金建高速铁路大中河流水文计算分析

董月龙

（中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600）

金华至建德高速铁路（简称金建铁路）位于我国浙江省西南部，线路自金华站引出后，沿兰江通道走行于兰溪市东侧并设兰溪东站，走行于兰江西侧，于建德市大洋镇西侧设大洋站后，自建德市梅城规划区跨越新安江引入杭黄铁路。线路正线全长65.07 km。

1 沿线河流水系特征

新建金建高速铁路沿线主要河流有金华江、兰江和新安江，均属于钱塘江流域，兰江和新安江汇合后汇入下游的富春江。

1.1 金华江

金华江为钱塘江支流，发源于浙江省金华市磐安县大盘山山脉，经浙江省金华市区后与衢江汇流为兰江。金华江由东阳江和武义江两大支流汇流而成，干流长160 km，流域总面积为6 840 km2。沿线多河谷盆地，干流河段，比降3.1‰，河宽250～700 m。

1.2 兰江

兰江为钱塘江支流，发源于安徽省休宁县青芝埭尖东麓，经浙江省开化、常山、衢州、龙游、兰溪，至建德市梅城后与新安江汇合流入钱塘江干流，流域面积19 468 km2，河长302.5 km。沿线多河谷盆地，干流河段，比降2.6‰，河宽400～650 m。

1.3 新安江

新安江为钱塘江支流，发源于安徽省休宁县冯村乡六股尖，经浙江省涥安县、新安江城区、洋溪、下涯、杨村桥，至建德市梅城后与兰江汇合流入钱塘江干流，流域面积11 674 km2，干流长度359.0 km。沿线多河谷盆地，干流河段，比降3.7‰，河宽300～650 m。

2 大中河流设计流量的计算

2.1 方法概述

大中河流可用的流量计算方法有数理统计法［1-2］、形态调查法［3］、流域面积比拟法［4］（流域面积内插法）、地方经验公式［5］和水电推理公式法。根据金建高速铁路沿线河流的情况采用其中的两种或三种进行计算和验证。以下对各种方法的优缺点及适用范围进行详细叙述。

2.1.1 数理统计法

根据水文站的历年观测流量序列，应用概率论的原理，对实测水文资料进行分析，确定出相应的曲线参数，再根据曲线方程延长观测序列，求得相应设计频率的流量［6］。

该方法理论严密，结果精度高，但是所需数据量大，必须有足够年限的流量观测序列。

2.1.2 形态调查法

根据实地调查访问，确定历史洪水发生的时间、洪痕、洪水规模、重现期等数据，实测正交水文断面及河床纵坡，利用流量 - 水位关系反推出流量。

2.1.3 流域面积比拟法（流域面积内插法）

选用相邻的自然地理条件同属一水文气象分区且流域面积接近、降雨特点相似的水文站为参证点，计算公式为：

式中：F设——设计断面流域面积（km2）；

F参——参证站控制流域面积 （km2）；

QP参——参证站相应频率洪水流量（m3／s）；

n——面积比指数，当n = 1时即为流域面积内插法，可根据本河流域或邻近河流按照上式反求，一般大中河流n = 0.5～0.7，较小河流n≥0.7。

限制使用条件：当上下游的两流域面积相差10%～20%，流域内自然地理条件比较一致，降雨比较均匀，区间河道又无特殊的调蓄作用时，可采用此法。

2.1.4 浙江省经验公式法

地方经验公式是将洪峰流量与流域面积建立关系，并考虑山区、丘陵、平原的区别。浙江省经验公式根据主要河流实测或调查所得的历年最大洪峰流量，化为洪峰模数，点绘洪峰模数与流域面积的关系，取其外包线［7-8］，公式为：

式中：Qm——洪峰流量（m3／s）；

F——汇水面积（km2）。

限制使用条件：F的使用范围为300～20 000 km2。

2.1.5 水电推理公式法［9-10］

《水利水电工程设计洪水计算规范》中推荐的推理公式基本表达式为：

式中：Qm——洪峰流量（m3／s）；

F——汇水面积（km2）；

h——全面汇流时τ时段的最大净雨，部分汇流时单一洪峰的净雨（mm）；

τ——流域汇流历时；

m——汇流参数；

J——沿流程L的平均比降（‰）；

L——沿主河从出口断面至分水岭的最长距离。

限制使用条件：一般适用于100 km2以下的中小流域。

2.2 主要河流设计流量的计算及验证

金建高速铁路跨越浙江省金华市、杭州市境内的大中河流中，金华江、兰江和新安江设有水文站［11］。初测阶段，重点对上述河流进行了现场实测调查，同时收集了水利规划资料、水文站数据以及临近既有桥梁的相关资料。经过认真计算、分析、比较后，确定大中河流水文计算方法。

2.2.1 金华江

（1）水文站概况

金华江水文站只有金华水文站，位于金华市婺城区滨江路，控制流域面积5 953 km2，于1961年1月设立。测流断面为较稳定的宽深河道断面，水面变幅在100～350 m。测验项目有水位、流量、雨量、泥沙等。

（2）水文站资料分析计算

金华区域内的各节点位置示意如图1所示。桥址1位于金华江水文站下游10.8 km，线位处两侧堤坝间距约360 m，调查时水面宽约270 m，金建高速铁路与金华江右前角约75°。桥址2位于金华江水文站下游15.1 km，线位处两侧堤坝间距约600 m，调查时水面宽约550 m，金建高速铁路与金华江右前角约75°。

