第七章(由暴雨资料推求设计洪水).ppt

工程水文学 内蒙古农业大学水建院 资源环境系 李凤玲 暴雨P t 净雨R t Q t Q t 产流 扣损 两种产流方式 汇流 面暴雨 第七章由暴雨资料推求设计洪水 第一节概述一 原因 1 中小流域常常流量资料不足或代表性差 无法直接用流量资料推求设计洪水 需用暴雨资料 2 人类活动对径流的影响 破坏了洪水资料系列的一致性 3 为了对比论证设计成果的合理性 4 无资料地区小流域的设计洪水 5 可能最大降水 洪水 二 主要内容 1 推求设计暴雨根据实测暴雨资料 用统计分析和典型放大法求得 2 推求设计洪水过程线由求得的设计暴雨 利用产流方案推求设计净雨过程 利用流域汇流方案由设计净雨过程推求设计洪水过程 注意 由暴雨资料推求设计洪水 其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的 但这一假定在很多情况下并不成立 三 暴雨资料收集 审查与插补延长1 资料的收集来源 主要为站网观测资料 2 暴雨资料的审查日雨量资料 自记雨量资料 分段雨量资料 订正 可靠性 代表性 一致性 3 插补延长基本同前 第二节设计面暴雨量的推求 设计面暴雨量 指设计断面以上的流域的设计面暴雨量 指定统计时段 一般有两种计算方法 1 直接法2 间接法 资料要求 雨量站多 分布较均匀 各站又有长期的同期资料 能求出比较可靠的流域平均面雨量 方法 直接选取每年指定统计时段的最大面暴雨量 进行频率计算求得设计面暴雨量 一 设计面暴雨量的直接计算 1 暴雨资料的统计选样 2 特大值的处理 3 面雨量频率计算 4 计算成果合理性检验 设计面暴雨量的直接计算步骤 选定面雨量计算方法 计算每年各次大暴雨的逐日面雨量 选定不同统计时段 统计逐年不同时段年最大面雨量 固定时段年最大值法 样本 1 暴雨资料的统计选样 例7 1 某流域有3个雨量站 分布均匀 可按算术平均法计算面雨量 统计不同时段雨量 对于大 中流域的暴雨统计时段 我国一般取1 3 7 15 30日 其中1 3 7日暴雨是一次暴雨的核心部分 直接形成所求的设计洪水部分 而统计更长是为了分析起始时刻的流域蓄水情况 2 特大值的处理系列中是否含有特大暴雨直接影响系列的代表性 一般暴雨变幅不很大 若不出现特大暴雨 统计参数均值 Cv往往会偏小 但加入特大暴雨 未作特大暴雨处理 又会使统计参数偏大 例7 2 福建长汀县四都站 根据1972年以前最大一日雨量 据此求得 1 特大值的判断经验频率点据明显偏离曲线 模比系数的大小 暴雨的量级是否突出 2 暴雨调查移用邻近流域已发生的特大暴雨资料 3 特大值重现期的确定一般认为 当流域面积较小时 流域平均面雨量的重现期与相应洪水重现期相近 3 面雨量频率计算适线法 经验频率 期望值公式 线型 P 型 Cv 0 6 Cs 3 0Cv Cv 0 45 Cs 4 0Cv一般地区Cs 3 5Cv 4 设计面暴雨量计算成果合理性检验1 比较统计参数 随面积增大而逐渐减小 2 直接法计算结果与间接法计算结果比较 3 与邻近地区的特大暴雨历时 面积 雨深资料比较 资料情况 雨量站稀少 或观测系列甚短 或同期观测资料很少甚至没有 无法直接求得设计面暴雨量 方法 先求流域中心的设计点暴雨量 然后通过暴雨点面关系 求相应的设计面暴雨量 二 设计面暴雨量的间接计算 点 面 1 设计点雨量的计算设计点雨量是要推求流域中心的设计点暴雨量 如果流域中心或附近有雨量站 且有长系列观测资料 可采用频率计算方法直接计算 实际上很少这种情况 一般是求出流域各站的设计点暴雨 绘制设计点暴雨量等值线图 插值出流域中心的设计点暴雨量 设计点雨量频率计算 选样 固定时段年最大值法 注意特大值的处理 统计参数 应符合地区变化规律 