東非亞丁灣地區水文計算方法研究

陳澤宇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢　430063）

東非亞丁灣地區水文計算方法研究

陳澤宇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢430063）

東非亞丁灣區域近年來出于維和需求，逐步成為各國基建投資的重點區域，中國企業也開始涉足該區域鐵路、公路、機場、港口等基礎設施領域。然而，由于長期的政局不穩以及經濟文化落后，亞丁灣各國關于水文的經驗公式及相關資料極為缺乏，使得勘察設計單位開展水文工作相當困難。論文以“埃塞俄比亞至吉布提鐵路”工程為例，結合亞丁灣區域的氣候、降水、地形地貌特點，通過對周圍各國及中國類似區域水文信息的橫向對比分析，總結出適用于該區域的水文計算公式，供參與東非亞丁灣區域的橋梁工程設計師參考。

匯水時間；設計流量；Rational法；SCS法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.027

1　引言

本項目位于紅海入?？趤喍硣?，非洲之角吉布提，該國境內地表水不發育，基本無永久性河流，主要是季節性河流，河道呈梳狀，多發源于北部山脈和南部山地或高原，降雨大多蒸發或滲入地下，剩余小部分注入紅海。地下水埋藏較深，一般在數十米以下，只局部地段埋藏較淺。

由于常年干旱對地表植被生長極為不利，故吉布提地區大部遍布荒溪干溝，但若突遇暴雨極易發生暴漲暴落的洪水，洪水災害是吉布提的主要災害。山洪因其所流經的溝谷坡度陡峻，地質條件復雜，具有洪水歷時短、流速快、沖刷力強、挾帶泥石多、破壞力大等特點。

2　降雨強度的計算

2.1降雨量數據的搜集

降雨量數據分析是水文分析計算中最重要的環節，吉布提國內基礎資料嚴重缺乏，氣象資料更是缺少，全境只有3個雨量監控點不連續的20a有效記錄。根據全線已收集的線路經過區Djibouti、AliSabieh既有降水資料（見表1、表2）分析，沿線降水稀少，一般年份降水量均小于100mm，局部年份達207.6mm，其中，AliSabieh鎮有多年不降水記錄。這些數據都在項目影響區域內，對進行水文分析和降雨量的月分布研究提供了有效幫助。

表1　DJIBOUTI年度降雨量表

表2　ALISABIEH年度降雨量表

2.2頻率分析

吉布提Djibouti-Aerodrme-Serpent站提供了最大月降雨量數據，經綜合比較、分析和判斷，吉布提1969～1978、2003～2012不連續的20a的年最大月降雨量數據是有效的且適用于本項目。因此，統計分析采用了該“最大月降雨量”數據，對所收集的數據進行頻率分析，以獲取項目區域的設計降雨量參數和“降雨強度-持續時間-頻率曲線（IDF曲線）”

通過對多種分布曲線的綜合分析比對，“皮爾遜Ⅲ型曲線分布”與區域的經驗數據點比較吻合，皮爾遜Ⅲ型曲線分布如下圖1所示。因此，采用皮爾遜Ⅲ型曲線分布進行頻率分析。

圖1　Djibouti-Aerodrme-Serpent站皮爾遜Ⅲ型頻率分布

2.2.1皮爾遜III型頻率分布

根據《鐵路工程水文勘測設計規范》（TB 10007—99），CV可做以下調整：

通過對許多不同參數進行擬合程度的評估比對，發現當CV=1.4而CS=3CV時,皮爾遜Ⅲ型曲線與吉布提站的經驗數據點吻合程度較高。

2.2.2T年重現期的24h降雨量

吉布提全境只有3個雨量監控點不連續的20a有效記錄，且只提供精度為“月降雨量”的數據，需要將月降雨量轉換為24h降雨量，必須通過暴雨衰減公式。根據《橋渡水文》提供的衰減公式，將設計降雨量按照50a和100a重現期，衰減為24h，結果如表3所示。

表3　T年重現期24h降雨量

以下將采用該值進行水文分析計算。

2.2.3降雨強度-持續時間-頻率（IDF）曲線

英國運輸與道路研究實驗室[2]關于東部非洲暴雨的降雨量研究成果對于測算橋梁及涵洞的洪峰流量非常有效，對于持續時間較短的降雨，根據從2～120min不同的持續時間以及不同的重現期可估算出相應的最大降雨強度（單位為mm/h）。公式如下：

