浅谈小径流验证

刘 敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

本线从新郑机场南站接出，自东向西经新郑、新密、登封、伊川四个县级市，接入洛阳龙门站。

1.1 地形地貌

沿线主要位于丘陵区，地形呈波状起伏，冲沟发育，相对高差变化较大，东部及洛阳地区地势较为平坦，一般海拔200～500m。新郑市低山外围和西北部为山前坡洪积岗地，京广铁路以东多沙丘岗地;新密市地势西北高、东南低，西、北、南三面环山，矿产资源丰富。登封地形以山地丘陵为主，穿过嵩山南麓地区地势最高，且沟壑纵横。

1.2 水系

本线经过淮河、黄河两大流域，主要分为双洎河、颍河水系和伊河、洛河水系。

双洎河为淮河支流，发源于河南郑州登封，流经新密、新郑后转向东南，从新郑市黄湾出境，在许昌市境内汇入贾鲁河。

颍河发源于嵩山南麓，流经登封、禹州、襄城、许昌、临颍、西华、周口、项城、沈丘，于界首入安徽省。省界以上河长418 km，流域面积34 400 km2。颍河南岸支流有沙河、汾泉河，北岸支流有清潩河、贾鲁河、黑茨河。沙河是颍河的最大支流，发源于鲁山县石人山，流经宝丰、叶县、舞阳、漯河、周口汇入颍河，河长322 km，流域面积12 580 km2。

伊河发源于熊耳山南麓栾川县陶湾乡三合村闷敦岭，经嵩县、伊川、洛阳市到堰师杨村与洛河相汇，汇流口以上河长264.8 km，流域面积6 029 km2。伊河干流情况大体上可分为三段:嵩县岩口以上为上段，河长154 km，主要是峡谷小盆地交替出现的束放串珠式河床，峡谷长占河长的65%左右，峡谷谷深河窄，两岸峭壁嶙峋，水面仅宽20～40m，水流湍急形成多级跌水。从岩口到龙门为中段，河长70.1 km，除陆浑、龙门两卡口外，都较开阔，河段为阶地和浅丘相连;龙门以下为下段，河长40.7 km，两岸更为开阔，河道展宽，尤其左岸为伊洛河夹滩低地，两岸靠堤防束水。

1.3 气象气候

沿线地区属暖温带大陆性季风气候区，呈半湿润半干旱状态，四季的主要气候特征是:冬季寒冷而少雨雪，春季干旱而多风沙，夏季炎热而易水涝，秋季晴朗而日照长。

各地年平均气温在12～15℃之间，由南向北递减。西部与西北部山地，年平均气温，最低为12.1℃。极端最低气温在-17.4℃以下。极端最高气温在42.7～44.2℃之间，伊洛河盆地高达44.2℃，向南、北递减，在40.2～41.7℃之间。日平均气温大于等于10℃的日数为200～220 d。

河南省无霜期大致在190～230 d之间，日照时数在2000～2 600 h之间。

1.4 径流条件

本线经过地区多为丘陵地区，径流明显，源短流急，沿线水库星罗棋布，对径流影响明显。

1.5 降雨特点

全省的降雨主要集中在汛期。汛期雨量又往往集中在几次暴雨或一、两次暴雨之中。7月下旬至8月上旬，是全省最易出现大暴雨的时期，习惯上称“七下八上”。夏季东南暖湿气流进入河南省境，降水较多，一般6～9月的雨量占全年降水量的50%～70%。冬季受蒙古高压控制，盛行于冷气流，降水很少。降水量年际之间的变化也很大，最大年降水量与最小年降水量相差达2.5～3.5倍。郑州和洛阳市多年平均降水量分别为637.8 mm和699 mm。

2 验证方法及公式说明

2.1 计算方法

本次勘测利用河南省暴雨径流计算公式、铁三院暴雨径流计算公式、铁四院暴雨径流计算公式计算出的百年流量与形态法推算出的流量进行比较分析，确定小流域地区的暴雨径流公式计算办法和各参数的采用。

2.2 公式说明

(1)形态法

用调查所得到的历史洪水位和确定的重现期，根据河流的断面和坡度计算出在这一水位时的流量，利用本地区的偏差系数(CS)、变异系数(CV)两者之间的关系和重现期流量，推求设计流量换算系数X(T1/T2)值(《水文手册》P509页的附表)，来推求百年流量。