检查其合理性 缺乏资料时 可查各省区水文手册 2 设计面暴雨量的计算利用点面关系 定点定面关系 点动面关系 1 定点定面关系固定点 长系列资料的雨量站 流域中心或附近 固定面 设计流域 比较多和分布均匀的雨量站 选若干次大暴雨 求出若干个某时段暴雨量的 0值 加以平均 作为点面折减系数 用所求得的各时段设计点暴雨量 乘以相应的点面折减系数 就可得出各种设计时段设计面暴雨量 2 动点动面关系以暴雨中心点面关系代替定点定面关系 以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量 由于暴雨中心的位置和暴雨分布不尽相同 是变化的 所以称为动点动面关系 注意 由于大中流域点面雨量关系一般都很微弱 应尽可能的采用直接法计算设计面暴雨量 第三节设计暴雨时 空分配计算一 设计暴雨时程分配的计算方法 典型暴雨同频率控制缩放 同频率法 1 典型暴雨的选择和概化条件 代表性 出现次数较多 分配形式接近多年平均和常遇情况 雨量大 强度大 对工程不利 暴雨核心部分偏后 形成的洪峰也偏后 对水库安全影响较大 在缺乏资料时 可引用水文手册中的概化的典型雨型 2 缩放典型过程 计算设计暴雨的时程分配例7 3 某流域百年一遇各种时段暴雨量如下表 选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨分配计算见下页表 最大24设计及典型暴雨的时程分配见下表 二 设计暴雨时的地区分布方法 1 典型暴雨图法 略 2 同频率控制法 略 降雨P t 扣除损失 净雨R t 产流计算 汇流计算 数量相等 流域出口断面径流过程Q t 第四节设计净雨的推求 一 径流系数法 略 二 暴雨径流相关图法 蓄满产流 三 初损后损法 超渗产流 二 暴雨径流相关图法 建立在蓄满产流基础上 一 蓄满产流方式 包气带 饱水带 蓄满产流方式示意图 蓄满产流下的总径流深 蓄满产流下的总径流深 一般认为 产流量中有一部分按稳渗下渗 其下渗率为fc 下渗水量fct形成地下径流R下 超过稳渗强度部分形成地面径流R面 二 暴雨径流相关图 P Pa R 的绘制每场降雨过程流域的面平均雨量相应产生的径流量影响径流形成的主要因素 Pa 相关分析 建立相关图 在我国湿润和半湿润地区最常用的是P Pa R三变量相关图 P Pa R三变量相关图各变量计算 1 流域平均雨量计算 1 算术平均法条件 流域内雨量站分布较均匀 地形起伏变化不大 2 垂直平分法 泰森多边形法 条件 流域雨量站分布不太均匀 为了更好地反映各站在计算流域平均雨量中的作用 假设 流域各处的雨量可由与其距离最近的雨量站代表 3 等雨量线法条件 当流域地形变化较大 而雨量站分布较密 能结合地形变化绘制等雨量线时 该方法能考虑流域地形的变化绘制等雨量线 比较好地反映了降雨在流域上的变化 精度较高 但是绘制等雨量线需要较多站点的资料 且每次都要重绘 工作量大 2 径流深计算需要分割流量过程线 地面径流 表层流径流 地下径流 前期洪水未退完的部分水量 非本次降雨补给的深层地下径流 本次洪水形成 割除 一次洪水流量过程 B H I 本次降雨形成径流过程 A C E F 前次洪水未退完的部分 G 深层地下径流 基本流量 t h D F Q m3 s 过程线分割示意图 1 基本流量的分割 取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割 ED线 2 流量过程线的分割及不同水源的划分 AF线和CD线 退水曲线法 退水曲线 流域需水量的消退过程线 取多次洪水的退水部分综合确定 作图法 Q m3 s t h 作图法示意图 取多次洪水的退水部分绘于透明纸上 沿时间轴平移 使尾部重合 作外包线 