金建高速鐵路大中河流水文計算分析

董月龍

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600）

金華至建德高速鐵路（簡稱金建鐵路）位于我國浙江省西南部，線路自金華站引出后，沿蘭江通道走行于蘭溪市東側并設蘭溪東站，走行于蘭江西側，于建德市大洋鎮(zhèn)西側設大洋站后，自建德市梅城規(guī)劃區(qū)跨越新安江引入杭黃鐵路。線路正線全長65.07 km。

1 沿線河流水系特征

新建金建高速鐵路沿線主要河流有金華江、蘭江和新安江，均屬于錢塘江流域，蘭江和新安江匯合后匯入下游的富春江。

1.1 金華江

金華江為錢塘江支流，發(fā)源于浙江省金華市磐安縣大盤山山脈，經浙江省金華市區(qū)后與衢江匯流為蘭江。金華江由東陽江和武義江兩大支流匯流而成，干流長160 km，流域總面積為6 840 km2。沿線多河谷盆地，干流河段，比降3.1‰，河寬250～700 m。

1.2 蘭江

蘭江為錢塘江支流，發(fā)源于安徽省休寧縣青芝埭尖東麓，經浙江省開化、常山、衢州、龍游、蘭溪，至建德市梅城后與新安江匯合流入錢塘江干流，流域面積19 468 km2，河長302.5 km。沿線多河谷盆地，干流河段，比降2.6‰，河寬400～650 m。

1.3 新安江

新安江為錢塘江支流，發(fā)源于安徽省休寧縣馮村鄉(xiāng)六股尖，經浙江省涥安縣、新安江城區(qū)、洋溪、下涯、楊村橋，至建德市梅城后與蘭江匯合流入錢塘江干流，流域面積11 674 km2，干流長度359.0 km。沿線多河谷盆地，干流河段，比降3.7‰，河寬300～650 m。

2 大中河流設計流量的計算

2.1 方法概述

大中河流可用的流量計算方法有數理統(tǒng)計法［1-2］、形態(tài)調查法［3］、流域面積比擬法［4］（流域面積內插法）、地方經驗公式［5］和水電推理公式法。根據金建高速鐵路沿線河流的情況采用其中的兩種或三種進行計算和驗證。以下對各種方法的優(yōu)缺點及適用范圍進行詳細敘述。

2.1.1 數理統(tǒng)計法

根據水文站的歷年觀測流量序列，應用概率論的原理，對實測水文資料進行分析，確定出相應的曲線參數，再根據曲線方程延長觀測序列，求得相應設計頻率的流量［6］。

該方法理論嚴密，結果精度高，但是所需數據量大，必須有足夠年限的流量觀測序列。

2.1.2 形態(tài)調查法

根據實地調查訪問，確定歷史洪水發(fā)生的時間、洪痕、洪水規(guī)模、重現(xiàn)期等數據，實測正交水文斷面及河床縱坡，利用流量 - 水位關系反推出流量。

2.1.3 流域面積比擬法（流域面積內插法）

選用相鄰的自然地理條件同屬一水文氣象分區(qū)且流域面積接近、降雨特點相似的水文站為參證點，計算公式為：

式中：F設——設計斷面流域面積（km2）；

F參——參證站控制流域面積 （km2）；

QP參——參證站相應頻率洪水流量（m3／s）；

n——面積比指數，當n = 1時即為流域面積內插法，可根據本河流域或鄰近河流按照上式反求，一般大中河流n = 0.5～0.7，較小河流n≥0.7。

限制使用條件：當上下游的兩流域面積相差10%～20%，流域內自然地理條件比較一致，降雨比較均勻，區(qū)間河道又無特殊的調蓄作用時，可采用此法。

2.1.4 浙江省經驗公式法

地方經驗公式是將洪峰流量與流域面積建立關系，并考慮山區(qū)、丘陵、平原的區(qū)別。浙江省經驗公式根據主要河流實測或調查所得的歷年最大洪峰流量，化為洪峰模數，點繪洪峰模數與流域面積的關系，取其外包線［7-8］，公式為：

