（水利工程专业论文）广州抽水蓄能电站设计洪水研究.pdf

a b s t r a c t t h eg u a n g z h o up u m p e ds t o r a g es t a t i o ni sal a r g es t a t i o nw h i c hs u p p l i e ss e c u r i t y a s s u r a n c et ot h eo p e r a t i o no ft h ed a y a w a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o na n df u n c t i o n sa sp e a k m o d u l a t i o n ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n di n c i d e n t a lr e s e r v ef o rt h eo u a n d o n gg r i d t h e w a t e rc o l l e c t i n ga r e ai s5 k i n 2f o rt h eu p p e rr e s e r v o i ra n d1 3 k i n 2f o rt h e d o w nr e s e r v o i r t h ed e s i g nf l o o di sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h em e t h o dc a r r i e do u tw h e nn om e a s u r e d d a t ai sa v a l l a b l e t h i sp a p e rc o n t r i b u t e sag e n e r a lr e v i e wo ft h er e s e a r c ho nt h ef l o o dd e s i g ni ns m a l l w a t e r s h e da n ds t u d i e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o d si n c l u d i n gr a t i o n a l f o r m u l a , e x p e r i e n t i a l f o r m u l a ，u n i th y d r o g r a p h t h em a i nf o r m u l a s ，t h ep r o c e d u r e ，t h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n s a n dt h ea n a l y s i so ft h er e l a t e dp a r a m e t e r sa r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e d t h er a t i o n a lf o r m u l am e t h o da n dt h eu n i t h y d r o g r a p h m e t h o da r eu s e da n d c o m p a r e di nt h ec a l c u l a t i o no ft h ed e s i g nf l o o df o rt h eg u a n g z h o up u m p e ds t o r a g e s t a t i o ni nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o w st h a tb o t hm e t h o d sa r er e a s o n a b l ea n d q u a l i f i e df o r t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n k e y w o r d s ：s m a l l c a t c h m e n t ；d e s i g nf l o o d ；r a t i o n a lf o r n m l a ；u n i t h y d r o g r a p h ； g u a n g z h o up u m p e ds t o r a g es t a t i o n ； 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律 后果和法律责任，特此郑重声明。 武汉大学工程硕士学位论文 第一章概述 洪水是江河经常发生的水文现象，洪水灾害是我国主要自然灾害之一。为防范 洪水威胁，减少洪涝损失，确保人民生命财产安全，可采用多种对策。如疏浚河道 增加行洪能力；修筑防洪提防防止洪水漫溢；兴建水库拦蓄洪水削减洪峰；改变天 然洪水在时间上的分配过程；建立暴雨洪水遥测系统等。修建防洪工程和建设项目 有防洪要求时，设计洪水计算是一项必不可少的重要工作。 设计洪水是水利水电工程规划设计的重要依据。