Kg 地下水退水参数 Kg越大地下水退水越慢 反之则快 计算法 取平均值作为该流域值 t t t Q m3 s t h 3 径流量的计算兰色的面积 ABCDFA A B D E F H I G Q m3 s t h C C D D的面积与AEF大约相等ABCDFA ABCC D FEA 本次降雨形成径流过程 前次洪水未退完的部分 深层地下径流 基流 实际径流量计算时 4 水源的划分 斜线分割法上面从洪水过程中割除了基流和前期洪水的退水部分 得到本次洪水的径流过程 地面径流 表层流径流 地下径流 直接径流 地表径流 本次洪水的径流过程 A B C D E F H I G 本次降雨形成径流过程 深层地下径流 基流 Q m3 s t h 直接径流 地下径流 3 前期影响雨量 土壤含水量 的计算降雨开始时 流域土壤的干湿程度 即土壤的含水量大小 是影响降雨形成径流过程的一个主要因素 如何来表示流域的土壤含水量 前期影响雨量Pa 降雨开始时的土壤含水量 1 前期影响雨量Pa的计算公式 如果第t日内有降雨Pt 但未产流 则 如果第t日内有降雨Pt并产生径流Rt 则 注意 Pa WM 若计算出Pa WM 则取Pa WM K 0 8 0 9 4 流域最大蓄水量WM Imax Im 和消退系数K 1 流域最大蓄水量WM 流域蓄水容量 植物截留 填洼 包气带的蓄水容量 采用实测雨洪 久旱无雨后一次降雨量较大且全流域产流 资料确定 取若干次洪水 其前期十分干旱 Pa 0 降雨量相当大 达到全流域蓄满产流 取次洪水损失的最大值 流域实际蓄水量在0 WM之间变化 湿润地区80 140mm 2 消退系数K消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性 流域蒸散发取决于 1 流域蒸散发能力EM 2 流域供水条件 即流域蓄水量W WM 第t日的流域蒸发量 若第t日无雨 则该日流域前期影响雨量的减少全部转化为流域蒸散发 故 又 代入 得 EM为流域蒸发能力 可用E601观测器观测的水面蒸发值作为近似值 例7 4 前期影响雨量Pa的计算 P Pa R三变量相关图 两时段降雨 P1 49mm P2 81mm 降雨开始时 Pa 60mm 由P1 49mm 查得 R1 20 0mm 由P1 P2 130mm 查得 R1 R2 80 0mm 则第二时段净雨为 R2 80 20 60mm 三 三变量相关图的应用 降雨相关图的规律 1 P相同 Pa越大 损失越小 R越大 故Pa等值线的数值自左向右增大 2 Pa相同时 P越大 损失相对于P越小 径流系数越大 P R线的坡度随P的增大而减缓 但不应小于45 降雨径流相关图也可简化为P Pa R关系 1 某流域最大土壤蓄水量WM 100mm 流域蓄水的日消退系数k 0 8 试根据下表数据计算5月16日 19日各日的前期影响雨量Pa值 作业 四 地面 地下径流净雨的划分上面求的是总净雨R 包括地面净雨RS和地下净雨RG 需要划分开 以便分别进行汇流计算 用fc划分 蓄满产流是在包气带蓄满后才产流 此时的下渗率为稳定下渗率fc 当雨强i fc时 i fc 形成地面净雨 fc形成地下净雨 当雨强i fc时 只形成地下净雨 对于一场降雨 产生的地下净雨总量为 上式表明 只要知道流域的fc 就可以把时段产流量划分为地面 地下两部分 推求fc可以利用实测的降雨径流资料 计算本次降雨的径流过程 并分割出相应降雨过程的地面和地下径流过程 加上相应的蒸散发过程 由上式反推 例7 5 某流域一次降雨径流过程 已求得各时段产流量如下表 并按前述方法求得地下径流量38 1mm 推求稳定下渗率fc 先假设fc 2 0mm h 有 再设fc 1 6mm h 有 与38 1mm相近 因此 