(2)河南省地方公式

①设计暴雨量计算

山丘区设计暴雨时段采用 10 min、1 h、6 h、24 h。设计暴雨参数均值和变差系数Cv分别由2005年《河南省暴雨统计参数等值线图集》(下称2005图集)中相应历时等值线图上的流域重心点处读取，偏态系数Cs选用3.5Cv。通过1984年《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(下称84图集)中的短历时暴雨时面深关系图查得点面折减系数，求得面雨量。

24 h设计雨型采用长短历时雨量同频率相包型式雨型时程分配，各时段雨量由下式计算

式中 H1p、H24p——设计 1 h、24 h 雨量/mm;

t——设计历时/h;

n2、n3——设计面雨量递减指数。

②产流计算

山丘区24 h设计净雨量用84图集山丘区降雨径流关系p+pa～R(Ⅵ-1)线查得，最大初损为60 mm。

③设计洪水计算

24 h洪量计算:

由24 h各种频率设计净雨量，乘以流域面积得到设计洪水总量。

计算公式为:W24=RF1000

设计洪峰流量计算:

设计洪峰流量采用推理公式计算

式中Qm——设计洪峰流量/(m3/s);

Ψ——洪峰径流系数;

F——流域面积/km2;

L——干流长度/km;

J——L的平均坡度;

S——设计最大1 h雨量平均强度/(mm/h);

μ——平均入渗率/(mm/h);

m——汇流参数;

n——设计暴雨递减指数，当 τ＜1 h，代入 n1，τ=1～6 h代入 n2，τ=6～24 h代入 n3，求得各种频率设计洪峰流量。

设计洪水过程线:

采用三角形概化过程线叠加法计算。

根据24 h暴雨时程分配计算逐时降雨量，用扣渗法计算逐时净雨量。

将设计洪峰(主峰)的Qm和τ，对应τ时段的最大平均净雨强度，绘出概化等腰三角形，其顶高为Qm，底宽为 2τ。

列表计算出主峰τ前后各个τ时段的净雨量Rτ，按式Qm=0.278Rτ/τ×F计算各个τ时段的洪峰流量，按等腰三角形对应于净雨过程叠加得24 h洪水过程线。

注:汇流区域多为50 km2以内，点面折减系数均取1;本次勘测只采用流量计算公式计算，不再采用其他方法。

(3)铁三院公式

根据本次勘测范围内的地形为山丘区，选用如下公式

山丘区 当ap=Sp/tn时

式中，β0、r0、m0、A4均为参数，可从《水文手册》P90页表5-21查取。

P0可按下式计算

N0可从《水文手册》P90页表5-21查取。

g0可按下式计算

式中 n——为暴雨衰减系数。

L4——流域长度，从分水岭算起/km。

I4——流域坡度，从分水岭算起，用加权法计算。

F——流域面积/km2。

η——为暴雨点面折减系数，从《水文手册》P83页表5-8查取。

(4)铁四院公式

根据华东、华中地区特点制定如下公式

式中 Rp——设计净雨深/mm;

t0——净雨历时，t0取6 h或24 h;

B5——雨型系数，从《水文手册》P91页表5-23查取;

E——与坡面自然特征及产流条件有关的参数，可按可按下式计算

式中 I2——流域坡面平均坡度/‰;

bc——坡面平均长度/m。

D——反映河槽与山坡调蓄能力的参数，可按下式计算

式中 kA——断面系数，可按下式计算

其中:a0值应取高水位时过水全面积ω及其最大水深hm，按下式计算

式中 I1——主河槽平均坡度/‰;

m1——可从《水文手册》P94页表5-24查取;

k0——与坡面流速有关的参数，可从《水文手册》P94页表5-25查取;

A5——洪峰削减系数，随E、D而变，从《水文手册》P92、P93页图5-8或图5-9查取。

3 验证过程

在1：50000图上和收集的资料中可以看出，沿线各小流域上游多有水库，且多源短流急，经过分析和调查，列举三个工点作为验证的依据。

3.1 验证一:曲河支流

地点:伊川市彭婆乡袁庄村。

基本数据:

F(汇水面积)=28.02 km2;

L(流域长度)=11.59 km;

I(流域坡度)=0.018 5。

(1)形态法

被调查人为47岁的袁先生，他述说每年雨季河中均有不同程度的大水，2010年洪水属于常见情况，水位到达树干上挂藤蔓处，经分析可以作为2年一遇洪水。他还指认20世纪70年代洪水位没既有公路石拱桥桥墩顶部，经现场查看，水位到达桥墩顶部应为无压流，不考虑公路桥孔的束水作用，重现期暂按40年一遇考虑。