在迸行流域和工程规划设计 时，需要按流域上下游、工程自身以及防护对象的防洪要求，计算相应的设计洪水， 以便进一步进行流域防洪工程规划或确定工程建筑物规模。为了解决特定目标的防 洪问题，对相关河段控制断面，需要按照指定的标准，预估工程未来建设和运行期 间可能发生的洪水趋势。这种工程设计所依据的各种标准的洪水总称为设计洪水。 水利水电工程依据的各种设汁洪水，包含洪峰流量、时段洪量、洪水过程线等，可 根据工程设计要求计算其全部和部分内容。 一般来说设计洪水的计算方法有两种，即：根据流量资料推求设计洪水和根据 暴雨资料推求设计洪水。根据流量资料推求设计洪水也就是通常所说的直接法设计 洪水计算，根据暴雨资料推求设计洪水也就是通常所说的间接法设计洪水计算。 水利水电工程设计洪水计算规范s l 4 4 9 3 规定：“坝址或上、下游具有3 0 年以上实测和插补延长洪水流量资料，并有调查历史洪水资料时，应采用频率分析 法计算设计洪水。对于工程所在地短缺流量资料且有三十年以上实测和插补暴雨资 料，并有暴雨洪水对应关系时，可采用频率分析法计算设计暴雨，推求设计洪水； 对于工程所在流域内洪水或暴雨资料均短缺时，可利用邻近地区实测及调查暴雨资 料或洪水资料进行地区综合分析，估算设计洪水。我国地域辽阔，绝大多数中小工 程所在的河流上都无3 0 年以上的流量资料可供利用，无法直接用流量进行设计洪 武汉大学工程硕士学位论文 水计算，因此采用暴雨资料推求设计洪水。由暴雨推求设计洪水一般要经过如下步 骤：首先根据所在地搜集到的工程所在流域或附近的暴雨资料推求面设计暴雨，然 后采用产汇流方案计算设计洪水。对于大、中、小集水面积的划分，国内外历来没 有明确的定量指标。我国多数专业人员习惯上把集水面积小于5 0 0 k m 2 的流域视为 小流域。小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有下列特点： 绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没 有。 小流域面积小，自然地理条件趋于单一，拟定计算方法时，允许作适当的 简化，即允许作出一些概化的假定。例如假定短历时的设计暴雨时空分布均匀。 小流域分布广、数量多，工程措施涉及的又多是小型。因此，所拟定的计 算方法，在保持一定精度的前提下，将力求简便，一般借助水文手册即可完成。 小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因此 对设计洪峰流量的要求，高于对洪水过程线的要求。 小流域设计洪水计算，面广量大，涉及到铁路、公路的小桥涵，城市及厂矿的排 水下水道，中小型水利工程、农田工程的规划设计中，故小流域设计洪水计算在工 农业生产中具有非常重要的意义，水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。 2 武汉大学工程硕士学位论文 第二章小流域设计洪水分析研究现状与进展 2 1 小流域设计洪水分析研究进展概况 小流域设计洪水计算工作已有一百多年的历史。计算方法在逐步充实和发展， 归纳起来，有推理公式法、经验公式法、相似流域法、历史洪水调查分析法和综合 单位线法及水文模型等方法。由于实测资料短缺，各种方法的计算结果相差较大， 没有统一标准，给小流域设计洪水计算带来了一定的困难。 6 0 年代中期，“国际水文十年”倡议开展实验性流域和代表性流域的研究工 作以来，在这些研究性的流域上面，建立了水文模型，为解决小流域设计洪水计算 问题开辟了新的途径，使这方面的工作有了新的进展。随着工农业生产的迫切需要， 我国各地区各部门积累了大量的经验，充实和发展了现有的一些计算方法。近年来， 我国设计洪水研究方面也取得了丰硕的成果。1 9 9 7 年以来在水利部水文司的组织 下，进行了全国设计暴雨参数等值线的修编工作，使8 0 年代编制的暴雨洪水图集 参数等值线资料延长了2 0 年，采用的资料站点也更加丰富，并将以纸介质和磁介 质两种方式发行，反映了中国设计暴雨计算的新水平。目前水利电力部门使用的是 推理公式法、经验公式法和综合单位线法，其中应用最广泛的是推理公式法和综 合瞬时单位线法。 推理公式法，英、美称为“合理化方法”( r a t i o n a l m e t h o d ) 前苏联称为“稳 定形势公式”。推理公式法是根据降雨资料推求洪峰流量的最早方法之一，至今已 有1 3 0 多年。推理公式是由何人、何时提出，尚难考证。我国何时正式采用推理公 式，确切年代亦难以考查。1 9 5 6 年水利科学研究院水文研究所林平一提出以推理公 式为基础的计算最大流量的方法。1 9 5 8 年水利科学研究院提出了以推理公式为基础 的计算小汇水面积雨洪最大径流的图解分析法。1 9 6 2 年以后，各地在应用推理公式 方面取得了不少经验，提出从实测资料中反求推理公式的参数，使推理公式在我国 武汉大学工程硕士学位论文 第二章小流域设计洪水分析研究现状与进展 2 1 小流域设计洪水分析研究进展概况 小流域设计洪水计算工作已有一百多年的历史。计算方法在逐步充实和发展， 归纳起来，有推理公式法、经验公式法、相似流域法、历史洪水调查分析法和综合 单位线法及水文模型等方法。由于实测资料短缺，各种方法的计算结果相差较大， 没有统一标准，给小流域设计洪水计算带来了一定的困难。 