肯尼亚蒙内铁路桥涵水文计算分析

2014-07-25石晋涛

铁道勘察 2014年6期

关键词：汇水东非理查德

石晋涛

(中交铁道勘察设计院有限公司,北京 100088)

肯尼亚蒙内铁路桥涵水文计算分析

石晋涛

(中交铁道勘察设计院有限公司,北京 100088)

肯尼亚没有系统的洪水水文统计资料，且无成熟的洪水流量预测方法。结合肯尼亚某铁路项目，针对东非地区的气候地形地貌特点，在沿线调查研究，收集水系、气象、水文等自然特征及历年洪水资料的基础上，综合考虑各方面因素，确定了适用于本地区的桥涵水文计算方法。研究表明:东非洪水模型法在预测中小型流域洪水流量上较适用，理查德推理法在预测大中型流域洪水流量上较适用，结果可为东非地区的水文计算分析提供参考。

蒙内铁路水文分析东非洪水模型法理查德推理法

1 工程概况

蒙内铁路是肯尼亚近百年来建设的首条新铁路，是东非铁路网的咽喉，也是东非次区域互联互通重大项目。铁路正线全长480 km，设计时速120 km，采用中国国铁Ⅰ级标准[1]，桥涵设计洪水频率为1/100。线路起点为港口城市蒙巴萨，向西北与A109国道并行到达首都内罗毕。

肯尼亚沿海为平原地带，其余大部分为平均海拔1 500 m的高原。降雨呈季节性分布，每年有两个雨季，主要雨季通常从六月底持续到九月底，小雨季从二月底持续到五月中旬，其余几个月通常比较干燥。沿线较大的河流有沃伊河、阿西-加拉那河、基博科河、察沃河，其余中小河流为该四大河流的支流，其水系见图1。

2 水文计算方法选择

设计洪峰流量的推算通常有水文统计分析法、历史洪水调查法以及暴雨径流推算法[2][3][4]。水文统计分析法依赖于多年系统的水文记录，应用概率论原理，对实测水文资料分析统计，从而推求出规律性并预估一定时间内的洪峰流量。历史洪水调查法则主要通过实地调查洪水痕迹，查找有关的自然地理和水利治理历史文献等措施来确定洪水发生年份和大小。暴雨径流推算法主要适用于由于暴雨形成洪水的流域洪峰流量计算。

本铁路项目沿线没有水文观测站，对沿线的大型河流无详细的年份流量水位记录，因此无法采用水文统计分析法。根据参考文献[5，6]，本铁路沿线有21个雨量观测站，雨量记录年份都在10年以上，因此本工程对于由暴雨形成洪水主要来源的流域，可以采用暴雨径流推算法。根据已收集到的适用于东非地区气候特点的暴雨径流公式，主要有东非洪水模型法和理查德推理法。沿线的特大型流域，如察沃河、基博科河、阿西河，其流域面积都达到上千平方公里，其河流源头可以追溯到非洲第一高峰——乞力马扎罗山，其洪峰成因不仅与降雨有关还与乞力马扎罗山的冰山融雪有关。因此，对于沿线的特大型河流采用历史洪水调查法。综上所述，铁路沿线的沃伊河、阿西-加拉那河、基博科河、察沃河等特大型河流的洪峰流量计算采用历史洪水调查法推算，其具体方法本文不再赘述；占本铁路沿线90%以上水文计算工作量的季节性河流则采用暴雨径流推算法。

图1 蒙内铁路沿线水系

铁路沿线的河流流域面积从几平方公里到几百平方公里不等，流域类型变化也较大，有必要对已有的暴雨径流公式进行分析研究，验证其适用性，并选取适当的参数。参考文献[7]的验证方法拟沿全线约每隔20 km选取一个典型工点，采用历史洪水调查法(形态勘测法)对比分析。由于东非洪水模型方法及理查德推理法在国内尚没有完整的文献资料，因此首先对这两种暴雨径流计算方法作较完整的介绍，在第三节中再对两种方法详细验证分析。

2.1 东非洪水模型[8]

这种方法是由建立在对肯尼亚和乌干达有代表性的13个小型流域进行4年的观测研究上确定的。

东非洪水水文模型主要由以下两部分组成：

①一个线性的蓄水模型用来预测流量，应用于降雨开始时到洪水进入河流水系之间这段时间。

②运用有限差分法确定洪水到水流汇集点的路径过程。

(1)计算参数

洪水的聚集能力与暴雨期间的降水量有关。由于土壤特性不同和土壤饱和度不同，一些流域的土壤有弱渗水性。在不降水时土壤表层变干，这就导致了在刚开始降雨时土壤具有高渗透性。设定一个名为初始滞留值的水量存储值，用此来代表在洪水径流发生前土壤渗水存水量，在洪水水文的基准期内，径流量通过降雨较少时的初始滞留值和洪水水文相关的折算汇水面积来计算。