式中：Qm——洪峰流量（m3／s）；

F——匯水面積（km2）。

限制使用條件：F的使用范圍為300～20 000 km2。

2.1.5 水電推理公式法［9-10］

《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》中推薦的推理公式基本表達式為：

式中：Qm——洪峰流量（m3／s）；

F——匯水面積（km2）；

h——全面匯流時τ時段的最大凈雨，部分匯流時單一洪峰的凈雨（mm）；

τ——流域匯流歷時；

m——匯流參數；

J——沿流程L的平均比降（‰）；

L——沿主河從出口斷面至分水嶺的最長距離。

限制使用條件：一般適用于100 km2以下的中小流域。

2.2 主要河流設計流量的計算及驗證

金建高速鐵路跨越浙江省金華市、杭州市境內的大中河流中，金華江、蘭江和新安江設有水文站［11］。初測階段，重點對上述河流進行了現(xiàn)場實測調查，同時收集了水利規(guī)劃資料、水文站數據以及臨近既有橋梁的相關資料。經過認真計算、分析、比較后，確定大中河流水文計算方法。

2.2.1 金華江

（1）水文站概況

金華江水文站只有金華水文站，位于金華市婺城區(qū)濱江路，控制流域面積5 953 km2，于1961年1月設立。測流斷面為較穩(wěn)定的寬深河道斷面，水面變幅在100～350 m。測驗項目有水位、流量、雨量、泥沙等。

（2）水文站資料分析計算

金華區(qū)域內的各節(jié)點位置示意如圖1所示。橋址1位于金華江水文站下游10.8 km，線位處兩側堤壩間距約360 m，調查時水面寬約270 m，金建高速鐵路與金華江右前角約75°。橋址2位于金華江水文站下游15.1 km，線位處兩側堤壩間距約600 m，調查時水面寬約550 m，金建高速鐵路與金華江右前角約75°。

圖1 金華江橋址與水文站關系圖

根據金華水文站提供的洪峰流量資料進行數理統(tǒng)計，按金華水文站實測各年最大流量進行遞減排列，推出模比系數和經驗頻率，在海森幾率格紙上進行適線，如圖2所示，計算金華水文站處金華江設計頻率流量：

圖2 金華江適線圖

適線結果表明，采用特征值Cv= 0.58，Cs／Cv= 6.0的理論頻率曲線與經驗曲線吻合較好，查詢《橋渡水文》一書的附錄一中的“3.P -Ⅲ型曲線Kp值”［12］表格，特征值為：

（3）流量比對分析

根據金華水文站提供的資料，金華水文站Q1%=9 150 m3／s。由以上數據可以看出，由數理統(tǒng)計算得的流量與金華水文站提供的流量基本一致，本文選用數理統(tǒng)計計算值Q1%= 9 157 m3／s。

（4）橋址處流量計算

金建高速鐵路跨越金華江處橋梁1和橋梁2分別位于金華水文站下游10.8 km和15.1 km處，可采用流域面積比擬法對上游水文站設計流量進行插補移用，計算公式為：

已知金華水文站集水面積5 953 km2，設計流量Q1%= 9 157m3／s。由于金華江流域僅有一個水文站，無法通過上下游測站實測資料推算出面積比指數，此處暫取保守值n = 0.7，待與其他流量對比后，如流量誤差結果位于10%以內，可判定n值取值符合本公式。

金華水文站集水面積5 953 km2，設計流量Q1%=9 157 m3／s；橋址1處集水面積6 151.6 km2，橋址2處集水面積6 385.5 km2，利用流域面積比擬法計算可得橋址1處設計流量為：