6 0 年代中期，“国际水文十年”倡议开展实验性流域和代表性流域的研究工 作以来，在这些研究性的流域上面，建立了水文模型，为解决小流域设计洪水计算 问题开辟了新的途径，使这方面的工作有了新的进展。随着工农业生产的迫切需要， 我国各地区各部门积累了大量的经验，充实和发展了现有的一些计算方法。近年来， 我国设计洪水研究方面也取得了丰硕的成果。1 9 9 7 年以来在水利部水文司的组织 下，进行了全国设计暴雨参数等值线的修编工作，使8 0 年代编制的暴雨洪水图集 参数等值线资料延长了2 0 年，采用的资料站点也更加丰富，并将以纸介质和磁介 质两种方式发行，反映了中国设计暴雨计算的新水平。目前水利电力部门使用的是 推理公式法、经验公式法和综合单位线法，其中应用最广泛的是推理公式法和综 合瞬时单位线法。 推理公式法，英、美称为“合理化方法”( r a t i o n a l m e t h o d ) 前苏联称为“稳 定形势公式”。推理公式法是根据降雨资料推求洪峰流量的最早方法之一，至今已 有1 3 0 多年。推理公式是由何人、何时提出，尚难考证。我国何时正式采用推理公 式，确切年代亦难以考查。1 9 5 6 年水利科学研究院水文研究所林平一提出以推理公 式为基础的计算最大流量的方法。1 9 5 8 年水利科学研究院提出了以推理公式为基础 的计算小汇水面积雨洪最大径流的图解分析法。1 9 6 2 年以后，各地在应用推理公式 方面取得了不少经验，提出从实测资料中反求推理公式的参数，使推理公式在我国 武汉大学工程硕士学位论文 的应用水平提高了一个台阶。推理公式法郎3 由于计算公式十分简单，公式结构 又具有一定的物理基础，对资料要求不高，至今仍是小流域计算暴雨洪水的主要方 法之一。 单位线法最早是由谢尔曼( l k s h e r m a n ) 于1 9 3 2 年4 月7 日在工程新 闻记录中提出的。现在，单位线通过不断发展完善，己经成为设计洪水分析的重 要工具。现在我国普遍采用的计算方法是瞬时单位线法。推理公式法和单位线的计 算思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨一设计净雨一设计洪 水的顺序进行计算。近年来，随着水科学和计算手段，以及相关学科如：统计科学、 系统科学、地理信息系统等学科的发展，小波分析、人工神经网络系统、地理信 息统、遥感技术 3 等新技术的运用，国内对中小流域设计洪水涉及的各个方面如： 设计标准、降雨、产流、汇流等从分析计算理论和计算手段研究方面都得以蓬勃发 展。通过查阅期刊杂志文献资料和i n t e r n e t s 查询，小流域设计洪水计算理论和方 法比较有代表性的成果有：沈燕舟，秦智伟，刘其发。”提出：认为采用间接方法计算 小流域设计洪水成果偏大的观点是片面的，因此，在计算小流域的设计洪水时，尽量 采用根据实测流量资料结合历史洪水资料计算对于无资料地区，一定要进行地区综 合分析，合理选用设计洪水成果。邹响林胡维忠陈良柱“分析推理公式要求产流 强度必须是不变的，限制了它的应用范围，决定了推理公式比较适用于推求设计暴 雨所形成的设计洪峰。如果用来分析实际暴雨所形成的洪水，则耍求成峰暴雨强度 均匀，否则将产生较大误差。陈剑池陈桂亚丁志立。5 1 认为：用暴雨洪水查算 图集计算无资料地区设计洪水涉及的中间环节较多，对各环节进行检验，加强成果 的综合检验和合理性分析是提高设计洪水精度的有较途径。周学国，滕凯，邹伟。” 在简单迭代及牛顿迭代法计算的基础上，通过对迭代算式的简化整理及变形，获得 了可直接完成洪峰流量计算的简化公式徐德龙肖华对求解洪峰流量qm 和汇流时间t 的计算方法采用牛顿迭代法进行适当的优化处理。熊明阳介绍我国 4 武汉大学工程硕士学位论文 水文工作者于1 9 8 7 年首先提出了模糊水文学这一新的水文分支学科，灰色系统理 论是由我国学者首先提出，并由我国的水文工作者迅速应用的门新的分析方法。 国外进行小流域设计洪水的计算，英国1 9 7 5 年洪水研究报告( f l o o ds t u d y s r e p o r t ) 及1 9 9 9 年的洪水估算手册( f l o o de s t i m a t i o nh a n d b o o k ) 都采用 区域分析方法。f e h 提出的单位线和损失模型采用利用流域水文气候资料、流域 特征值结合移置的分析方法。而美国进行小流域设计洪水的计算主要使用由美国 土壤保持局提出的( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ) 方法。 2 2 小流域设计洪水分析计算 2 2 1 推理公式法小流域设计洪水的计算3 北京水科院推理公式是陈家琦。1 等人在经过两年的研究后于1 9 5 8 年提出的，目 前它是我国计洪水规范中规定使用的小流域设计洪水计算方法，因此下面介绍北京 水科院水文所推理公式法。 一、推理公式的基本形式 推理公式又称合理化公式，是历来小流域由暴雨推求洪峰流量的一种比较常见 的方法，该公式的形式简单，应用方便。但它是在特定的概化假定条件下建立的， 它的基本假定是：设计暴雨与设计洪水为同频率；在流域汇流历时，之内，产流 强度为时、空均匀不变的常数；将集雨面积概化为矩形。然而，设计暴雨与设计洪 水不一定同频率，实际降雨过程不可能是时空均匀，且这一假定实质是不考虑汇流 过程中流域的调蓄作用的。