折算汇水面积通过实际汇水面积和面积系数的乘积来计算，面积系数通过以下三个系数来计算。

①面积标准系数Cs：与集水坡度、土壤类型[9]和排水情况相关。

②流域湿度系数Cw：要考虑土壤初始湿度和土壤水分补给能力，土壤水分补给值(SMR)，可通过大暴雨(降水量超过50 mm)的代表样本值和可能已有地质情况指数的平均值来计算。

SMR=∑P-∑E，其中∑P=前30天内的降水量；∑E=在同样时间内的水分蒸发量，通过潜在的蒸发能力和相关植物系数来确定。

因此，潮湿地区的SMR>75 mm，干燥地区的SMR<75 mm。

③土地利用系数[9]CL：要同时考虑土地使用情况和整个流域河谷上的植被覆盖情况。

水文基准期TB由以下几部分组成。

①降雨时间Tp：暴雨降雨量达到60%时的时间。

②表层洪水的衰退时间TR：即土壤蓄水后的溢流值下降到初始值的十分之一所经历的时间，其值为2.3K，其中K是土壤蓄水作用的延迟时间。其时间值也即流量曲线从一个线性蓄水曲线下降到初始值的1/3时所需要的时间。

③洪水衰减时间TA：则通过在基准期内主要河流的长度和坡度以及平均流量来计算。

(2)计算公式

东非洪水模型水文公式中的流域参数通过详细的现场调查，并参考相关的地质分类图[10]来确定。设计洪峰流量的基本公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，CS为草地集水区面积系数的基本值；CW为流域湿度系数；CL为土地利用系数；CA为面积系数；TB为基准时间/h；TP为降雨时间(强降雨的持续时间)/h；TR为表层洪水的衰退时间，为2.3倍的集水滞后时间(K)/h；TA为河流体系洪水坡的衰退时间/h；L为主流长度/km；Q′为基准期内的平均洪水流量/(m3/s)；S为主河道的平均坡度；RTB为基准期内的降雨量/mm；n为与地区有关的常数；RTp为与重现期相关的降雨量/mm；ARF为面积折减系数；A为汇水面积/km2；P为与基准期相当的的时间内的暴雨量/mm；Y为初始保留值/mm；Ro为径流的总流量/m3；Q为设计峰值流量/(m3/s)；F为由滞后时间K确定的峰值流量系数，K小于0.5 h，F=2.8，K大于0.5 h，F=2.3。

用上述方法进行水文计算，相关系数选取参照表1到表5。

表1 基本面积系数CS

表2 汇水区湿度系数Cw

表3 土地利用系数CL

表4 集水滞后时间K和峰值流量系数F

表5 不同区域降水时间Tp和指数n的取值

需要注意的是，计算TA的公式中用到平均洪水流量Q′，而Q′是未知的。一般通过假设一个初值，通过迭代计算得到。

2.2 理查德推理法[11]

(1)计算公式

这种方法是基于关于持续径流强度一系列方程组确定的

(11)

式中，Qm为设计流量(流量单位)；K为径流系数，0到1.0；a为汇水面积(英亩)；i为每小时单位集水区的平均降雨强度/(inch/h)。

此方法基于以下方程组

(12)

(13)

由(2)式可得

(14)

假定T为12 h

(15)

式中，t为汇水时间；I为降雨量最大的汇水区的降雨强度/(inch/h)；i为汇水区平均降雨强度/(inch/h)；a为汇水面积/acres；f(a)为i/I的比率，是图2中给出的汇水面积的函数；T为暴雨持续时间/h；R为降雨系数；L为河流沿线汇水区的长度/mile；K为径流系数；S为汇水区的平均坡度；C为图3中给出的系数，是K×R的函数；F为24 h的最大降雨量。

