肯尼亞蒙內(nèi)鐵路橋涵水文計(jì)算分析

石晉濤

(中交鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088)

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路橋涵水文計(jì)算分析

石晉濤

(中交鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088)

肯尼亞沒有系統(tǒng)的洪水水文統(tǒng)計(jì)資料， 且無成熟的洪水流量預(yù)測(cè)方法。結(jié)合肯尼亞某鐵路項(xiàng)目，針對(duì)東非地區(qū)的氣候地形地貌特點(diǎn)，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(jì)算方法。研究表明:東非洪水模型法在預(yù)測(cè)中小型流域洪水流量上較適用，理查德推理法在預(yù)測(cè)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(jì)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(xiàng)目。鐵路正線全長(zhǎng)480 km，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，采用中國(guó)國(guó)鐵Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]，橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。線路起點(diǎn)為港口城市蒙巴薩，向西北與A109國(guó)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(gè)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(gè)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(jì)算方法選擇

設(shè)計(jì)洪峰流量的推算通常有水文統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)實(shí)測(cè)水文資料分析統(tǒng)計(jì)，從而推求出規(guī)律性并預(yù)估一定時(shí)間內(nèi)的洪峰流量。歷史洪水調(diào)查法則主要通過實(shí)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(jì)算。

本鐵路項(xiàng)目沿線沒有水文觀測(cè)站，對(duì)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(jì)分析法。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5，6]，本鐵路沿線有21個(gè)雨量觀測(cè)站，雨量記錄年份都在10年以上，因此本工程對(duì)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(diǎn)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(duì)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(jì)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(jì)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(duì)已有的暴雨徑流公式進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證其適用性，并選取適當(dāng)?shù)膮?shù)。參考文獻(xiàn)[7]的驗(yàn)證方法擬沿全線約每隔20 km選取一個(gè)典型工點(diǎn)，采用歷史洪水調(diào)查法(形態(tài)勘測(cè)法)對(duì)比分析。由于東非洪水模型方法及理查德推理法在國(guó)內(nèi)尚沒有完整的文獻(xiàn)資料，因此首先對(duì)這兩種暴雨徑流計(jì)算方法作較完整的介紹，在第三節(jié)中再對(duì)兩種方法詳細(xì)驗(yàn)證分析。

2.1 東非洪水模型[8]

這種方法是由建立在對(duì)肯尼亞和烏干達(dá)有代表性的13個(gè)小型流域進(jìn)行4年的觀測(cè)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(gè)線性的蓄水模型用來預(yù)測(cè)流量，應(yīng)用于降雨開始時(shí)到洪水進(jìn)入河流水系之間這段時(shí)間。

②運(yùn)用有限差分法確定洪水到水流匯集點(diǎn)的路徑過程。

(1)計(jì)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(shí)土壤表層變干，這就導(dǎo)致了在剛開始降雨時(shí)土壤具有高滲透性。設(shè)定一個(gè)名為初始滯留值的水量存儲(chǔ)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(shí)的初始滯留值和洪水水文相關(guān)的折算匯水面積來計(jì)算。

折算匯水面積通過實(shí)際匯水面積和面積系數(shù)的乘積來計(jì)算，面積系數(shù)通過以下三個(gè)系數(shù)來計(jì)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(jì)算。

SMR=∑P-∑E，其中∑P=前30天內(nèi)的降水量；∑E=在同樣時(shí)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(shí)考慮土地使用情況和整個(gè)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(shí)間Tp：暴雨降雨量達(dá)到60%時(shí)的時(shí)間。

②表層洪水的衰退時(shí)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(shí)間，其值為2.3K，其中K是土壤蓄水作用的延遲時(shí)間。其時(shí)間值也即流量曲線從一個(gè)線性蓄水曲線下降到初始值的1/3時(shí)所需要的時(shí)間。

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

(2)計(jì)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(chǎng)調(diào)查，并參考相關(guān)的地質(zhì)分類圖[10]來確定。設(shè)計(jì)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(shí)間/h；TP為降雨時(shí)間(強(qiáng)降雨的持續(xù)時(shí)間)/h；TR為表層洪水的衰退時(shí)間，為2.3倍的集水滯后時(shí)間(K)/h；TA為河流體系洪水坡的衰退時(shí)間/h；L為主流長(zhǎng)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(shí)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(jì)峰值流量/(m3/s)；F為由滯后時(shí)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(jì)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(shí)間K和峰值流量系數(shù)F

表5 不同區(qū)域降水時(shí)間Tp和指數(shù)n的取值

需要注意的是，計(jì)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(gè)初值，通過迭代計(jì)算得到。

2.2 理查德推理法[11]

(1)計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間/h；R為降雨系數(shù)；L為河流沿線匯水區(qū)的長(zhǎng)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(cè)量地形圖和現(xiàn)場(chǎng)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(gè)暴雨持續(xù)期間內(nèi)整個(gè)流域上是一致的，整個(gè)流域?qū)?huì)形成洪水。

②最大徑流系數(shù)發(fā)生在當(dāng)暴雨持續(xù)時(shí)間T和匯水時(shí)間t相同時(shí)，匯水時(shí)間t是徑流從流域最遠(yuǎn)處到匯水地點(diǎn)(水利結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)或設(shè)計(jì)處)所需要的時(shí)間。

推理法存在的缺點(diǎn)如下：

匯水區(qū)沒有進(jìn)行蓄水考慮，大流域設(shè)計(jì)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(jì)。

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(jì)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(diǎn)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(shí)采用擴(kuò)大調(diào)查范圍對(duì)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(gè)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(shí)測(cè)的水面坡度及所調(diào)查的洪水位點(diǎn)的實(shí)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(diǎn)來選用糙率。跨越河流多為季節(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(zhǎng)有較密雜草以及灌木。

3.2 百年流量計(jì)算

根據(jù)實(shí)測(cè)水面坡度及水文斷面，計(jì)算相應(yīng)頻率所對(duì)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(jì)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(cè)水文斷面處的百年一遇流量。

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

表7 百年流量Q1%

圖4 形態(tài)勘測(cè)法與各暴雨徑流計(jì)算公式結(jié)果對(duì)比

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

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

理查德推理法對(duì)流域坡度的變化反應(yīng)更靈敏，流域內(nèi)坡度較大時(shí)，理查德法的計(jì)算結(jié)果是東非洪水模型計(jì)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(duì)流量的計(jì)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(shí)，其計(jì)算結(jié)果值可相差一倍以上。

總體上，用理查德推理法計(jì)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(jì)算結(jié)果值可相差數(shù)倍。

對(duì)于小于100 km2的中小型流域，東非洪水模型的計(jì)算流量值與形態(tài)勘測(cè)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(jì)算。

對(duì)于大于200 km2的大中型流域，兩種方法所計(jì)算值與形態(tài)勘測(cè)法均較為接近，但理查德推理法略大，設(shè)計(jì)時(shí)采用理查德推理法。

對(duì)于100～200 km2的中型流域，兩種方法所計(jì)算值與形態(tài)勘測(cè)法均有一定偏差，設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種方法計(jì)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(cè)法的計(jì)算結(jié)果對(duì)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(duì)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(guó)家與肯尼亞具有非常相似的地形地貌、氣候特點(diǎn)，本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于上述東非地區(qū)的洪水估算同樣有較好的參考價(jià)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(shí)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(guó)鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005

[2] 鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)手冊(cè)( 橋渡水文)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1993

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10017—1999鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，1999

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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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