基于桥墩历史水痕与气象预报的中小桥水害预测

邹希云,莫松柏,张家望,张选民,邹 胤

(湖南省益阳市气象局,湖南 益阳 413000)

基于桥墩历史水痕与气象预报的中小桥水害预测

邹希云,莫松柏,张家望,张选民,邹 胤

(湖南省益阳市气象局,湖南 益阳 413000)

该文将中小桥山洪水害作为研究对象,以人工神经网络中的BP网络为工具,将桥墩历史上的数次洪水水痕高程和产生当次洪水的雨量记录作为数据基础,提出了一种全新的流量计算和预报既有中小桥水害的方法。将“流域和桥渡”看成一个系统,直接建立起输入 (雨量)与输出 (水位)的数学关系。因此,它不需要勘测流域面积、主河道长度及平均坡度等工作,可以节约大量的人力物力。多座桥梁的具体应用表明,这种方法具有较高的准确度,是一种有广泛应用前景的新方法。

气象预报;桥墩水痕;人工神经网络;流量计算

1 问题的提出

水毁桥梁是世界各国桥梁面临的严重的自然灾害[1]。据统计,美国国家桥梁数据库中有 58万座桥梁,建在河流上的大约占 86%。1991年瑟赫尔 (Shirhole)和何特 (Holt)对美国已毁坏的 823座桥梁的毁坏原因进行分析,发现水毁桥梁占毁坏桥梁的 60%。同样,在我国桥梁遭受洪水破坏也比较严重[1]。据有关部门不完全统计,仅 1977年9个省 (区)就有水毁桥梁 900多座,水毁涵洞2 700多座,水毁损失约 5 400万元;1981年四川发生严重的洪水灾害,全省公路和桥梁遭到了巨大的损失和破坏,共有 593条省市公路断道阻车,冲毁和局部毁坏桥梁 457座,计 1 298m,冲毁涵洞4 647座,经济损失达 6 200多万元。

对于大桥、特大桥,我国有专业部门对这些桥梁所跨过的河流作专业水文工作,这些桥梁发生水害的次数越来越少。但占 80%以上的中小桥却没有专门的水文观测站,这些桥梁的水害已经成了交通运输的突出问题。

引起中小桥梁水害的因素很多,有设计时对水文参数了解不够的因素;有运用后桥梁环境 (如植被)发生变化的因素;有非法采砂等人为因素等等。如何对既有中小桥梁的抗洪能力作出简单有效的评估;如何在山洪发生前对中小桥即将面对的状况作出有效的预测,以便合理安排抗洪物资和抗洪队伍,是人们十分关心的问题。

2 中小桥梁抗洪能力评估的现行方法

我国《铁路桥梁检定规范》[2]对铁路桥梁水文检定作出了原则上的规定。现在对中小桥梁检定流量的估计还是采用由雨量到流量的方法,即根据桥梁所在地区的实际情况,采用地区经验公式法、推理公式法、单位线法、铁路设计院法 (以下称传统方法)等方法[3],其中推理公式法又是各地区普遍采用的方法。

推理公式法认为,桥址河床断面的流量与这个断面的汇水面积、暴雨强度的关系是

式中,Q为通过桥址河床断面的流量;αp为桥址上游汇水面积上的暴雨强度;A为桥址河床断面汇水面积;K为比例系数(它与汇流方式、雨量损失、流域坡度、主河槽长度等因数有关)。

利用推理公式法公式和其它传统方法计算检定流量,需要确定汇水面积、流域坡度、主河槽长度等,这些工作劳动强度大,收集时困难较多。

3 基于桥墩历史水痕中小桥检定流量计算

3.1 水位与雨量的关系

桥梁水文计算产生水位关系曲线,它确定了桥梁流量与水位的关系,如图 1。

图 1 金鸡湾桥的水位流量关系曲线

令桥梁水位与流量的关系曲线为

虽然这是一条曲线,但在梁底附近的高水位区间,可以认为流量与水位是线性关系,如图 1。将式(1)代入 (2),有

对于特定桥梁,式 (3)中的汇流面积 A是常数;流域坡度、主河槽长度是常数;与比例因子 K有关的汇流参数、损失参数也接近常数。因此,可以认为在高水位区间,洪水水位 H与暴雨强度αp接近线性关系。