这种方法考虑到降雨模式和强度，汇水区的大小、形状和坡度，以径流系数K形式表现径流特性。

(2)推理法模型参数确定

水文模型中的参数通过肯尼亚测量地形图和现场调查得出的汇水参数确定，径流系数见表6。

表6 推理法的径流系数K

注：大汇水区为面积大于50 km2，坡度大于10%。

推理方法假定条件如下：

①降雨强度在整个暴雨持续期间内整个流域上是一致的，整个流域将会形成洪水。

②最大径流系数发生在当暴雨持续时间T和汇水时间t相同时，汇水时间t是径流从流域最远处到汇水地点(水利结构评价或设计处)所需要的时间。

推理法存在的缺点如下：

汇水区没有进行蓄水考虑，大流域设计超限。

除铺砌非常好的城市小型集水区，系数K与前期降雨量有关，并且很难估计。

图2 汇水面积a与参数F(a)关系曲线

图3 参数K×R与参数C关系曲线

3 水文计算与分析

3.1 流域调查

肯尼亚全年分为雨季和旱季，雨季期间洪峰流量较大，但沿线河流居民稀少，难以走访，特大洪水调查点较少；常年洪水则冲刷痕迹明显，水位调查比较准确。调查时采用扩大调查范围对历史洪水痕迹进行洪水位调查，沿河在线位上下游调查多个常年洪水痕迹和多年最高洪水痕迹，结合收集的气象资料(降雨量)，分析出常年洪水痕迹和多年最高洪水痕迹的洪水频率。根据所实测的水面坡度及所调查的洪水位点的实际情况，确定调查河段所推算的洪水位的水面坡度。根据河段的特点来选用糙率。跨越河流多为季节性河流，大部分河道较为顺直，线位附近河岸均无防护措施；河床少部分为卵砾石，土质及砂卵石河槽，河滩长有较密杂草以及灌木。

3.2 百年流量计算

根据实测水面坡度及水文断面，计算相应频率所对应的流量，推出Q最高/Q常比值，依据比值查《桥渡水文》[2]，查得Cv值。经过水文计算及结合该河段的水流特征，确认出合适的Cv值，从而推算出该河段形态勘测水文断面处的百年一遇流量。

经过计算，得出拟建铁路沿线26个典型工点采用东非洪水模型法、理查德推理法以及形态勘测法计算的百年流量(表7)，其计算结果对比如图4所示。

表7 百年流量Q1%

图4 形态勘测法与各暴雨径流计算公式结果对比

3.3 计算结果分析

根据东非洪水模型以及理查德推理法计算的百年洪水流量与形态勘测法对比结果，可以得出如下的初步结论：

理查德推理法对流域坡度的变化反应更灵敏，流域内坡度较大时，理查德法的计算结果是东非洪水模型计算结果的数倍。

在东非洪水模型法中，参数CS、K以及F的取值对流量的计算结果影响较为显著，土地类型及汇水区类型选用不准确时，其计算结果值可相差一倍以上。

总体上，用理查德推理法计算出的洪峰流量值要大于东非洪水模型法的结果，尤其在小于100 km2的中小型流域，其计算结果值可相差数倍。

对于小于100 km2的中小型流域，东非洪水模型的计算流量值与形态勘测法较为接近，因此在小于100 km2的中小型流域采用东非洪水模型公式计算。

对于大于200 km2的大中型流域，两种方法所计算值与形态勘测法均较为接近，但理查德推理法略大，设计时采用理查德推理法。

对于100～200 km2的中型流域，两种方法所计算值与形态勘测法均有一定偏差，设计时采用两种方法计算的平均值。

4 结束语

通过东非洪水模型法、理查德推理法与形态勘测法的计算结果对比，确定了在不同规模流域的百年洪水流量估算方法，其研究结果对于合理确定蒙内铁路沿线的桥涵布设具有重要意义。由于坦桑尼亚、乌干达等东非国家与肯尼亚具有非常相似的地形地貌、气候特点，本文的研究内容对于上述东非地区的洪水估算同样有较好的参考价值，但水文模型中与地区有关的参数如区域降水时间Tp、区域指数n等参数，应结合当地具体情况确定。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2005

[2] 铁道部第三勘测设计院.铁路工程设计手册( 桥渡水文)[M].北京：中国铁道出版社，1993

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10017—1999铁路工程水文勘测设计规范[S].北京:中国铁道出版社，1999

[4] 许志强，贺艳丽.内蒙古高原地区铁路水文分析研究[J].铁道勘察，2012(6):36-38

[5] Kenya Railways Corporation. Assessmentof Bridges and Culverts on Nairobe-Momba Railway Line[R]. Kenya: 1995

[6] G.O.K， Ministry ofWater Development. RainfallFrequency Atlas ofKenya[R]. Kenya: 1978

[7] 刘敏.浅谈小径流验证[J].铁道勘察,2012(1)：43-46

[8] Fidds D. TRRL East African Flood Model[R]. United Kingdom: Transport and Road Research Laboratory，1976

[9] G.O.K， Ministry of Agriculture， Kenya Soil Survey[R]. Kenya:1992

[10]G.O.K， Department of Mines & Geo1ogy.Geological Reports [R]. Kenya: 1992

[11]Richards B D. FLood Estimation and Control[M]. London： Chapman & Hall Ltd，1955

HydrologicalAnalysisofBridgesAndCulvertsonMombasa-NairobiRailwayLine