所以推理公式的应用有一定的使用范围。例如，只有流 域面积不大时，产流强度时空均匀可认为近似合理。根据以上假定，流域上的平均 产流强度与一定面积的乘积即为出口断面的流量，当此乘积达到最大值时即出现最 大流量。而且，在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间t 时，净雨产生以 后，每一时刻总有一部分流域面积上的净雨同时汇集到流域出口断面。显然，流域 武汉大学工程硕士学位论文 水文工作者于1 9 8 7 年首先提出了模糊水文学这一新的水文分支学科，灰色系统理 论是由我国学者首先提出，并由我国的水文工作者迅速应用的门新的分析方法。 国外进行小流域设计洪水的计算，英国1 9 7 5 年洪水研究报告( f l o o ds t u d y s r e p o r t ) 及1 9 9 9 年的洪水估算手册( f l o o de s t i m a t i o nh a n d b o o k ) 都采用 区域分析方法。f e h 提出的单位线和损失模型采用利用流域水文气候资料、流域 特征值结合移置的分析方法。而美国进行小流域设计洪水的计算主要使用由美国 土壤保持局提出的( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ) 方法。 2 2 小流域设计洪水分析计算 2 2 1 推理公式法小流域设计洪水的计算3 北京水科院推理公式是陈家琦。1 等人在经过两年的研究后于1 9 5 8 年提出的，目 前它是我国计洪水规范中规定使用的小流域设计洪水计算方法，因此下面介绍北京 水科院水文所推理公式法。 一、推理公式的基本形式 推理公式又称合理化公式，是历来小流域由暴雨推求洪峰流量的一种比较常见 的方法，该公式的形式简单，应用方便。但它是在特定的概化假定条件下建立的， 它的基本假定是：设计暴雨与设计洪水为同频率；在流域汇流历时，之内，产流 强度为时、空均匀不变的常数；将集雨面积概化为矩形。然而，设计暴雨与设计洪 水不一定同频率，实际降雨过程不可能是时空均匀，且这一假定实质是不考虑汇流 过程中流域的调蓄作用的。所以推理公式的应用有一定的使用范围。例如，只有流 域面积不大时，产流强度时空均匀可认为近似合理。根据以上假定，流域上的平均 产流强度与一定面积的乘积即为出口断面的流量，当此乘积达到最大值时即出现最 大流量。而且，在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间t 时，净雨产生以 后，每一时刻总有一部分流域面积上的净雨同时汇集到流域出口断面。显然，流域 武汉大学工程硕士学位论文 水文工作者于1 9 8 7 年首先提出了模糊水文学这一新的水文分支学科，灰色系统理 论是由我国学者首先提出，并由我国的水文工作者迅速应用的门新的分析方法。 国外进行小流域设计洪水的计算，英国1 9 7 5 年洪水研究报告( f l o o ds t u d y s r e p o r t ) 及1 9 9 9 年的洪水估算手册( f l o o de s t i m a t i o nh a n d b o o k ) 都采用 区域分析方法。f e h 提出的单位线和损失模型采用利用流域水文气候资料、流域 特征值结合移置的分析方法。而美国进行小流域设计洪水的计算主要使用由美国 土壤保持局提出的( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ) 方法。 2 2 小流域设计洪水分析计算 2 2 1 推理公式法小流域设计洪水的计算3 北京水科院推理公式是陈家琦。1 等人在经过两年的研究后于1 9 5 8 年提出的，目 前它是我国计洪水规范中规定使用的小流域设计洪水计算方法，因此下面介绍北京 水科院水文所推理公式法。 一、推理公式的基本形式 推理公式又称合理化公式，是历来小流域由暴雨推求洪峰流量的一种比较常见 的方法，该公式的形式简单，应用方便。但它是在特定的概化假定条件下建立的， 它的基本假定是：设计暴雨与设计洪水为同频率；在流域汇流历时，之内，产流 强度为时、空均匀不变的常数；将集雨面积概化为矩形。然而，设计暴雨与设计洪 水不一定同频率，实际降雨过程不可能是时空均匀，且这一假定实质是不考虑汇流 过程中流域的调蓄作用的。所以推理公式的应用有一定的使用范围。例如，只有流 域面积不大时，产流强度时空均匀可认为近似合理。根据以上假定，流域上的平均 产流强度与一定面积的乘积即为出口断面的流量，当此乘积达到最大值时即出现最 大流量。而且，在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间t 时，净雨产生以 后，每一时刻总有一部分流域面积上的净雨同时汇集到流域出口断面。显然，流域 武汉大学工程硕士学位论文 出口断面的最大流量是由t 时段的净雨在全流域面积形成，此种情况称为全面汇 流。洪峰流量q m 用下式表示； q 。，= k ( i f ) f ( 2 一1 ) 式中f 流域面积，k m 2 ： i 平均降雨强度，i i k m h r ： 7 平均下渗强度，m m h r ； k 单位换算系数。 当供水不充分时，即净雨历时小于汇流时间t ，流域出口断面的最大流量由全部降 雨、部分流域面积形成，此部分流域面积称为共时径流面积。