瞬时单位线法在杨桥河中桥洪水流量计-修改稿333

瞬时单位线法在杨桥河中桥水文计算中的应用 谢 安 曾恩九 （新余公路勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院 江西 新余338000） 【摘 要】公路设计中由于水文资料缺失或收集不全致使水文计算困难，因此，寻求一种脱离历史洪水位资料的计算方法就显得尤为重要，而瞬时单位线法正是中小流域的设计洪水位计算的最佳选择。 【关键词】中小流域；设计洪水位；瞬时单位线； 0 前言 在公路设计中，往往在大多数情况下，设计单位苦于没有历史洪水位的记录资料而一筹莫展。因此，寻求一种脱离历史洪水位资料的计算方法就显得尤为重要，按照《江西省暴雨洪水查算手册》（2010版）中的瞬时单位线法计算并验证后，在水文资料缺乏的情况下，该法计算精度能满足使用要求，是公路设计的有力助手。 1 瞬时单位线法简介 1.1 适用范围 瞬时单位线法适用于控制流域面积1000平方公里以下的山丘区水文计算。 1.2 瞬时单位线法简介 瞬时单位线法是指一定面积、一定历时的单位入流，经过流域调蓄以后，在流域出口断面所形成的地表径流过程就是流域汇流曲线，如果净雨计算时段很短，趋于瞬时，相应的径流过程线称为瞬时单位线。 瞬时单位线的基本公式为： 瞬时单位线模式，主要是定量两个参数n和k值，二个参数的乘机（m1=n*k）称为单位线洪峰滞时，是一个揭示流域汇流本质的参数。参数综合分单站综合和地理综合两个环节，单站综合的目的是解决参数的非线性外延，地理综合的目的是解决参数的面上移用。取单站代表值β和m1(10)二个参数，地理指标为F/J，江西省共划分九个计算区，分区建立相关图表，参数n与流域面积F的大小有关，但n与F的关系没有明显的区域性差别，故江西省统一采用。 1.3 瞬时单位线法的计算步骤 (1)确定工程地理位置量算流域面积F、主河道长度L和主河道比降J三个参数。 (2)查算暴雨参数等值线图：根据图表得到流域中心设计历时下的最大点暴雨量Ht、偏差系数Cvt及模比系数Kp。 (3)计算流域中心设计点暴雨 (4)计算设计面暴雨 (5)按设计雨型进行时程分配 (6)经产流计算后，再计算净雨过程 (7)经汇流计算后，再计算地面径流过程 (8)确定地下径流过程 (9)设计洪水流量及洪水过程 2 实例计算 杨桥河流域位于江西省新余市分宜县的西北部，地理位置为东经114°29′～114°47′，北纬27°51′～28°08′，北邻锦江流域，南接袁河。 杨桥河中桥是新余市杨福线改建工程当中的一座中桥，跨越杨桥河。根据杨福线改建工程道路等级为二级公路，故杨桥河中桥的设计洪水频率为百年一遇。暴雨设计历时采用24小时。 (1)量算流域三个特征参数： 本桥位流域面积F=276 km2，主河道长度32km，主河道比降为8.75‰。 (2) 求百年一遇24小时点暴雨量 根据地理位置图及设计频率、Cs=3.5Cv查手册附图2-4得H24 =110mm，查附图2-5得Cv24=0.35，查附表5-2得KP24=2.11,则百年一遇24小时点暴雨量：H24(1%)=H24xKP24=232.1mm (3) 求百年一遇24小时面暴雨量 根据流域面积和暴雨历时24小时，查附图5-1得点面系数α24=0.987, 则百年一遇面暴雨量为： H'24(1%)=α24* H24(1%)=229.1mm (4)求设计暴雨24小时的时程分配 ①设计24小时的暴雨雨型 以控制时程△t=3小时查附表2-1得雨型分配表。 控制时段雨量(mm) 占控制时段雨量的百分比（%） 1 2 3 4 5 6 7 8 H3 　 　 　 　 　 100 　 　 H6-H3 　 　 　 　 100 　 　 　 H24-H6 15 15 0 30 　 　 26 14 ②查算百年一遇1、6、3小时暴雨参数 根据工程地理位置图，查附图2-6和附图2-8得流域中心最大6小时和1小时点暴雨量H1=46.2mm，H6=67mm；查附图2-7和附图2-9得Cv1=0.49，Cv6=0.34；查附表5-2得Kp1=2.69，Kp6=2.07。