测得水坡和断面后，通过《河南省暴雨参数图集》查得本工点Cv值取0.55，Cs=3.5Cv。用QLSW软件计算得出结果，查取《桥墩水文》中XT1/T2值推算得Q1/100分别为599.2m3/s和633.1m3/s。

经分析，重现期推断基本上准确，最终采用:Q1/100=599.2m3/s。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨参数图集》雨量及《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》的相关参数，水文分区为Ⅴ区，得出Q1/100=629.20m3/s。

(3)三院法

从《河南省暴雨参数图集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=771m3/s。

(4)四院法

根据形态法采用汇水面积和水深推算流量结果，得出Q1/100=497.31m3/s。

3.2 验证二:后河(颍河中源)

地点:登封市石道乡焦窑村。

基本数据:

F(汇水面积)=27.11 km2;

L(流域长度)=8.82 km;

I(流域坡度)=0.029。

(1)形态法

被调查人为61岁的侯女士和31岁的张先生，侯女士告诉我们此段河沟每年都有大水，且都能没到河边水囤顶上;张先生跟我们指认了1997年水位能到水囤北侧的第一阶麦田上。经过推断，分别按重现期2年和25年考虑。

测得水坡和断面后，通过《河南省暴雨参数图集》查得本工点Cv值取0.53，Cs=3.5Cv。用QLSW软件计算得出结果，查取《桥墩水文》中 XT1/T2值推算得Q1/100分别为837.9m3/s和840.7m3/s。

经分析，重现期推断基本上准确，最终采用:Q1/100=840.7m3/s。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨参数图集》雨量及《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》的相关参数，水文分区为Ⅲ区，得出Q1/100=864.45m3/s。

(3)三院法

从《河南省暴雨参数图集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=1 166m3/s。

(4)四院法

根据实际情况，确定出各个参数的取值，有公式得出Q1/100=587.38m3/s。

3.3 验证三:石淙河(纸坊水库上游)

地点:登封市唐庄乡三亩汃村。

基本数据:

F(汇水面积)=37.93 km2;

L(流域长度)=9.05 km;

I(流域坡度)=0.037 9。

(1)形态法

被调查人为74岁的韩先生和56岁的曲女士，他们一致认为1997的洪水较大，可达大国坪村公路拱桥下30 cm左右，重现期按25年考虑。他们记忆中20世纪70年代有一次更大的大水，但不能确定具体年代，洪水位描述不够准确，不予采用。

测得水坡和断面后，通过《河南省暴雨参数图集》查得本工点Cv值取0.53，Cs=3.5Cv。用QLSW软件计算得出结果，查取《桥墩水文》中XT1/T2值推算得Q1/100为 1 274.7m3/s。

经分析，重现期与后河工点重叠，本工点流量可以采用。

(2)河南省地方公式

查《河南省暴雨参数图集》雨量及《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》的相关参数，水文分区为Ⅲ区，得出 Q1/100=1 424.16m3/s。

(3)三院法

从《河南省暴雨参数图集》中查得雨量值推算雨力Sp值，求得Q1/100=1 148m3/s。

(4)四院法

根据实际情况，确定出各个参数的取值，由公式得出Q1/100=1 267.70m3/s。

4 计算结果

本次勘测在一个多月的紧迫时间内完成。该地区地形较为复杂，线位所经之处既有山区，也有丘陵，同时还有平原。通过大量的洪水位调查和实地勘测及筛选分类，选出了以上较为典型的小面积流域作为验证的工点，计算结果如表1、表2、表3所示。

表1 地方公式计算结果

表2 铁三院公式计算结果

表3 铁四院公式计算结果

5 验证分析

流量对照如表4所示。

表4 各方法和公式流量对照

流量比例如表5所示。

表5 各方法和公式流量比例对照

6 结论

通过以上的验证工作及比例图表的数据处理，可以清楚地看出:河南省地方公式法的数据曲线和形态法的数据曲线最为接近，表明计算出来的流量和形态法的流量最为接近，适合本次勘测范围内的小流域的流量计算。

结论:通过本次郑州至登封至洛阳城际铁路小径流验证得出，采用河南省地方公式法计算流量较为合理。

［1］铁道第三勘测设计院.桥渡水文［M］.北京:中国铁道出版社，1999

［2］铁道第三勘测设计院桥梁处.小流域暴雨径流计算资料汇编［G］.天津:铁道第三勘察设计院，2009

［3］TB 10017—99 铁路工程水文勘测设计规范［S］

［4］TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］