塞拉利昂新建铁路工程小流域径流计算方法研究

2016-12-30侯杰平

铁道勘察 2016年6期

关键词：塞拉利昂计算公式水文

侯杰平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

塞拉利昂新建铁路工程小流域径流计算方法研究

侯杰平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

对国内外较常用的水文计算公式进行研究，根据收集资料和现场勘测资料，采用广东省洪峰流量经验公式Qp=C2×H24P×Fn，利用塞拉利昂水文站实测资料推算水文公式中的参数值，通过现场勘测，筛选10处较为可靠的小流域工点，按形态法计算出百年流量，并利用现场勘测工点的计算流量对经验公式参数进行修正，重新拟定出从理论依据及现实效果上均能更好地适应塞拉利昂地区铁路沿线中小河流的暴雨洪水计算方法。

塞拉利昂水文计算水文勘测形态法参数修正

1 工程概况

塞拉利昂地处非洲西岸(见图1)，属热带季风气候区，高温多雨，干、湿季分明，年平均降雨量达2 000～5 000 mm，是西非降雨量最多的国家之一，洪水几乎每年都会爆发。

2014年，铁三院承担了新建塞拉利昂矿石铁路专用线项目的勘测设计工作。该项目位于塞拉利昂中部和南部，基本为北-南走向(见图2)，线路起点位于潘帕河西侧唐卡里里矿区，终点位于大西洋海边普杰洪港，线路全长227.410 km。因设计要求，需要对沿线中小河流及沟谷进行设计洪峰流量计算，以确定线路高程和桥涵孔径规模。同时，通过对本地区水文计算方法的研究，为以后西非地区铁路建设提供水文计算方面的参考。

图1 非洲水系流域和塞拉利昂位置

图2 塞拉利昂唐克里里至普杰洪矿区铁路工程地理位置示意

2 小流域径流计算公式研究思路

塞拉利昂经济欠发展，现为全世界最贫穷的国家之一，基础设施建设相对滞后，水利工程方面的基础设施较少，内战不断，2002年战争才趋近尾声，以上水文计算公式所需很多参数都没有记录。勘测期间收集到了《设计资料汇编—塞拉利昂》书籍资料，记录了一些水文站的降雨资料，主要为20世纪70年代以前的日降雨量资料，其中离线位最近的为博城水文站。该水文站位于全线中间位置，记录了20年左右的日降雨量资料，通过对比以上水文计算公式以及收集到的水文资料和塞拉利昂国内现场水文勘测资料情况，本次塞拉利昂新建铁路工程小径流流量计算公式拟采用广东省洪峰流量经验公式Qp=C2×H24P×Fn，其中参数Qp为设计频率流量，C2为随计算频率而变化的频率系数，H24P为24h不同频率的降雨量，n为地区暴雨点面折减系数，F为汇水计算面积。

通过收集的水文资料初步推算经验公式中的参数，再根据现场调查资料采用形态法[5，9，10]计算每个调查工点的流量，通过对比此经验公式和形态法的流量计算结果，验证经验公式是否合理，并根据工点形态法计算流量结果修正经验公式中的参数C2、n。

3 小流域径流经验公式确定参数计算方法

3.1 水文计算公式

本次铁路工程水文计算公式初步拟采用小径流流量计算经验公式

QP=C2×H24P×Fn，

式中 QP——频率为P的暴雨流量/(m3/s)；

H24P——24h内频率为P的暴雨量/mm；

n——地区暴雨点面折减系数，暂取0.84；

F——流域面积/km2；

C2——参数，按表1查用。

表1 C2参数查用

3.2 H24P的计算

通过收集的博城水文站降雨资料，可得本地区1955年～1972年日最大降雨量，根据收集的降雨量资料推求经验公式中的参数H24P。其每年最大日降雨量见表2(塞拉利昂博城水文站，其中：1inch=25.4mm)。

表2 博城水文站1955年～1972年日最大降雨量 inck

首先将每年日最大降雨量按历年降雨量递减顺序排列，如表3。

表3 每年日最大降雨量按历年降雨量递减顺序排列

适线法修正：偏差系数按Cs=2.0，2.5，3.5，…，CV取值，假定Cs=3CV和Cs=4CV，查《水文手册》附表，得出两条理论频率曲线(如图3)，很明显，两条曲线的坡度很平缓，说明计算出来的Cv偏小，需要调整Cv值。

图3 频率曲线关系

令Cs=3.5CV，由公式

计算得σcv=0.075。

因此得CV=0.36+0.075=0.435，采用CV=0.44，再重新绘制理论频率曲线(如图3)，该理论频率曲线与经验频率点配合良好。

最后采取CV=0.44，Cs=3.5CV。

3.3 参数及系数的确定

通过表1可查得百年一遇参数C2=0.053，通过推算得百年一遇H1%=360.60 mm，由于塞拉利昂与我国广东省气候类似，所以指数n根据广东省经验值暂取0.84，最后得出百年一遇初步流量计算公式为Q1%=0.053×360.60×F0.84，即Q1%=19.11×F0.84。根据铁三院桥渡水文计算公式，可得50年一遇流量计算公式为Q1%=1.125Q2%，即Q2%=0.889Q1%