各数据汇总如下： H6 H1 Cv6 Cv1 Kp6 Kp1 67 46.2 0.34 0.49 2.07 2.69 百年一遇1、6小时点暴雨量为： H1(1%)= H1* Kp1=124.3mm； H6(1%)= H6* Kp6=138.7mm 3小时点暴雨量由手册公式（3-2）计算H3p=H1p*31-n2=132.93mm n2为1～6小时暴雨递减指数 1-n2=1.285lg(H6/H1)=0.061 由流域面积和暴雨历时t=1小时，t=3小时，t=6小时分别查附图5-1得点面系数如下： t值 t=1小时 t=3小时 t=6小时 α 0.96 0.964 0.968 百年一遇的1、3、6小时面暴雨量为 H'1(1%)(mm) H'3(1%)(mm) H'6(1%)(mm) 119.3 128.1 134.3 ③设计暴雨时程分配 百年一遇24小时暴雨时程分配表 时 段 △t=3h 占控制时段雨量的百分比（%） 1 2 3 4 5 6 7 8 H'3(1%) 128.1 H'6(1%)-H'3(1%) 6.1 H'24(1%)-H'6(1%) 14.2 14.2 28.4 24.7 13.3 H'24(1%) 14.2 14.2 28.4 6.1 128.1 24.7 13.3 (5)计算设计24小时净雨过程 ①扣除初损求时段总迳流量:由附图3-1产流分区可知，本工程位于产流第IV区,设计前期雨量Pa=80mm。 ②扣除稳渗求时段地面迳流量 计算设计24小时暴雨强度I'=H'24/24=9.5mm/小时 由I’=9.5mm/小时和t=24小时，查手册表2-3得fc=1.83mm/小时 净雨过程计算表 项目(mm) 占控制时段雨量的百分比（%） 1 2 3 4 5 6 7 8 H 14.2 14.2 0.0 28.4 6.1 128.1 24.7 13.3 ∑H 14.2 28.4 28.4 56.9 63.0 191.2 215.8 229.1 ∑H+Pa 94.2 108.4 108.4 136.9 143.0 271.2 295.8 309.1 ∑R总 5.4 10.9 10.9 22.9 26.1 137.5 160.5 172.9 R总 5.4 5.5 0.0 12.0 3.2 111.4 23.0 12.4 R下(3fc) 5.4 5.5 0.0 5.5 3.2 5.5 5.5 5.5 h24(1%) 0.0 0.0 0.0 6.5 0.0 105.9 17.5 6.9 ∑R总是由∑H+Pa查附表3-2得到各时段径流量累计值；R总为各时段的净流量值，由本时段的径流量累计值减去前一时段的净流量累计值；R下(3fc)=3*fc，但当计算值小于R总时取R总； (6) 计算单位线m1、K值及各时段单位线 ①计算F/J‰特征值F/J‰=31.54 ②计算各时段净雨强度 由各时段净雨量hi计算净雨强度Ii=hi/△t ③计算各时段净雨强度对应的m1值：本工程位于产流的第IV区，查《江西省暴雨洪水差算手册》（2010版）得m1=3.470(F/J)0.227(I/10)0.039Lg(F/J)-0.302 ④计算单位线参数K值,根据流域面积，查表得n=3.0 ⑤查《时段单位线查用表》得各时段单位线： 单位线参数计算表 项目(mm) 占控制时段雨量的百分比（%） 1 2 3 4 5 6 7 8 h24(1%) 　 　 6.5 　 105.9 17.5 6.9 Ii(计算) 　 　 2.17 　 35.30 5.84 2.30 Ii(取值) 　 5.0 　 5.0 　 35.3 5.8 5.0 m1 　 8.99 　 8.99 　 5.59 8.66 8.99 K=m1/n 　 3.00 　 3.00 　 1.86 2.89 3.00 各时段单位线表 时 段 (△t=3小时) 瞬时单位线 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0.080 0.080 0.219 0.088 0.080 2 0.243 0.243 0.405 0.257 0.243 3 0.254 0.254 0.236 0.258 0.254 4 0.185 0.185 0.095 0.181 0.185 5 0.113 0.113 0.032 0.107 0.113 6 0.063 0.063 0.010 0.057 0.063 7 0.032 0.032 0.003 0.028 0.032 8 0.016 0.016 0.001 0.013 0.016 9 0.007 0.007 0.000 0.006 0.007 10 0.003 0.003 0.000 0.003 0.003 11 0.002 0.002 0.000 0.001 0.002 12 0.001 0.001 0.000 0.000 0.001 13 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 (7)计算各时段流量 以无因次单位线分别乘以流量换算系数C=F/（3.6*△t）=25.56得时段为3小时的单位流量，以各时段净雨量h24(1%)分别乘以各时段单位流量，得到各时段净雨产生的时段流量过程，但需错开一个时段填写在表中，如《各时段净雨量产生的流量过程》所示。 