此种情况称为部分汇 流，洪峰流量用下式表示： q m ：k ( i 一) f 。 ( 2 2 ) 式中f 。共时径流面积，k m 2 。 流域汇流过程按其水力特性的不同，可分为坡面汇流和? 可槽汇漉甄令阶段。原 水文研究所在计算流域汇流时间t 的，采用平均的流域汇流速度来概括地描述径 流在坡面和河槽内的运动，且设l 代表流域最远流程长度，v ，代表沿流程l 的流域 平均汇流速度，则流域汇流时间t 的计算式为 ”o 2 7 8 寺 ( 2 3 ) 其中t 以h 计，v ，以m s 计，l 以k m 计。 流域平均汇流速度v 。可近似地用下式计算： v 。= m j “瓯1( 2 4 ) 式中m 汇流参数； j 沿流程的平均纵比降，小数； q m 一待求的最大流量。m 3 s ： o 、 反映沿流程水力特性的经验指数。 武汉大学工程硕士学位论文 式。 对于一般山区河道，该所把出口断面形状近似地概化为 0 = 1 3 ，九= 1 4 ，将其代入式( 2 4 ) 得 1 2 0 2 7 8 赤 ( 2 5 ) 二、推理公式的实际应用 陈家琦等人在作一定假定和整理后得以下方程组作为推理公式的实际应用形 l 、t 。1 q 。= o 2 7 8 ( 菩一7 ) f 1 2 0 - 2 7 8 赤 2 、t 。t q 。p - o 2 7 8 ( n s p t c l - _ _ _ 二n ) f 1 2 0 2 7 8 赤 s r t = 1 h 的平均雨强，俗称雨力，f i l m h ； n 暴雨参数或称暴雨递减指数 三、设计洪峰流量的计算 图2 - 1q 。t 和q l l t曲线 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 武汉大学工程硕士学位论文 从公式可知，洪峰流量q 。和汇流时间t 互为隐函数，而对于全面汇流和部分汇 流公式又不同，因而需有试算法或图解法求解。手算常用图解法，图解法即分别绘 制方程组( 2 6 ) 或方程组( 2 7 ) 的两个方程式所对应的两条曲线q 。t 关系曲线和 q 。t曲线，两曲线的交点即所求的洪峰流量q 。和汇流时间t 。 四、相关参数的确定 计算中涉及三类共7 个参数，即流域特征参数f 、l 、j ；暴雨特征参数s 。、1 3 ； 产汇流参数f 、m 。为了推求设计洪峰值，首先需要根据资料情况分别确定有关参数。 1 、流域特征参数f 、l 、j 的确定 量算流域面积f ，可使用求积仪，如无求积仪，可采用数方格法，用透明方格 纸覆盖于地形图上，计算集水区域分水界线范围内的方格数，按所用地形图的比例 尺换算为集水面积。 干流河长l 是自工程所在河流断面起沿干流河道至分水岭的最长距离，在地形 图上用比规卡读河长。 干流坡降j 是干流自分水岭至工程所在河流断面的纵断面图上按比降变化特征 点划分河段求出的综合平均比降，按下式采用加权平均法计算： j - ! 兰! 兰! ! 墨! ! 兰! 兰! ! 墨；= ：! 兰! = ! 兰! ! 墨! 二! 墨! 墨( 2 - 8 ) 图2 - 2沿l 的河道纵断面图 武汉大学工程硕士学位论文 其中，z 。、z ，、z 。z 。z n 为自工程所在河流断面起沿干流各比降变化特征点的 地面高程；l ；、k l n 为各特征点间的距离。 2 、暴雨特征参数s ，、n 的确定 暴雨参数s ，、f l 是反映本地区暴雨长短历时关系的参数。暴雨递减指数n 对各 历时的雨量转换成果影响较大，如有实测暴雨资料分析得出能代表本流域暴雨特性 的l q 值最好。小流域多无实测暴雨资料，需要利用n 值反映地区暴雨特征的性质， 将本地区由实测资料分析得出的n 值进行地区综合。绘制n 值分区图，供无资料流 域使用。一般水文手册中均有n 值分区图。s ，值可根据各地区的水文手册，查算设 计流域的最大2 4 小时的设计雨量i - 1 一然后由暴雨公式h 。= s 。t “计算得出。如地区 水文手册中已有s ，等值线图。则可直接查用。 3 、汇流参数7 、m 的确定 ( 1 ) 产流参数，的确定 产流参数7 的大小与地表透水性能、地貌、植被、暴雨时程分配以及土壤的前 期含水量等因素有关。因此，同一流域各次暴雨的产流参数均不可能相同。在生产 实践中常采用实测暴雨洪水资料反算7 ，将单站各次洪水分析的7 进行地区综合， 或整理成表或建立与主要影响因素的经验关系式。 ( 2 ) 汇流参数i l l 的确定4 1 影响汇流参数i n 值的因素很多，除了流域自然地理和暴雨的因素外，还包括实测 资料的误差、概化条件与实际情况的差别以及在公式中未能反映的其它因素。同 流域各次洪水的m 值都不一样，1 1 1 值的大小受汇流历时和洪峰流量两个因素的制约， 而这两个因素又受暴雨时空分布的影响。不同流域m 值的变化还受不同流域特征和 沟流、坡面流所占比重的影响。总之1 1 1 值应是综合性的汇流参数，当实测资料不足 时，还需要结合经验确定。目前各省区水文部门用原水文研究所的计算公式，对m 值进行地区综合时，均采用反映流域大小和地形的流域特征参数0 = l j 3 或0 = l j “3 f “4 与相对应的1 1 1 建立m o 关系图。 9 武汉火学工程硕士学位论文 ； i j f 二 p i 鲜： u ，1 - 一一， _ ， ，岛一 ， 图2 - 3m 口相关图 对于有些地区，一般暴雨的地表径流较小，壤中流不能回归，则可不进行单站 参数稳定性的分析，而须直接建立以净雨深h 。