式中，It為降雨強度，mm/h；I0為24h降雨量,mm;t為持續時間,h;b為常數,b=0.3;n為常數，n=0.9。

東非多處站點的區域研究數據估算了常數b和n的數值，對于本項目區域，根據試算，b=0.3和n=0.9時是比較合適的。降雨強度-持續時間-頻率見表4及圖2。

表4　降雨強度-持續時間-頻率

圖2　降雨強度-持續時間-頻率（曲線IDF）

3　匯水時間

匯水時間是指水流從匯水區域最遠的水力點流到出口點的時間，采用Rational法和SCS法計算徑流量時，匯水時間是一個重要因素。根據匯水區域面積的不同，計算匯水時間常用的是“東非”Kirpitch方程、“中非”Kirpitch方程、Hathaway公式以及速度法公式。以下分別對這幾種方法及適用的條件作簡要介紹。

3.1Kirpitch方程

3.1.1東非法

東非Kirpitch方程：

東非Kirpitch方程并沒有明確所適用的匯水面積，可在各匯水面積區間進行試算比對。

3.1.2中非法

對于匯水面積F＜4km2，采用中非Kirpitch方程：

式中，TC為匯水時間，min；L為水流長度，m；H為高差，m。

若匯水面積F＜0.1km2，Tc計算結果小于10min，則在計算中取10min。中非法在大量非洲公路設計實踐中被驗證有效。

3.2Hathaway公式

對于匯水面積4km2＜F＜200km2時，采用Hathaway公式：

式中，TC為匯水時間，h；N為Hathaway專用粗糙系數（見表5）；S為匯水區的平均坡度。

表5　Hathaway專用粗糙系數

3.3速度法公式

對于小的匯水區，分水嶺的最大高程差不能從可利用的地形圖中獲取時,可采用速度方法。它取決于河段長度的匯水時間TC，是河段長度L和速度V的函數：

式中,TC為匯水時間,min；L為最遠點與交叉點之間的距離，m；V為平均流速（可查表6），m/s。

4　設計流量計算

設計流量的計算是水文工作的最后一步，是確定排水結構物尺寸的依據。根據工程實際以及地理條件等制約因素，本項目根據匯水面積的不同，對應使用Rational法和SCS公式進行計算，并根據國內西北地區廣泛使用的“一院法”進行全面校核。

表6　地面類型和地形條件下的平均速度

4.1Rational法

根據《埃塞俄比亞公路管理局的排水計算手冊》[3]（ERADDM—2002）,對于匯水面積少于0.5km2區域，Rational法是估算洪峰流量最精確的方法。該方法始于1889年，至今仍被廣泛使用。

4.1.1Rational公式

式中,QP為設計流量，m3/s；C為徑流系數；Cf為頻率調整系數，100a重現期取1.25；CfC數值不超過1.0；I為降雨強度, mm/h；F為匯水面積，km2。

1）徑流系數C

徑流系數代表了排水流域多種參數的綜合效應。在ERADDM—2002中規定了表7所示的計算徑流系數C的數值，對于非城鎮區域如森林，農業用地和空地等，該數值取決于水文土壤的組別，土地用途和地形類型（平均坡度）。

表7　徑流系數C

2）頻率調整系數Cf

Cf從ERADDM—2002手冊查得并列于表8。

表8　Rational公式中的頻率調整系數

3）降雨強度I

降雨強度是選定的重現期內與匯水時間相當的降雨持續時期內以mm/h為單位的平均降雨率。一旦設計中選擇了特定的重現期并且計算了匯水區域的匯水時間，降雨強度即可由降雨強度-持續時間-頻率曲線確定。

4.2SCS法

SCS法是美國農業部水土保持局于1954年開發研制的流域水文模型，反應不同土壤類型、不同土地利用和覆蓋及前期土壤含水量對降雨徑流的影響，該模型可在缺乏水文統計資料地區廣泛應用。