图1 金华江桥址与水文站关系图

根据金华水文站提供的洪峰流量资料进行数理统计，按金华水文站实测各年最大流量进行递减排列，推出模比系数和经验频率，在海森几率格纸上进行适线，如图2所示，计算金华水文站处金华江设计频率流量：

图2 金华江适线图

适线结果表明，采用特征值Cv= 0.58，Cs／Cv= 6.0的理论频率曲线与经验曲线吻合较好，查询《桥渡水文》一书的附录一中的“3.P -Ⅲ型曲线Kp值”［12］表格，特征值为：

（3）流量比对分析

根据金华水文站提供的资料，金华水文站Q1%=9 150 m3／s。由以上数据可以看出，由数理统计算得的流量与金华水文站提供的流量基本一致，本文选用数理统计计算值Q1%= 9 157 m3／s。

（4）桥址处流量计算

金建高速铁路跨越金华江处桥梁1和桥梁2分别位于金华水文站下游10.8 km和15.1 km处，可采用流域面积比拟法对上游水文站设计流量进行插补移用，计算公式为：

已知金华水文站集水面积5 953 km2，设计流量Q1%= 9 157m3／s。由于金华江流域仅有一个水文站，无法通过上下游测站实测资料推算出面积比指数，此处暂取保守值n = 0.7，待与其他流量对比后，如流量误差结果位于10%以内，可判定n值取值符合本公式。

金华水文站集水面积5 953 km2，设计流量Q1%=9 157 m3／s；桥址1处集水面积6 151.6 km2，桥址2处集水面积6 385.5 km2，利用流域面积比拟法计算可得桥址1处设计流量为：

利用流域面积比拟法计算可得桥址2处设计流量：

（5）现场实地调查推算流量

根据实地调查访问，询问当地居民获得桥址1处和桥址2处洪水发生时间和洪水水位高度，后经实测水文断面及河床纵坡，推算出流量。

2.2.2 兰江

兰江水文站兰溪水文站，位于兰江水文站下游10.3 km。兰溪水文站处百年流量计算方法采用数理统计法；桥址处流量计算方法采用流域面积比拟法。根据兰溪水文站提供的历年洪峰流量资料进行数理统计，在海森几率格纸上进行适线，可计算兰溪水文站处兰江设计频率流量。

数理统计算得的流量（Q1%= 17 956.8 m3／s）比兰溪水文站提供的流量（Q1%= 20 400 m3／s）小，原因主要是计算中采用的历年最大流量序列有67个，但特大洪峰流量数据偏少，计算误差大，故兰溪水文站处流量采用兰溪水文站提供的资料。

通过流域面积比拟法计算可得桥址处设计流量：

2.2.3 新安江

新安江区域内的各节点位置示意如图3所示。新安江属于钱塘江流域，新安江和兰江汇合后称为富春江。新安江上有梅城水文站，于1961年1月设立，仅测量水位和降雨量，无流量测量。

图3 新安江桥址示意图

桥址位于梅城水文站上游2 km，线位处两侧堤坝间距约580 m，调查时水面宽约540 m，金建高速铁路与新安江右前角约105°。桥址上游40 km处设有新安江水库，桥址下游30 km处设有富春江水库。

建德市新安江河段洪水流量取决于新安江水库的泄洪。根据《建德城市防洪规划》（1999.10），新安江河段不同频率设计洪峰流量成果如表1所示。

表1 新安江河段设计洪峰流量成果表（m3／s）

新安江水库大坝按1 000年一遇洪水设计，按10 000年一遇洪水校核。新安江特大桥设计洪水频率按100年一遇设计，并按300年一遇检算［13-14］。新安江水库大坝设计频率远大于新安江特大桥设计年限，因此桥址处处设计流量可直接取用大坝各河段设计洪峰流量。本桥址位于寿昌江汇合口以下新安江河段，取此处设计洪峰流量Q1%= 8 800m3／s。

2.3 主要河流设计流量的对比验证

根据数理统计法、浙江省经验公式法、水电推理公式法、形态调查法，结合流域面积比拟法、收集调查法等公式的计算对比，得到的计算数据如表2所示。

表2 大中河设计洪峰流量汇总表（m3／s）

由表2可知：

（1）从金华江2座特大桥和兰江特大桥的水文计算结果可知，水电推理公式法计算所得流量均大大超过利用数理统计法、调查收集法、浙江省经验公式法和形态调查法得出的值。由于水电推理公式适用范围为100 km2以下的中小流域，本次计算不采用。

（2）浙江省经验公式法和形态调查法得出的值比利用数理统计法和调查收集法经流域面积比拟法计算后的数值小，但计算数值较接近，误差均在10%以内，可判断得面积比指数n值取值符合本流量公式，三者计算结果较合理；金建高速铁路采用利用数理统计法和调查收集法经流域面积比拟法计算数值。

（3）新安江特大桥设计年限较上游新安江水库设计年限小，可直接采用新安江水库泄洪流量进行设计。

3 结束语

金华江和兰江桥址处流量通过数理统计法算出百年流量后与水文站作比较后，取较大值，然后通过流域面积比拟法求得桥址处流量，经与浙江省经验公式法、形态调查法对比后，取较大值为设计流量。新安江桥址处由于上游水库的特殊影响直接采用水库下泄流量确定。对于其他无详细统计水文资料的桥涵采用比较简明的浙江省经验公式确定其设计流量。本文研究方法可为浙江地区计算大中河流量提供参考。