为参数的m 曰关系图，如下图2 - 4 及2 - 5 ： i l t un ，口f 6 即 d 1 0 0 l p o s z u o 2 0 0 一3 0 0 ： 0 0 乎4 帅 s o al 乎s ， 5 n n 一 争、吨 、0司 龟 、 j 、 绍 置皂 口夸 畦 、 室 卜- u叫 i 、 口 一 弓 q t 卟、 j r c 。 哗 图2 - 4m o h r 相关图 1 0 目( m m 武汉大学工程硕士学位论文 1 0 渺 一_ 一 - 吖 金 l 上- ，_ ， 一一 一 6 d 匹 口l ， 厂 _ 一 忍 2 0 t 0 _ d l ，_ - d 一 - 一4 0 冉 0 口v 丹o w o l u u 己 每z 小j l 1 一 图2 - - 5m h n 0 相关图 五、小流域设计洪水过程 一些中小型水库，能对洪水起一定的调蓄作用，此时即需要设计洪水过程线。 推理公式法设计洪水计算多配以概化的设计洪水过程线。通过对有实测资料地区的 洪水过程线分析，求得能概括洪水特征的平均过程线即概化洪水过程线模式。常见 的概化过程线有的用数学方程表示；有的用简单的三角形、五边行、六边行曲线 型等概化过程线表示：有的采用实测资料经地区综合典型过程线，根据设计的洪峰 和洪量进行放大得到。我国有些地区水文手册中有典型的无因次洪水过程线，该过 程线以q q 。为纵坐标，t ，t 为横坐标称为标准化过程线，使用时用q 。及t 分别 乘以标准化过程线，便得到设计洪水过程线。所以，由概化洪水过程转化为设计洪 水过程线，必须知道设计洪峰和设计洪量，设计洪量可根据设计暴雨推求。 l 、设计暴雨计算 小流域设计暴雨与其所形成的洪水假定具有相同频率。针对小流域水文资料缺 乏的特点，设计暴雨推求常采用以下步骤：根据省( 区) 水文手册( 包括有关的 水文图集，如暴雨径流查算图表) 中绘制的暴雨参数等值线图，查算出统计历 时的流域设计雨量，如2 4 f l 设计暴雨量等；将统计历时的设计雨量通过暴雨公式 武汉大学工程硕士学位论文 转化为任一历时的设计雨量：按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放 大，得设计暴雨过程。 2 、设计净雨计算 小流域地区由设计暴雨推求净雨，常采用产流参数按平均损失率法扣损得到。 3 、设计洪量计算 设计洪量由设计净雨推求，计算公式如下。 w = i 0 0 0 r f( 2 - 9 ) 上式中； w 一设计洪量，m 3 ； r 一设计净雨，m m ； f 一流域面积，k m 2 。 2 22 经验公式法小流域设计洪水计算3 根据一个地区内有水文站的小流域实测和调查的暴雨洪水资料，直接建立主要 影响因素与洪峰流量间的经验相关方程，此即洪峰流量地区经验公式法。所以，经 验公式法用于小流域推求设计洪水的洪峰流量。计算洪蜂流量的地区经验公式是根 据一个地区各河流的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特征，降雨特 性之间的相互关系，建立起来的关系方程式。这些方程都是根据某一地区实测经验 数据制定的，只适用于该地区，所以称为地区经验公式。影响洪峰流量的因素是多 方面的，包括地质地貌特征( 植被、土壤、水文地质等) 、几何形态特征( 集水面积、 河长、比降、河槽断面形态等) 以及降雨特性。地质地貌特征往往难于定量，在建 立经验公式时，一般采用分区的办法加以处理。因此，经验公式的地区性很强。经 验公式最早见于1 9 世纪中期，由洪峰流量与流域面积建立关系。当时由于水文资 料十分缺乏，没有频率概念。以后，随着工程建设的开展，各国在建立地区经验公 式方面做了许多工作，使经验公式逐渐具备了新的形式和内容。我国水利、交通、 武汉大学工程硕士学位论文 转化为任一历时的设计雨量：按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放 大，得设计暴雨过程。 2 、设计净雨计算 小流域地区由设计暴雨推求净雨，常采用产流参数按平均损失率法扣损得到。 3 、设计洪量计算 设计洪量由设计净雨推求，计算公式如下。 w = i 0 0 0 r f( 2 - 9 ) 上式中； w 一设计洪量，m 3 ； r 一设计净雨，m m ； f 一流域面积，k m 2 。 2 22 经验公式法小流域设计洪水计算3 根据一个地区内有水文站的小流域实测和调查的暴雨洪水资料，直接建立主要 影响因素与洪峰流量间的经验相关方程，此即洪峰流量地区经验公式法。所以，经 验公式法用于小流域推求设计洪水的洪峰流量。计算洪蜂流量的地区经验公式是根 据一个地区各河流的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特征，降雨特 性之间的相互关系，建立起来的关系方程式。这些方程都是根据某一地区实测经验 数据制定的，只适用于该地区，所以称为地区经验公式。影响洪峰流量的因素是多 方面的，包括地质地貌特征( 植被、土壤、水文地质等) 、几何形态特征( 集水面积、 河长、比降、河槽断面形态等) 以及降雨特性。地质地貌特征往往难于定量，在建 立经验公式时，一般采用分区的办法加以处理。