和Rational公式一樣，SCS法需要相同的水域數據資料：水流域面積、徑流因子、水流匯流時間、降雨量。但是，SCS的方法更加復雜些，因為它同時考慮了降雨的時間分布、最初的滲透和洼地存儲的降雨損失以及暴風雨期間減少的滲透率。

4.2.1SCS公式

SCS法適用于匯水區域大于0.5km2的區域。計算公式如下：

式中，Qp為設計流量，m3/s；Pc為地表徑流，mm；F為匯水區域，km2；Tc為匯水時間，h；D為超量降雨的持續時間，h。

1）地表徑流Pc

SCS徑流方程是通過24h降雨量估算徑流的方法，由于直到降雨深度超過初始損失值，徑流才開始產生，故地表徑流按下面的公式進行估算：

式中，P為與設計重現期相對應的24h降雨量，mm；Ia為初始損失，包括地表蓄水及地表下滲，mm,Ia=0.2S(S為潛在的保留量，為匯水區特征綜合指標，取值0～100，與以下有關，該參數可根據ERADDM—2002中提供的CN數值表查得。

Pc值可通過以上公式計算，也可以在查得CN值和已知與設計重現期對應的24h降雨深度的前提下，通過查圖3可得。

4.3一院法

我國西北地區存在大范圍的戈壁和沙漠，有著與東非亞丁灣區域相似的地形地貌和氣候特點，年降水量極低且存在急漲急落的洪水沖刷，因此，我們選擇在我國該區域普遍使用的“一院法”對“東非-Rational法”、“東非-SCS法”“中非-Rational法”的計算結果進行比對驗證，若出入過大，則需調整公式中的參數進行重新計算。

圖3　徑流量與降雨深度關系圖（ERADDM-2002）

根據《橋渡水文》[4]中“一院法”的描述，暴雨衰減指數（n1、n2）、設計暴雨參數S1%、設計最大24h雨量H24，均無法從非洲當地獲得，以上參數可借鑒新疆地區相關參數進行試算。對于匯水面積F50km2的區域，選取典型的多處匯水面積及其對應的流量，建立小流域模型，經過曲線擬合(見圖4)，得到公式：Q1%=32.018F0.6273

圖4　小流域流模曲線擬合圖

5　公式應用建議

根據以上推算，相對于不同的匯水面積F(見表9)，我們總結有以下適用公式，進行最大程度的擬合，以計算相應的流量，從而擬定排水構造物的尺寸。

計算完成后，用“一院法”對全線流量進行復核。

表9　公式運用對照表

6　結語

本文通過對非洲地區水文計算方法[1]的深入研究以及對在該地區常用的水文計算公式的歸納，經過項目的實際運用及核查，提煉總結了適合于亞丁灣區域流量計算的方法，對于在該區域從事基礎設施建設的工程師在涉及橋涵水文計算上有一定的借鑒作用。

【1】TB10007—1999鐵路工程水文勘測設計規范[S].

【2】運輸與道路研究實驗室(TRRL,英國),第623號實驗報告

【3】埃塞俄比亞公路管理局.ERADDM—2002排水計算手冊[K].

【4】鐵道部第三勘測設計院.橋渡水文[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

【5】中非地區橋涵水文計算方法淺析[J].北方交通，2010（5）：91-94.

The Study on Hydrological Calculation of theAden Gulf Area

CHEN Ze-yu
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd.，Wuhan 430063，China)

Due to the demands of peacekeeping,countries of Aden Gulfarea are getting more attentions from the infrastructure companies over the world as well as Chinese companies.There are increasing numbers of Chinese companies are getting involved in the constructions of railway,highway,airport and harbor of this region.However,it is difficult to gather relevant hydrological formulas and data due to the backward economy and unsettled political condition of these countries.The study takes the project of"Addis Ababa-Djibouti Railway"as an example to provide hydrological calculation methods to bridge engineers by comparative analysis of the hydrological information from surrounding countries and similar areas of China.

duration of confluence;design discharge;rational method;SCS Method

U442.3

A

1007-9467（2016）05-0101-05

陳澤宇（1985～），男，福建福州人，工程師，從事橋梁設計與研究，（電子信箱）superstar1985@163.com。

2015-11-23