利用流域面積比擬法計算可得橋址2處設計流量：

（5）現(xiàn)場實地調查推算流量

根據實地調查訪問，詢問當地居民獲得橋址1處和橋址2處洪水發(fā)生時間和洪水水位高度，后經實測水文斷面及河床縱坡，推算出流量。

2.2.2 蘭江

蘭江水文站蘭溪水文站，位于蘭江水文站下游10.3 km。蘭溪水文站處百年流量計算方法采用數理統(tǒng)計法；橋址處流量計算方法采用流域面積比擬法。根據蘭溪水文站提供的歷年洪峰流量資料進行數理統(tǒng)計，在海森幾率格紙上進行適線，可計算蘭溪水文站處蘭江設計頻率流量。

數理統(tǒng)計算得的流量（Q1%= 17 956.8 m3／s）比蘭溪水文站提供的流量（Q1%= 20 400 m3／s）小，原因主要是計算中采用的歷年最大流量序列有67個，但特大洪峰流量數據偏少，計算誤差大，故蘭溪水文站處流量采用蘭溪水文站提供的資料。

通過流域面積比擬法計算可得橋址處設計流量：

2.2.3 新安江

新安江區(qū)域內的各節(jié)點位置示意如圖3所示。新安江屬于錢塘江流域，新安江和蘭江匯合后稱為富春江。新安江上有梅城水文站，于1961年1月設立，僅測量水位和降雨量，無流量測量。

圖3 新安江橋址示意圖

橋址位于梅城水文站上游2 km，線位處兩側堤壩間距約580 m，調查時水面寬約540 m，金建高速鐵路與新安江右前角約105°。橋址上游40 km處設有新安江水庫，橋址下游30 km處設有富春江水庫。

建德市新安江河段洪水流量取決于新安江水庫的泄洪。根據《建德城市防洪規(guī)劃》（1999.10），新安江河段不同頻率設計洪峰流量成果如表1所示。

表1 新安江河段設計洪峰流量成果表（m3／s）

新安江水庫大壩按1 000年一遇洪水設計，按10 000年一遇洪水校核。新安江特大橋設計洪水頻率按100年一遇設計，并按300年一遇檢算［13-14］。新安江水庫大壩設計頻率遠大于新安江特大橋設計年限，因此橋址處處設計流量可直接取用大壩各河段設計洪峰流量。本橋址位于壽昌江匯合口以下新安江河段，取此處設計洪峰流量Q1%= 8 800m3／s。

2.3 主要河流設計流量的對比驗證

根據數理統(tǒng)計法、浙江省經驗公式法、水電推理公式法、形態(tài)調查法，結合流域面積比擬法、收集調查法等公式的計算對比，得到的計算數據如表2所示。

表2 大中河設計洪峰流量匯總表（m3／s）

由表2可知：

（1）從金華江2座特大橋和蘭江特大橋的水文計算結果可知，水電推理公式法計算所得流量均大大超過利用數理統(tǒng)計法、調查收集法、浙江省經驗公式法和形態(tài)調查法得出的值。由于水電推理公式適用范圍為100 km2以下的中小流域，本次計算不采用。

（2）浙江省經驗公式法和形態(tài)調查法得出的值比利用數理統(tǒng)計法和調查收集法經流域面積比擬法計算后的數值小，但計算數值較接近，誤差均在10%以內，可判斷得面積比指數n值取值符合本流量公式，三者計算結果較合理；金建高速鐵路采用利用數理統(tǒng)計法和調查收集法經流域面積比擬法計算數值。

（3）新安江特大橋設計年限較上游新安江水庫設計年限小，可直接采用新安江水庫泄洪流量進行設計。

3 結束語

金華江和蘭江橋址處流量通過數理統(tǒng)計法算出百年流量后與水文站作比較后，取較大值，然后通過流域面積比擬法求得橋址處流量，經與浙江省經驗公式法、形態(tài)調查法對比后，取較大值為設計流量。新安江橋址處由于上游水庫的特殊影響直接采用水庫下泄流量確定。對于其他無詳細統(tǒng)計水文資料的橋涵采用比較簡明的浙江省經驗公式確定其設計流量。本文研究方法可為浙江地區(qū)計算大中河流量提供參考。