因此，经验公式的地区性很强。经 验公式最早见于1 9 世纪中期，由洪峰流量与流域面积建立关系。当时由于水文资 料十分缺乏，没有频率概念。以后，随着工程建设的开展，各国在建立地区经验公 式方面做了许多工作，使经验公式逐渐具备了新的形式和内容。我国水利、交通、 武汉大学工程预士学位论文 铁道等部门为了修建水库、桥梁和涵洞，对小流域设计洪峰流量的经验公式进行了 大量的分析研究，在理论上和计算方法上都有所创新，且由于结构形式简单，计算 环节较少，便于学者掌握，在实用上己发挥了一定的作用。但是，经验公式不着眼 于产汇流原理，只进行该地区资料的统计归纳，故地区性很强。一般地说，由哪个 地区资料建立的公式，只适用于哪个地区。借用其它地区的经验公式，要格外小心， 必须用本地区一定的资料进行检验且此类公式受实测资料限制，缺乏大洪水资料 的验证，不易解决外延问题。经验公式的类型很多，归纳起来可分为两类： i 单因素公式 目前，各地区使用的最简单的经验公式是以流域面积作为影响洪峰流量的主要 因素，把其他因素用一个综合系数表示，其形式为； q 。= c ，f “( 2 - i 0 ) 式中q m p 一一设计洪峰流量，m 3 s ； f 一流域面积，k 群； n 经验指数； c 。随地区和频率而变化的综合系数。 在各省( 区) 的水文手册中，有的给出分区的f i 、g 值，有的给出c ，等值线图。 对于给定设计流域，可根据水文手册查出c 。及n 值，并量出流域面积f ，从而 算出q m p 。式( 2 1 0 ) 过于简单，较难反映小流域的各种特性，只有在实测资料较多 的地区，分区范围不太大，分区暴雨特性和流域特征比较一致时，才能得出符合实 际情况的成果。 2 多因素公式 有不少省( 自治区、直辖市) 由于资料条件的限制，主要是具有长系列的小流域 测站少，不适合制作上述形式单因素经验公式。在这种情况下，宜于制作包含降雨 等影响因素的多参数经验公式。公式中对降雨、流域特征、地形等主要因素都逐项 武汉九学工程硕士学位论文 作了考虑故适用范围比较大，甚至全省可作为一个分区。另外，由于公式中包含有 对洪水起决定作用的暴雨因素，故在制作公式时可以撇开频率的影响，使短系列的 小流域资料也能够用上，为制作公式提供了更为丰富的资料基础。使用公式时，采 用一定频率的设计暴雨就可得到相应频率的设计洪水。为了反映小流域上形成洪峰 的各种特性，目前各地较多地采用多因素经验公式。例如考虑暴雨特性的经验公式： q f c h z f “ ( 2 - 11 ) 引入暴雨量和流域特征的经验公式： 瓯。= c h k f f “( 2 - 1 2 ) k ，流域形状系数，k ，= f l 2 ： h 。设计年最大2 4 h 暴雨量m m ； m 、n 一一指数； c 综合系数。 以上指数、综合系数是通过使用地区实测资料分析得出的。多因素公式选用因 素的个数可从两方面考虑。一是能使计算成果提高精度，使公式的使用更符合实际， 但所选用的因素必须能通过查勘、测量、等值线图内插等手段加以定量。二是与形 成洪峰过程无关的因素不宜随意选用，因素与因素之间关系十分密切的不必全部选 用。否则无益于提高计算精度，反而增加计算难度。 2 2 3 综合瞬时单位线法小流域设计洪水计算”5 “2 ” 瞬时单位线是1 9 5 7 年纳希提出的一种汇流曲线，以瞬时净雨作为入流，经过流 域调蓄以后，在流域出口断面的地表径流过程就是瞬时单位线。其公式形式为： u ( o ，t ) 2 击( 古) ”1 e 。“：m 2 i 1 k ( 2 1 3 ) 式中：r 1 为伽玛函数：n 为概化的串联水库个数，即流域的调节次数：k 为流域汇流 历时参数。 武汉九学工程硕士学位论文 作了考虑故适用范围比较大，甚至全省可作为一个分区。另外，由于公式中包含有 对洪水起决定作用的暴雨因素，故在制作公式时可以撇开频率的影响，使短系列的 小流域资料也能够用上，为制作公式提供了更为丰富的资料基础。使用公式时，采 用一定频率的设计暴雨就可得到相应频率的设计洪水。为了反映小流域上形成洪峰 的各种特性，目前各地较多地采用多因素经验公式。例如考虑暴雨特性的经验公式： q f c h z f “ ( 2 - 11 ) 引入暴雨量和流域特征的经验公式： 瓯。= c h k f f “( 2 - 1 2 ) k ，流域形状系数，k ，= f l 2 ： h 。设计年最大2 4 h 暴雨量m m ； m 、n 一一指数； c 综合系数。 以上指数、综合系数是通过使用地区实测资料分析得出的。多因素公式选用因 素的个数可从两方面考虑。一是能使计算成果提高精度，使公式的使用更符合实际， 但所选用的因素必须能通过查勘、测量、等值线图内插等手段加以定量。二是与形 成洪峰过程无关的因素不宜随意选用，因素与因素之间关系十分密切的不必全部选 用。否则无益于提高计算精度，反而增加计算难度。 2 2 3 综合瞬时单位线法小流域设计洪水计算”5 “2 ” 瞬时单位线是1 9 5 7 年纳希提出的一种汇流曲线，以瞬时净雨作为入流，经过流 域调蓄以后，在流域出口断面的地表径流过程就是瞬时单位线。其公式形式为： u ( o ，t ) 2 击( 古) ”1 e 。“：m 2 i 1 k ( 2 1 3 ) 式中：r 1 为伽玛函数：n 为概化的串联水库个数，即流域的调节次数：k 为流域汇流 历时参数。 武汉大学工程颀七学位论史 单位线法实质上是系统分析的一个应用。