3.2 既有桥梁的历史水位

桥梁在历年洪水作用下,墩台上不可避免的保留有各次洪水的记录(水痕),由于混凝土中部分元素溶于水,混凝土桥墩的水痕更加明显。

表 1 京广线桥 1538历史水痕实测与记录对照表

表 1为京广线桥 1538历史水痕实测与记录对照表。表 1表明:历史洪水的当时记录与现时水痕实测值的误差较小,利用实测水痕是可靠的。

人们最关心高水位区间的洪水,水位越高,水痕记录的可靠性越好。自桥梁建成后,桥梁墩台就无意识的收集了这些资料,并保留在墩台上。

对于一些水痕不太明显或交织不清的桥梁墩台,可以使用模态模糊识别的方法处理,因不是本文目的,不在此赘述。

3.3 流域历史降雨量

我国大部分地区建有雨量观测站,气象部门编辑有“××省地面气候资料”,据此,不难确定中小流域的历史暴雨强度、降雨前干旱天数等参数。除气象部门建立的雨量站外,铁路沿线还有许多铁路建立的雨量站,对于桥梁而言这些是宝贵的资源,应当充分发挥它们的作用。

3.4 中小桥水位暴雨关系的人工神经网络解

中小桥水位与暴雨肯定存在函数关系,但这种关系太复杂,很难使用普通的数学公式直接表示,本文使用人工神经网络中的 BP(Back Propagation)网络[3]表示。

本文取网络的拓扑结构为 2-20-1。在这种网络结构模型下,取降雨前干旱天数 d和日降雨量a为输入信号。

式 (4)～(8)中,vji和wjk分别为隐层神经元节点和输出层神经元节点的权向量;m取 20;L取 1;f为非线性转移函数,本文取 Sigmoid函数

学习初期取η=0.9。经若干次学习后,神经网络得以稳定。

获得稳定的神经网络后,利用预报暴雨强度,可以回代得到与预报暴雨强度对应的桥梁水位。水位确定后不难确定相应流量,并使用相应公式求得冲刷深度等指标。

4 实例

4.1 京广线金鸡湾桥

图 2是京广线金鸡湾桥的历史水位图,图中虚线为计算机作模态识别后留下的中间结果。表 2是与图 2对应的雨量和水位纪录。经过 100 000次学习后,网络达到稳定状态。金鸡湾桥人工神经网络的学习过程见图 3。

使用“铁路桥涵水文检算系统”[5]计算金鸡湾桥的情况见图 5。

表 2 金鸡湾桥日最大暴雨与水位关系表

图 4 使用“铁路桥涵水文检算系统”计算金鸡湾桥

4.2 沪昆线占卜桥

占卜桥的原设计流量 Qp=523m3/s;使用江西省单位线法,得其百年一遇的流量Qp1=521m3/s;使用本文方法,得其百年一遇流量

可见本文方法所得流量与江西省单位线法的结果比较接近。

4.3 泰肥线滂河桥

滂河桥的原设计流量 Qp=910m3/s;使用山东省单位线法,得其百年一遇的流量Qp1=910.6m3/s;使用铁四院法,得其百年一遇的流量 Qp2= 936.6m3/s;使用本文方法得百年一遇流量907.3m3/s;

可见本文方法所得流量与山东省单位线法的结果比较接近。

5 结论

①本文提供的小流域流量计算方法,是从雨量直接到桥下水位。不需要确定流域参数,不但减少了工作量,也减少了许多出错的机会。

②BP网络方法是一种成熟的数学工具。本文引用这种方法计算的结果比较稳定、可靠。

③这种方法可以应用到既有中小桥抗洪能力评估上。设计新桥需要使用传统方法计算流量,因为新桥没有历史水痕可以利用。但既有中小桥上有水痕可以利用,加上气象部门记录的雨量参数,就满足了本文方法依靠的 2个基础——雨量和水痕高程。在经过几十年的运用后,既有中小桥都有水痕高程可以利用,有的甚至已经遇到了百年一遇的暴雨(如金鸡湾桥),显然利用这一水痕高程是十分可靠的。

④这种方法可以应用到既有线中小桥水害预测上。随着技术的进步,如多普勒气象雷达站的建立、雨量站网的改善等,雨量专业预报的精度将会不断提高。只要获得未来雨量的预测值,就可以将它代入神经网络确定相应的水位值,及时预报桥梁水害,这对于合理安排抗洪的人力、物力是十分有用的。

[1] 肖盛燮,凌天清,陈世民 .公路与桥梁抗洪分析[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[3] 韩力群 .人工神经网络理论、设计及应用[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4] 文雨松,张大伟 .铁路桥涵可视化水文检定[M].长沙:中南大学出版社,2003.

[5] 潘志祥,等 .湖南省大型水电厂流域专业天气预报方法研究[M].北京:气象出版社,2000.

P457

B

2010-09-10

邹希云 (1952-),男,高工,主要从事天气预报工作。

1003-6598(2010)增刊 -0023-04