陇南地区桥涵小流域设计洪水计算

冯英杰

（西北民族大学，甘肃兰州 730124）

0 引 言

随着我国公路交通运输事业的迅速发展，国家对交通建设提出更高的要求，因此对人工排水构造物和小桥涵的要求亦有所提高。同时，由于地区经济的飞跃发展，城镇新区建设正逐渐成为地区的建设重点，对新建城区的小流域沟道的排洪和城区规划需综合考虑，合理确定小流域洪水流量既是小桥涵孔径的计算重要依据，也是工程规划的主要依据。而我国公路小流域洪水流量计算方法尚不够完善，缺乏可靠的科学计算依据，致使小桥涵孔径设计存在一定困难。孔径确定中偏大造成浪费，偏小出现水毁的现象，给地区和国家带来严重损失。

1 小流域洪水计算特点

小流域设计洪水是公路建设中经常遇到的，它是决定小桥涵孔径的主要依据。与大中流域相比，小流域设计洪水计算有如下特点：

（1）缺乏水文观测资料。由于汇水面积小，河沟小，绝大多数小流域没有水文观测站，缺乏实测资料，因而不能用数理统计的方法根据已有的流量资料推算设计流量。流量计算只能按照无观测资料设计流量的方法进行水文计算。

（2）洪水暴涨暴落，破坏性较大。由于流域控制的面积小，河沟长度较短，河床比降较大，因而河床的调洪能力很弱，由暴雨形成的洪峰流量来势凶猛，对小桥涵及其构造物破坏性较大。

（3）流量小，洪水历时短暂。通常河床沟槽的洪水位痕迹不很明显，进行洪水调查，难度较大，根据用水资料进行设计流量计算，有一定困难。

（4）暴雨是形成洪峰流量的根本原因。由于小流域汇水面积小，暴雨范围很容易覆盖整个汇水区，因而暴雨的大小直接影响洪峰流量的形成及大小，特别是暴雨的强度和暴雨的时间分布对洪峰流量和其特征有重要影响。

2 城区特征

2.1 地貌特征

陇南地区主要为黄土高原向西秦岭地区过渡段，包括长江水系和白龙江和西汉水中系中下游地区，地处青藏高原、黄土高原和四川盆地三大单元之间，陇南城区地势由西北向东南逐渐降低，区内多山地，河流随地形变化，由西向东南流，河流切割剧烈，呈高山峡谷地貌类型。境内多为峡谷盆地或丘陵地形，新建城镇一般布置在河滩一级台地上，面水靠山，城镇呈条型布置，而背山侧又多自然冲沟，冲沟面积介于1～10 km2之间。

2.2 气候特征

陇南城区所处地理位置比较特殊，位于青藏高原东侧地形坡度较陡的地方，在巴颜格拉山和秦岭之间，气候资源丰富，天气气候差异比较明显，属北亚热带向暖温带过渡地段，立体气候特征明显，年平均降雨量在450～758 mm之间，白龙江、白水江河谷地带年平均气温13℃～16℃，西北部高山旱地年平均气温8℃～11℃，东部徽成盆地地带年平均气温13℃～16℃。

2.3 植被状况

陇南地区森林覆盖率42.5%，覆盖面积达到1 775.6万亩。生态植被较好的县依次为两当县、康县、徽县、文县、成县，森林覆盖率分别为72%、63%、62%、47%、42.8%；礼县、西和县、武都区、宕昌县植被较差，森林覆盖率分别为19.2%、21.3%、24.8%和30.6%，生态植被与降水、滑坡泥石流分布情况基本一致。

2.4 降水特征

陇南地区所处地理位置比较特殊，属南北气候过渡地带，气候特点是降雨量较充沛，局部短时暴雨频繁。暴雨主要出现在陇南东部，占暴雨出现日数的80%以上。西北出现暴雨相对较少。暴雨出现的时间为5月～9月，7～8月是陇南暴雨多发时期，80%的暴雨出现在这一时段。从降雨量看，陇南的暴雨强度较弱，暴雨是陇南最多发的自然灾害之一，滑坡泥石流灾害发生的时段频次与暴雨发生的时段频次具有较好的一致性，陇南出现较重和严重的滑坡大多数是由暴雨或大暴雨诱发的。该地区由于暴雨造成的直接经济损失每年愈亿元。

