山区小流域暴雨径流观测研究3-2

山区铁路小径流试验综合观测研究

1．研究的背景及意义

随着我国铁路建设的快速发展，铁路营运里程已突破10万公里大关，根据调整后的《中长期铁路网规划》，到2015年我国高速铁路运营里程将达到1.9万公里；到2020年我国铁路营运里程将达到12万公里以上。这些既有铁路和规划筹建的线路中不可避免要跨越或近邻各种不同类型的流域，流域暴雨引起的山洪、泥石流、滑坡等灾害，是铁路运营最大的安全隐患之一。特别是山区铁路，地质灾害频繁发生，如成昆、宝成、陇海（宝天段）、湘黔等线的泥石流灾害(图1，2)；宝成、成昆、川黔等线的滑坡崩塌灾害；黔桂、湘桂、焦柳、黎湛等线的岩溶塌陷灾害等均与降雨径流直接相关。因此，开展山区铁路沿线小流域径流试验综合观测研究是我国铁路建设与安全运营中基础工作，也是我国国民经济建设大数据战略的一个重要需求。

图1 成昆线泥石流分布(乐都至普雄段)

图2 泥石流形成示意图

2．主要研究内容

我国地域辽阔，降水径流分布不均（图3）。径流实验研究是在野外建立实验流域或径流实验场，在室内建立实验模型，对径流影响要素进行观测、分析，找出其变化规律和相互关系。已建立的这种实验场所有：中国浙江省姜湾径流实验站、安徽省城西径流实验站、美国的科威塔实验站、前苏联的瓦尔代实验站和服务铁路建设的四川峨眉径流实验站等。与传统的水文径流观测不同，山区铁路小径流试验综合观测关注的重点是铁路沿线对安全运营有影响的降水汇流区域，面积从几平方公里到数十平方公里的小流域径流。

图3 我国降水径流分布图

本研究依托峨眉径流实验站，通过55年的小径流实测数据（1960~2014，文革期间未曾间断），采用数值模拟方法，利用水文软件，建立峨眉径流实验站暴雨径流模型；并对55年的小径流实测数据整编，在大量数据的基础上，准确分析暴雨诱发灾害的规律，为铁路线路设计、灾害预报预警提供准确的依据。例如桥涵设计中暴雨设计流量的计算、线路设计洪水位的确定、铁路防洪标准的确定、线路灾害预报预警等（图4）。

图4 东川站降雨-径流-泥石流监测

3．山区铁路小径流试验综合观测

3.1峨眉径流站科研工作情况介绍

鉴于山区水灾害对铁路安全运营带来的巨大影响， 1959年12月，铁科院西南研究所（中铁西南科学研究院前身）建成峨眉径流实验站（1958年原在重庆北碚径流实验站观测，但因北碚地区暴雨很少，难于满足暴雨径流实验需要，故迁峨眉而更名），自1960年就开始以峨眉径流实验站为依托、以伏虎溪流域为试验区域来开展山区小流域暴雨径流的

研究工作，图5。

图5 峨眉径流实验站

3.2试验区自然地理特征

试验区即伏虎溪流域位于四川盆地西南边缘山丘地带，背靠海拔3092m的峨眉山主峰金顶，地处峨眉山东麓。地理坐标为东经103°20'，北纬29°30'。

试验区内的主河槽伏虎溪汇入大渡河支流峨眉河。全流域汇水面积8.44km2。中心站址设于峨眉山市峨山镇。试验区属山丘地形，高程变化在海拔440～1500m之间。大致可分为三个区段，报国寺以上为山岳区，该区内崇山峻岭，河谷深窄，山坡平均坡度60%左右，河槽坡度在20%左右，高程变化在海拔570～1500m之间，属全流域的上游区段。报国寺以下至保宁总口为深丘区，山坡平均坡度30%左右，河槽坡度在6%左右，其高程变化在海拔480～960m之间，为流域的中游区段。马路桥以下至土铁路总出口为浅丘区，河道开阔，高程变化仅在440～480之间，为流域的下游区段。峨眉径流实验站流域地形见图6。