单位流量计算表 时 段 (△t=3小时) 占控制时段雨量的百分比（%） 1 2 3 4 5 6 7 8 1 　 2.056 　 2.056 　 5.609 2.240 2.056 2 　 6.218 　 6.218 　 10.354 6.565 6.218 3 　 6.481 　 6.481 　 6.029 6.596 6.481 4 　 4.728 　 4.728 　 2.418 4.634 4.728 5 　 2.896 　 2.896 　 0.810 2.733 2.896 6 　 1.599 　 1.599 　 0.244 1.452 1.599 7 　 0.824 　 0.824 　 0.068 0.720 0.824 8 　 0.404 　 0.404 　 0.018 0.340 0.404 9 　 0.191 　 0.191 　 0.005 0.155 0.191 10 　 0.088 　 0.088 　 0.001 0.069 0.088 11 　 0.040 　 0.040 　 0.000 0.030 0.040 12 　 0.017 　 0.017 　 0.000 0.013 0.017 13 　 0.008 　 0.008 　 0.000 0.005 0.008 各时段净雨量产生的流量过程 时 段 (△t=3小时) 占控制时段雨量的百分比（%） 4 5 6 7 8 1 13.38 0 2 40.48 0 0 3 42.19 0 594.02 0 4 30.78 0 1096.63 39.22 0 5 18.85 0 638.48 114.95 14.21 6 10.41 0 256.04 115.50 42.97 7 5.36 0 85.74 81.15 44.78 8 2.63 0 25.82 47.85 32.67 9 1.25 0 7.25 25.43 20.01 10 0.57 0 1.94 12.61 11.05 11 0.26 0 0.50 5.96 5.69 12 0.11 0 0.12 2.71 2.79 13 0.05 0 0.03 1.20 1.32 14 0 0.01 0.52 0.61 15 0.00 0.22 0.27 16 0.09 0.12 17 0.05 18 0.00 (8)计算地面流量过程及地下径流回加 由各时段流量过程相加得设计地面流量过程，即为所求地面流量过程。根据<<净雨过程计算表>>中R下(3fc)行各时段相加可得地下迳流深R下=36.1mm，由《各时段净雨量产生的流量过程》可知，地面流量过程底宽T=54小时，此时为地下迳 流峰顶位置，按下式计算地下迳流峰值。 QM地下=R下*F/（3.6*T）=51.18m³/s 自地下迳流峰值开始向前后每减少或增加一个时段△t,其流量随之减少一个△Q地下=2.84m³/s，根据计算结果显示，设计洪峰流量QM=1178m³/s。 设计洪水过程线计算表 时 段 (△t=3小时) Q地面 Q地下 Qt 时 段 (△t=3小时) Q地面 Q地下 Qt m³/s m³/s m³/s m³/s m³/s m³/s 0 0 0 0 19 48.34 48.34 1 13.38 2.84 16.23 20 45.50 45.50 2 40.48 5.69 46.17 21 42.65 42.65 3 636.21 8.53 644.74 22 39.81 39.81 4 1166.64 11.37 1178.01 23 36.96 36.96 5 786.49 14.22 800.71 24 34.12 34.12 6 424.91 17.06 441.97 25 31.28 31.28 7 217.03 19.90 236.94 26 28.43 28.43 8 108.97 22.75 131.72 27 25.59 25.59 9 53.93 25.59 79.52 28 22.75 22.75 10 26.17 28.43 54.60 29 19.90 19.90 11 12.41 31.28 43.69 30 17.06 17.06 12 5.75 34.12 39.87 31 14.22 14.22 13 2.60 36.96 39.57 32 11.37 11.37 14 1.14 39.81 40.94 33 8.53 8.53 15 0.50 42.65 43.15 34 5.69 5.69 16 0.21 45.50 45.71 35 2.84 2.84 17 0.05 48.34 48.39 36 18 51.18 51.18 3 验 证 同样以杨桥河中桥为例，根据参考其上游水文站观测资料进行暴雨洪峰流量计算，并将计算结果与上述的瞬时单位线法的计算结果进行比对。 （1）流量计算：由于杨桥镇没有水文观测站，故用其上游的芦溪水文站作为本次水文计算的参证站，在求得芦溪水文站各频率设计洪水下，再用流域面积比的2/3次方换算到杨桥河本工程线位断面的设计洪水。考虑特大洪水、调查洪水、实测洪水的影响，经计算和适线，得到芦溪水文站的统计参数如下：Q均=412 m³/s Cv=0.6 Cs=3.5Cv=2.1 杨桥河新建桥桥位断面的汇水276 k㎡,芦溪站控制流域331 k㎡，流域面积比为0.8338，故杨桥河新建桥位断面的平均流量Q'均=412*0.8338(2/3)=365 m³/s。查皮尔逊III型曲线模比系数表得Kp(1%)=3.2，百年一遇的流量 Q1%= Kp(1%)*Q'均=3.2*365=1168 m³/s。 芦溪水文站最大洪峰流量列表 年份 流量 年份 流量 年份 流量 年份 流量 1895 1130 1969 536 1983 326 1997 553 1926 777 1970 707 1984 337 1998 203 1953 591 1971 171 1985 115 1999 170 1958 361 1972 663 1986 231 2000 424 1959 243 1973 431 1987 176 2001 269 1960 337 1974 427 1988 258 2002 192 1961 295 1975 638 1989 349 2003 266 1962 499 1976 281 1990 196 2004 276 1963 131 1977 683 1991 176 2005 201 1964 132 1978 171 1992 248 2006 392 1965 370 1979 562 1993 236 2007 313 1966 374 1980 482 1994 661 2008 160 1967 300 1981 201 1995 387 2009 532 1968 358 1982 666 1996 233 2010 417 （2）计算结果比对：以观测资料计算结果为1168 m³/s，以瞬时单位线法计算结果为1178 m³/s，两种计算方法误差约为0.9%。两者结果基本一致。 4 结 语 在大部分的公路设计当中，水文计算都属于中小流域范畴，故通过该法可以很方便计算出桥涵路基的设计洪水位。相对于推理公式计算法，瞬时单位线法的流域面积适用范围更大，达到1000平方公里，而推理法仅仅适用于50平方公里的流域面积范围；相对于洪水经验频率法，瞬时单位线法则可免除因为洪水资料收集不全而造成的计算困难。本法看似计算很复杂，但实际上可以编制excel表格，只需要简单输入几个参数及查表的数据立马可以得到计算结果，很是简便快捷。 本文是以实例的方式详细演示其计算过程，文中的相应参数仅仅适用于本实例所处的地理环境，对江西省其他市县则应根据江西省各个地市所处位置及河流所处水系一一对应手册进行查算。 参考文献 [1] 河北省交通规划设计院.公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002 ）.北京：人民交通出版社，2002. [2] 水利水电科学研究院水资源所.时段单位线用表.北京：全国雨洪办，1983. [3] 江西省水文局.江西省暴雨洪水差算手册（2010版本）. 第一作者信息： 姓名：谢安 性别：男 出生年月：1971年6月 籍贯：江西丰城 职称：工程师 毕业院校、专业：同济大学（函授）、交通土建专业 身份证号：360502197106121315 简历： 1992.9至1999.3 新余公路管理局工作；先后担任技术员、科员；先后从事公路工程施工、试验检测、技术管理。 1999.3至今新余公路勘察设计院工作；先后担任测设工程师、设计所所长、设计院副院长。主要从事公路勘察设计、工程监理、造价编制等工作。期间先后取得建设部一级建造师（公路）、交通部监理工程师、交通部试验检测工程师（公路）、交通部甲级造价工程师执业资格。 电话：0790-6427350 手机：13879018818 E-mail：119506359@qq.com 单位通讯地址、邮编:新余市仙来中大道63号新余公路勘察设计院 338000 第二作者信息 姓名：曾恩九 籍贯：江西吉安 性别：男 出生年月：1981年10月 学历：本科 职称：工程师 Email：75740993@qq.com