作为系统输入的净雨，是时间( 单位 时段内) 和空间的分布函数，而单位线的定义则将系统输入的净雨在时间上、空间 上均化了；流域的输入( 净雨量) 和流域的输出( 流量) 是一个极为复杂的非线性系统 而单位线的假定则将其简化为线性时不变系统。控制单位线形状的要素有三个，即 单位线的洪峰流量q 。，洪峰滞时t ，( 净雨开始至洪峰出现的时距，也有以单位雨 量i 的形心至洪峰出现的时距表示) 和单位线的总历时( 单位过程线的长) t 。 图2 - 6单位线三要索示意图 上述三个要素的前两个要素是最主要的要素，在有实测暴雨径流资料的流域上，利 用时段单位线或瞬时单位线，则可以由设计暴雨推求设计洪水。对于一般小流域， 由于缺乏实测暴雨径流资料，往往不能求得单位线。此时，可根据附近地区从实测 暴雨径流资料分析得出的单位线，建立单位线要素与流域特征之间的经验关系，在 没有单位线的小流域上，只要知道它的流域特征，便可通过地区经验关系找到它的 单位线要素从而求得它的单位线。上述经验关系是根据地区的各种流域特征资料 综合而来的，故称为综合单位线。影响单位线要素的因素是多方面的，其中有降雨 特性、流域几何特征以及流域自然地理特征。降雨特性包括降雨量和时空分布，它 武汉大学工程硕士学位论文 对单位线诸要素有一定的影响。为了消除其影响，在制作综合单位线时，必须采用 某一标准雨量的单位线进行综合。但是也有把降雨特性作为参数之一与单位线要素 建立关系的流域自然地理特征对单位线的影响比较复杂，有的难以定量表示a 在 分析综合单位线时，一般不用这些特征作为参数，而是按照这些特征划分水文分区， 然后分区建立综合单位线。流域几何特征是影响单位线的主要因素，常用的有流域 面积f 、河道于流长度l 、河道干流坡降j 、流域形心点至出口处的距离l 等等。 在一个地区内，分析综合单位线的关键在于如何抓住影响单位线要素的主要流域几 何特征，建立切合地区实际情况的关系式。综合单位线分为综合时段单位线和综 合瞬时单位线两种。早在本世纪3 0 年代，美国史奈德最先提出综合时段单位线的 概念和计算公式，至今仍被采用。我国在综合时段单位线方面做了很多工作，部分 地区已采用综合瞬时单位线取代综合时段单位线来推求小流域的设计洪水过程线 的一整套方法。推理公式法、地区经验公式法、主要是推求设计洪峰流量的，再另 配洪水过程线。而综合单位线法则是将洪峰、洪量、洪水过程线作为一个整体进行 计算。综合单位线的这种优点，加上瞬时单位线方法本身也很简便，故近年来得到 了迅速推广。对于无实测资料的中、小流域，用综合瞬时单位线法推求设计洪水过 程的步骤大体如下： ( 1 ) 根据产流计算方法。例如径流系数法、损失参数，计算净雨法，由流域的 设计暴雨推求设计净雨过程。 ( 2 ) 将流域几何特征代入瞬时单位线参数地区综合公式求m 。m 及n ( 3 ) 按设计净雨由m 。；。，求出设计条件的m 。，并由上一步的n 求k ( k = 虬n ) 。 ( 4 ) 选择时段单位线的净雨时段a t ，由n 、k 求时段单位线。at 应满足 t = ( 1 2 i 3 ) t 。的条件，t 。为时段单位线的涨洪历时。初定at 时可参考广东省 建议的数据，如表2 1 。 武汉大学工程硕士学位论文 表2 1时段单位线适宜净雨时段与流域面积的关系 5 流域面积f ( k 莳) 51 5 1 0 01 0 0 3 5 03 5 0 1 0 0 0 1 5 适宜净雨时段at ( )1 3 1 2l2 3 ( 5 ) 由设计净雨过程及时段单位线求得设计地面径流过程。 ( 6 ) 按各省( 区、市) 水文手册或有关设计单位建议的计算方法确定设计条件 下的地下径流流量。 ( 7 ) 地面、地下径流过程按相应时刻叠加，即得设计洪水过程。 武汉大学工程硕士学位论文 第三章广东省小流域设计洪水计算 3 1 广东省小流域设计洪水计算方法概述 六十年代初，广东省水文总站在原水利科学研究院水文研究所的指导和参与 下，按照水利科学研究报告第7 号：小汇水面积雨洪最大径流计算图解分析法， 利用广东省暴雨洪水对应实测资料反求推理公式参数，提出了目前国内通用的“推 理公式概化多峰过程线方法”及本省应用成果，颁发全省使用。1 9 7 2 年开始，增加 资料进行修订其成果广东省水文图集小汇水面积设计洪水计算方法于1 9 7 6 年刊印，作为我省短缺实测流量资料地点中小型水利工程设计洪水计算方法颁发， 在全省水利水电部门广泛使用。 1 9 7 9 年全国雨洪办组织开展有编制暴藤径流查算图表时，曾考虑广东省设计洪 水计算方法以1 9 7 6 年推理公式为基础作适当改进，1 9 8 1 年提出成果小汇水面积 设计洪水查算图表一推理公式简化法曾分发全省试用。由于该成果仍使用原来到 1 9 7 2 年的资料，不符合验收要求，还存在其它一些问题，没有参加珠江流域片的验 收，也未正式颁发，实际上并未普遍使用。 为改变广东省水利工程设计洪水计算长期以来主要采用推理公式单一方法的 状况，1 9 7 8 年开始了单位线方法的研究。通过对纳希瞬时单位线方法的深入分析， 汲取国内外经验，结合自己的研究成果，提出了一套具有本地特色的综合单位线方 法，定名为广东省综合单位线。1 9 8 8 年1 0 月和1 1 月广东省水利电力厅在广州并委 托全国雨洪办在北京，分别邀请省内及国内同行专家系统地审查广