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，地形呈波狀起伏，沖溝發育，相對高差變化較大，東部及洛陽地區地勢較為平坦，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、南三面環山，礦產資源豐富。登封地形以山地丘陵為主，穿過嵩山南麓地區地勢最高，且溝壑縱橫。

1.2 水系

本線經過淮河、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，發源于河南鄭州登封，流經新密、新鄭后轉向東南，從新鄭市黃灣出境，在許昌市境內匯入賈魯河。

潁河發源于嵩山南麓，流經登封、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，發源于魯山縣石人山，流經寶豐、葉縣、舞陽、漯河、周口匯入潁河，河長322 km，流域面積12 580 km2。

伊河發源于熊耳山南麓欒川縣陶灣鄉三合村悶敦嶺，經嵩縣、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

沿線地區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，呈半濕潤半干旱狀態，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℃的日數為200～220 d。

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

1.4 徑流條件

本線經過地區多為丘陵地區，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法推算出的流量進行比較分析，確定小流域地區的暴雨徑流公式計算辦法和各參數的采用。

2.2 公式說明

(1)形態法

用調查所得到的歷史洪水位和確定的重現期，根據河流的斷面和坡度計算出在這一水位時的流量，利用本地區的偏差系數(CS)、變異系數(CV)兩者之間的關系和重現期流量，推求設計流量換算系數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

山丘區設計暴雨時段采用 10 min、1 h、6 h、24 h。設計暴雨參數均值和變差系數Cv分別由2005年《河南省暴雨統計參數等值線圖集》(下稱2005圖集)中相應歷時等值線圖上的流域重心點處讀取，偏態系數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，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。

②產流計算

山丘區24 h設計凈雨量用84圖集山丘區降雨徑流關系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;

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;

n——設計暴雨遞減指數，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:匯流區域多為50 km2以內，點面折減系數均取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

根據本次勘測范圍內的地形為山丘區，選用如下公式

山丘區 當ap=Sp/tn時

式中，β0、r0、m0、A4均為參數，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。

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，從《水文手冊》P83頁表5-8查取。

(4)鐵四院公式

根據華東、華中地區特點制定如下公式

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，從《水文手冊》P91頁表5-23查取;

E——與坡面自然特征及產流條件有關的參數，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，可按下式計算

式中 kA——斷面系數，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，可從《水文手冊》P94頁表5-25查取;

A5——洪峰削減系數，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，經過分析和調查，列舉三個工點作為驗證的依據。

3.1 驗證一:曲河支流

地點:伊川市彭婆鄉袁莊村。

基本數據:

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，經現場查看，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。

經分析，重現期推斷基本上準確，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，水文分區為Ⅴ區，得出Q1/100=629.20m3/s。

(3)三院法

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

(4)四院法

根據形態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:登封市石道鄉焦窯村。

基本數據:

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。經過推斷，分別按重現期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。

經分析，重現期推斷基本上準確，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，水文分區為Ⅲ區，得出Q1/100=864.45m3/s。

(3)三院法

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

(4)四院法

根據實際情況，確定出各個參數的取值，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:登封市唐莊鄉三畝汃村。

基本數據:

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。

經分析，重現期與后河工點重疊，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，水文分區為Ⅲ區，得出 Q1/100=1 424.16m3/s。

(3)三院法

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

(4)四院法

根據實際情況，確定出各個參數的取值，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完成。該地區地形較為復雜，線位所經之處既有山區，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據處理，可以清楚地看出:河南省地方公式法的數據曲線和形態法的數據曲線最為接近，表明計算出來的流量和形態法的流量最為接近，適合本次勘測范圍內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范［S］

［4］TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］