出擬建鐵路沿線26個典型工點采用東非洪水模型法、理查德推理法以及形態(tài)勘測法計算的百年流量(表7)，其計算結(jié)果對比如圖4所示。

表7 百年流量Q1%

圖4 形態(tài)勘測法與各暴雨徑流計算公式結(jié)果對比

3.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)東非洪水模型以及理查德推理法計算的百年洪水流量與形態(tài)勘測法對比結(jié)果，可以得出如下的初步結(jié)論：

理查德推理法對流域坡度的變化反應(yīng)更靈敏，流域內(nèi)坡度較大時，理查德法的計算結(jié)果是東非洪水模型計算結(jié)果的數(shù)倍。

在東非洪水模型法中，參數(shù)CS、K以及F的取值對流量的計算結(jié)果影響較為顯著，土地類型及匯水區(qū)類型選用不準(zhǔn)確時，其計算結(jié)果值可相差一倍以上。

總體上，用理查德推理法計算出的洪峰流量值要大于東非洪水模型法的結(jié)果，尤其在小于100 km2的中小型流域，其計算結(jié)果值可相差數(shù)倍。

對于小于100 km2的中小型流域，東非洪水模型的計算流量值與形態(tài)勘測法較為接近，因此在小于100 km2的中小型流域采用東非洪水模型公式計算。

對于大于200 km2的大中型流域，兩種方法所計算值與形態(tài)勘測法均較為接近，但理查德推理法略大，設(shè)計時采用理查德推理法。

對于100～200 km2的中型流域，兩種方法所計算值與形態(tài)勘測法均有一定偏差，設(shè)計時采用兩種方法計算的平均值。

4 結(jié)束語

通過東非洪水模型法、理查德推理法與形態(tài)勘測法的計算結(jié)果對比， 確定了在不同規(guī)模流域的百年洪水流量估算方法，其研究結(jié)果對于合理確定蒙內(nèi)鐵路沿線的橋涵布設(shè)具有重要意義。由于坦桑尼亞、烏干達(dá)等東非國家與肯尼亞具有非常相似的地形地貌、氣候特點，本文的研究內(nèi)容對于上述東非地區(qū)的洪水估算同樣有較好的參考價值，但水文模型中與地區(qū)有關(guān)的參數(shù)如區(qū)域降水時間Tp、區(qū)域指數(shù)n等參數(shù)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況確定。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005

[2] 鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計手冊( 橋渡水文)[M].北京：中國鐵道出版社，1993

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10017—1999鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，1999

[4] 許志強(qiáng)，賀艷麗.內(nèi)蒙古高原地區(qū)鐵路水文分析研究[J].鐵道勘察，2012(6):36-38

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[7] 劉敏.淺談小徑流驗證[J].鐵道勘察,2012(1)：43-46

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[10]G.O.K， Department of Mines & Geo1ogy.Geological Reports [R]. Kenya: 1992

[11]Richards B D. FLood Estimation and Control[M]. London： Chapman & Hall Ltd，1955

HydrologicalAnalysisofBridgesAndCulvertsonMombasa-NairobiRailwayLine

SHI Jin-tao

2014-10-13

石晉濤(1984—)，男，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)06-0069-05

U442.5+8

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