4 形态法小径流计算

通过实地调查，确定所调查河流的历史洪水位及相应的洪水频率；其次，根据实测河流断面、河床坡度及按河床特征确定的糙率，用谢才—曼宁公式[11，12]计算所调查历史洪水的流量；利用本地区的偏差系数(Cs)、变异系数(Cv)及调查洪水的重现期流量，推求设计流量换算系数X(T1/T2)，进而推求百年流量。

4.1 小流域径流验证工点水文调查情况

本次现场水文勘测共对29个小径流工点进行了调查记录整理，包括被调查人情况、调查谈话资料及调查资料的可信性评价，并通过该调查资料确定所调查洪水的历史重现期。

通过对29个小径流工点进行可信度筛选，选取了其中10处较为可靠的小径流工点作为本次推求百年流量计算公式的依据，验证工点信息见表4。

由于篇幅限制，本次调查工点只列两处情况说明。

(1)小径流验证工点一

流域内地势较陡，杂草灌木丛生，河槽两侧生长有高大乔木，宽约10 m，深约6 m，桥下水流深0.5 m，河水清澈，无淤积，有杂草灌木丛生河床地质为岩石，河底平顺。此处有一座废钢轨搭成的简易桥，经询问当地居民，最大洪水位距桥面约0.5 m，几乎1～2年发生一次。经过现场调查询问和分析，此洪水位按2年一遇考虑。

(2)小径流验证工点七

流域内地势略有起伏，杂草灌木丛生，河槽两侧生长有高大乔木和茂密灌木杂草，流域内冲沟较多，主槽宽约20 m，验证工点处有一既有Doowaye River公路桥梁，跨度为2～10.9 m，净高4.6 m，桥下水流浑浊，水深约1 m。据当地酋长Gbondo(65岁)介绍，此处既有公路桥修建于1985年，从该桥建成通车至今，桥梁尚未遇到淹没该桥的洪水。本地区大概每年8月份～10月份为雨季，降雨量都会很大，洪水时，水位都会到达距离既有桥梁底下约1.5 m的位置，每隔3～5年发生一次。经过现场调查和分析，采用酋长所指认梁底以下1 m作为历史洪水位，洪水重现期按5年一遇考虑。

表4 小流域径流验证工点信息

4.2 形态法计算百年流量

根据现场小径流1～10号验证工点调查情况，按形态法计算验证各工点流量，并换算成百年流量，各工点流量计算结果见表5。

表5 小流域径流验证工点流量计算结果

5 形态法与经验基本公式流量计算结果对比分析及参数修正

5.1 形态法与经验基本公式计算结果对比

小流域径流百年一遇流量计算经验公式经由以上推算得Q1%=19.11×F0.84。各小流域验证工点由经验公式和形态法计算的百年一遇流量结果见表6。由表6可见，经验公式计算结果略小于形态法计算结果，但两者流量计算结果吻合较好，故本铁路工程小流域径流流量计算公式可采用由经验公式推算得出的流量计算公式Q1%=19.11×F0.84。

表6 小流域径流验证工点经验公式和形态法流量计算结果对比

5.2 经验公式计算参数修正

由以上计算结果对比可得，该经验公式基本上符合该地区小流域百年流量的计算，为了使该流量计算公式各参数取值更加准确，现对公式Q1%=19.11×F0.84中的参数C2×H24P、n，利用形态法计算流量结果进行修正(见图4)。通过拟合法修正参数得C2×H24P=19.99，n=0.85，则百年一遇供水流量计算公式为Q1%=19.99×F0.85，从而得50年一遇流量计算公式为Q2%=0.889Q1%。

图4 参数修正时百年流量与计算流域面积关系

6 结论

小流域暴雨径流计算和流域内的气候、地貌、地形、地质等情况有着很大的关系。本次勘测在5万图上搜索小流域方位，走访当地老乡进行洪水位调查，实地勘测水坡和水文断面，分析筛选出10处较为典型的小流域作为验证工点，根据勘测的水文资料，采用形态法对以上10处小流域流量进行逐一计算和分析。其次，通过收集来的塞拉利昂本地24 h降雨资料，推算出经验公式中的基本参数H24P，得出经验公式基本形式为Q1%=19.11×F0.84，通过经验公式和形态法流量计算结果对比分析可知，经验基本公式Q1%=19.11×F0.84可满足本地区小流域径流流量计算要求。为了使经验基本公式各参数更加准确，采用形态法流量计算结果对其参数进行了修正，得Q1%=19.99×F0.85， 50年一遇流量计算公式为Q2%=0.889Q1%。

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