确定该场洪水的fc 1 6mm h 五 设计Pap的计算求设计条件下的土壤含水量 即设计Pa 1 取设计Pa Im雨水充沛 土壤湿润 2 扩展暴雨过程法 30日设计暴雨过程 3 同频率法当得出Pap Im时 则取Pap Im 上述三种方法中 扩展暴雨过程法用得较多 第一中方法仅适用于湿润地区 同频率法往往误差较大 常出现一些不合理得现象 三 超渗产流的产流量计算 初损后损法 1 概述在干旱半干旱地区 地下水埋藏很深 流域的包气带很厚 缺水量大 降雨过程中的下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量 所以不产生地下径流 并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流 这种产流方式称为超渗产流 超渗产流只形成地面净雨 超渗产流示意图 2 超渗产流的产流量计算 初损后损法 1 降雨初期到出现超渗产流 这一阶段称为初损阶段 历时为t0 降雨损失I0 2 产流以后的降雨期为后损阶段 损失减小 损失按平均下渗能力来计算 ftR P 1 初损量I0的确定 小流域 径流过程的起涨点以前的累积雨量可以作为初损的近似值 大流域 则要考虑流域内各雨量站至流域出口断面汇流时间不同的问题 分别确定各自的产流开始时刻 再确定初损 实际工作中 根据各次降雨初损I0 土壤含水量Pa 以月份 M 为参数绘Pa M I0相关图以备设计时用 Pa mm I0 mm 4 5 6 7 M 月份 Pa M I0相关图 或绘Pa i I0相关图 2 平均后损率f一次降雨形成的径流深R 因此 对多次降雨资料分析 确定平均后损率f 例7 6 某次实测降雨过程 降雨开始时Pa 0 15 4mm 推求净雨过程 根据Pa M I0相关图查得 I0 31 0mm 多次降雨资料分析确定流域平均后损率为1 5mm h 第六节设计洪水过程线推求降落在流域上的雨水 从流域各处向流域出口断面汇集的过程 称为流域汇流 设计洪水过程线推求 即由设计净雨 地面 地下净雨 通过流域汇流推求设计洪水过程线 流域汇流 坡地汇流 河网汇流 地面径流 壤中流 地下径流 直接径流汇流 地面径流 由地面净雨形成 由地下净雨形成 流域汇流关系图 流域产汇流计算过程示意图 一 等流时线法汇流计算流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间 称为汇流时间 流域汇流时间用 m表示 将流域上汇流时间相等的点子连成一条曲线 就是等流时线 两条相邻等流时线间的面积称为等流时面积 f1 f2 f3 两个时段 2 t 净雨 h1 h2 3个等流时面积 f1 f2 f3 形成的地面径流过程分析 二 经验单位线汇流计算 一 单位线意义及基本假定在给定的流域下 单位时段内均匀分布的单位地面 直接 净雨量 在流域出口断面形成的地面 直接 径流过程线 称为单位线 单位净雨量 径流深 一般取为10mm 单位时段 t可取1 3 6 12 24h等等 依流域大小而定 1 倍比假定 如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个单位 则形成的流量过程是单位线纵坐标的k倍 2 叠加假定 如果净雨不是一个时段而是m个时段 则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开相加 二 单位线的推求利用实测降雨径流资料推求 选择时空分布较均匀 历时较短的降雨形成的单峰洪水 步骤 根据流量过程线求地面径流 蓄满产流 超渗产流 利用降雨资料 推求地面净雨 蓄满产流 超渗产流 根据地面净雨及对应的地面径流过程线推求单位线 例7 7 已知某流域实测流量资