区域内地貌、植被等差异较大，其降水以及暴雨分布也存在较大差异。陇南地区降雨量的空间分布见表1。

表1 陇南各县（区）年平均降雨量及年降雨量极值（单位：mm）

从降雨时间分布看，陇南地区降雨量随季节变化差异较大，陇南各地降雨主要集中在下半年5～10月，下半年降雨量占年降雨量的83%～87%，其中尤以6～8月的降雨量集中，各县的降雨量占全年降雨量的47.1%～52.4%，从6～8月的降雨量占全年总降雨量比率来看，6～8月各县差异不大，总体趋势一致。大于0.1 mm降雨天数各县差异不大，都在100 d以上，康县最多146 d，武都县最少104 d，见表2。

表2 各县大于0.1 mm降雨天数及下半年降雨量全年降雨量的比

2.5 城区特点

陇南地区小城镇工矿企业较少，主要以行政和居住为主，而陇南地区人口较多，适宜居住地块狭长，城镇居住人口密度较大，新建城镇区域一般在2～5 km2，防洪等级一般为20 a一遇。考虑跨越沟道由于城镇建设必须设置桥涵等结构物，建议城镇沟道设计洪水采用50 a一遇为宜。

3 小流域洪水计算方法

3.1 暴雨推理法

桥位处缺乏实测流量资料，又因工程规模小，不可能做大量的勘测和地区资料的整理工作，但当地水文气象部门有较多的自记雨量记录和定时观测雨量累计资料，有利于分析研究该工程点的洪水流量。

运用实测暴雨洪水资料来计算参数，并进行综合，对于无实测流量资料地区，是公路小桥涵最常用的计算方法。用暴雨推求设计流量时，假定暴雨与其形成的流量为同一频率。

城市排洪小流域沟道一般有两个功能，排山面下来的洪水同时由于城镇排水系统部分雨水需要汇集排入沟道，然后排入主河道中。由于汇水面积较小，暴雨特征为历时产流快。

暴雨强度推理公式是运用成因分析与经验推断相结合的方法，一种半理论半经验的计算方法，洪水计算主要公式适用于多雨地区，地形条件300～500 km2以下；干旱地区为100～20 km2以下的情况。通过损失参数和汇流时间，体现地区差异性。计算公式为：

3.2 径流形成法

近百年来，小流域径流流量的推理公式数以百计，主要有两大类：一类是根据实践经验建立径流流量与径流因素函数关系的公式，即经验公式；二是根据径流形成的因素和条件，通过分析、推理而建立的径流流量与径流因素函数关系的公式，为成因推理公式。而径流成因推理公式计算繁杂、适用性差，生产上一般多用径流成因简化公式和经验公式。对于汇水面积F≤30 km2的情况我国公路桥涵水文计算公式为：

3.3 城建经验法

陇南市区50 a一遇洪水公式为：

4 确定工程点设计洪水流量

比较各类方法计算结果，以确定陇南某城区设计洪水流量见表3。采用沟道平均坡度为10%，沟道平均宽度按1 km的情况进行计算。

表3 陇南某城区设计洪水流量

通过计算，暴雨推理法在30 km2时与径流形成法一致，10 km2以内计算偏大。

而城镇建设主要流域面积集中在1～10 km2，由于小城镇建设缺少城建经验法，结合上面计算建议采用径流形成法计算10 km2以内沟道洪水较为合理。

特别强调的是通过上述公式计算所得为计算频率的清水流量，确定洪水流量时应乘以增大系数。同时要考虑沟道堵塞系数，如果城镇沟道已经疏通治理，可按轻微堵塞考虑，一般采用1.0～1.2的系数。

5 结论

通过计算比较陇南某城区小流域洪水流量采用径流形成法能较好地与当地城建经验公式计算数据吻合，暴雨强度推理公式在流域小于10 km2计算中数值偏大。计算结果为该地区小桥涵孔径设计及小流域防洪设计措施的实施提供力有利的依据，最大限度地减少小流域暴雨洪水灾害造成的影响。

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