图6 试验站流域地形图

试验区内的气候特点是：阴雨多、日照少、湿度大、气候温和，冬季无霜期长，除峨眉山主峰高山区外，山麓及本站流域内罕见降雪。盛夏至仲秋为暴雨季节，雨量丰沛，强度较大，是国内著名的内陆暴雨中心之一。历年最大年降雨量曾达到2000毫米以上，多年平均年降雨量为1500余毫米。每年6～9月为暴雨季节，多年平均降雨量为1100余毫米，约占多年平均年降雨量的70%以上。历年一日最大降雨量曾达到300毫米。洪水出现在每年的6～9月之间，集中于8～9月。地下水极为丰富，可源源不断地补给河川径流，河沟经冬不涸。由于本流域属山丘地形，山高坡陡，河床乱石堆积，雨洪时水流汹涌湍急，涨落迅速。

3.2降雨径流观测

降雨径流观测是在每年汛期（6月1日至10月1日）进行。图7、8为峨眉径流实验站部分观测点。

图7 峨眉径流实验站观测点

图8 新建高铁站自动化观测点

（1）雨量的观测：雨量测验，全采用自记雨量计。从雨量计的自记纸上，可以整理出降雨过程，以及逐日降雨量等。2013年降雨径流观测，雨量观测站点共7个。见图9。

图9 雨量观测

（2）水位观测：包括外水尺和内水尺，水位测验全部采用自记水位计自记记录。每年的汛期（与降雨观测同步）每个测点每天定时观测一次。水位观测站点共11个。见图10。

图10 水位观测点及观测仪器

每年经过足足4个月的野外观测，搜集到了各个观测站点全天候的降雨或水位变化情况的纸带及其起点坐标的绝对值。每年度共搜集记录纸带500张以上。

3.3降雨径流观测资料整编

（1）产流暴雨过程的整编及其强度计算

凡是一次连续降雨（降雨间歇时间不超过2小时者，以一次连续降雨论。若间歇时间超过2小时以上者，为另一次降雨），其降雨总量达到或超过50.0mm；或一小时内降雨量达到或超过25.0mm；或短时平均雨强超过2.0mm/min者，都进行降雨过程的整编。整编的方法采用特征点法（亦称转折点法），摘出各转折点的累积雨量及其相应时间。图11为雨量计观测记录资料。

（2）汛期逐日降雨量的统计

从6月1日至10月1日，按月逐日统计日降雨量。以北京时间8：00～8：00为日界。降雨量以mm为单位，取小数一位。在日降雨量统计表内，逐月统计出各月的月总降雨量及各月单日最大降雨量及其出现日期。

（3）洪水过程的整理及其流量计算

根据建立的水位流量关系曲线，利用“流量=流速×过水面积”计算公式，进行流量的计算，建立洪水过程资料与降雨场次相对应关系。其核心工作是暴雨洪水时测速工作。

图11 雨量计纸带观测结果

4.取得的成果

山区铁路小径流试验综合观测研究以峨眉径流实验站为依托，至2014年，已连续无间断观测55年。自建站以来，峨眉径流实验站一直承担着铁道部小径流流域的水文观测和试验的科研项目，1960年至1975年的观测数据已经刊布，1976年至2013年的资料已全部整理完毕，图12。多年的观测数据为桥涵设计规范修订、小径流计算公式的制定提供了宝贵数据，并为路内外单位科学研究提供了大量的水文基础资料。

图12 观测数据整理资料、研究报告

山区铁路沿线小径流研究相关成果多次获奖，包括：获全国科学大会奖；获全国铁路科技大会奖；四川省重大科技奖；国家自然科学奖等，图13。

图13 研究成果获奖证书（部分）