第6章小流域设计洪峰流量ppt课件.ppt

第6章小流域暴雨洪峰流量计算 6 1小流域暴雨洪水计算的特点 小积水面积上的排水建筑物 如 城市街道排水沟 厂矿排除雨水的管渠 厂矿周围地区的排洪渠道 铁路和公路的桥梁和涵洞 立体交叉道路排水灌渠 小型水库溢洪道等建筑物 在设计时 需要求得该排水面积上某设计频率的暴雨所产生的相应的最大流量 以便按此流量设计排水管道 桥涵或溢洪道的尺寸 小流域面积范围 水利 F 100km2公路交通 F 200km2 给排水工程 一般要根据工程设计要求确定 当地势平坦 F 300 500km2 当地形复杂 F 10 30km2 小流域暴雨洪水计算的特点 无实测流量资料 所以常用暴雨资料推算设计流量 假定洪水与暴雨同频率 给排水工程设计一般只需要推算洪峰流量 方法 1 推理公式半理论半经验公式 以暴雨形成洪水的成因分析为基础 考虑影响洪峰流量的主要因素 建立理论模式 公式中的参数根据实测资料推求 2 地区经验公式利用水文站实测暴雨洪水资料以及流域地形 地质等影响洪峰流量的主要因素 建立洪峰流量和影响因素的经验关系 即可供该地区无资料流域使用 影响洪峰流量的因素很多 各因素之间的关系错综复杂 因此 在分析和建立经验关系时应抓住主要因素 一般重点分析以下三个主要问题 设计暴雨 暴雨强度公式 设计净雨 暴雨损失 流域汇流 设计暴雨 暴雨强度公式 已在第五章介绍 6 2设计净雨量的推求 暴雨损失 rainstormlosses 6 2 1暴雨损失及分类暴雨损失是指降雨过程中由于植物截留 建筑物截留 蒸发 填洼 下渗而损失的水量 损失包括 植物截留 建筑物截留 interceptionbyvegetation 降雨发生后 一部分雨水被植物茎叶拦截称为植物截留 降雨结束后耗于蒸发 雨期蒸发 evaporation 降雨期间流域蒸发量 数值较小 可忽略 下渗 infiltration 指雨水从地面渗入土壤的现象 下渗的水量一部分被土壤吸收 另一部分成为地下径流 被土壤吸收的那部分水量最终消耗于蒸发 填洼 depressiondetention 雨水被地面凹坑或洼地拦蓄的现象 拦蓄的水量称为填洼量 depressionstorage 暴雨量扣除损失量称为净雨量 netrainfall effectiverainfall 也称为产流量 其数量等于该场降雨形成的径流量 runoffamount 在上述的损失中 下渗损失是最主要的 下渗是指地面上的雨水从地表渗入土壤的运动过程 6 2 2下渗 Infiltration 1 下渗的物理过程当降雨持续不断地落在土壤表面时 雨水会渗入到土壤中 渗入土中的水分 在分子力 毛管力和重力的作用下发生运动 按水分子所受的力和运动特征 下渗可分为三个阶段 1 渗润阶段 入渗初期 下渗的水分主要受到分子力的作用 被土壤颗粒吸收 若土壤十分干燥 在强大的分子力吸引下 雨水迅速下渗 当土壤达最大分子持水量时 分子力不再起作用 这一阶段结束 2 渗漏阶段 入渗的雨水 主要在毛管力 重力作用下 沿土壤孔隙向下作不稳定运动 并逐步充填土壤孔隙直至饱和 此时毛管力消失 3 渗透阶段 土壤饱和后 水分在重力作用下呈稳定流动 此时下渗很稳定 下渗率 infiltrationrate 单位时间内渗入单位面积土壤中的水量 记为f 以mm min或mm h计 下渗率的大小与土壤特性 下雨开始时土壤含水量以及降雨强度等等因素有关 2 下渗曲线和下渗累积曲线 下渗是指地面上的雨水从地表渗入土壤的运动过程 下渗的快慢以下渗率表示 在一定下垫面条件下 充分供水的条件下的下渗率 称为下渗能力 infiltrationcapacity 下渗能力随时间的变化过程线 称为下渗能力曲线 简称下渗曲线 infiltrationcurve 如图6 1中的f t线所示 在充分供水条件下 f0与土质 土壤干湿程度有关 对干燥土壤 f0 70 80mm h fc只与土质有关 黄粘土fc 1 0 1 3mm h 细沙fc 7 8mm h Horton公式 假定 下渗过程是一个消退的过程 消退的速率与剩余量成正比 下渗率最终趋近于稳定下渗率fc 由此可得 下渗曲线可用数学模型来描述 解上述微分方程 得 式中 f0 fc 0 与土壤性质有关 根据实测资料或实验资料分析确定 下渗曲线的积分曲线称为下渗累积曲线F t 即从开始时刻到t时刻的累积下渗量 以mm计 累积曲线上任一点切线的斜率即为该时刻的下渗率 6 2 3设计净雨量的推求 初损后损法 将下渗损失过程简化为初损后损两个阶段 如图6 2所示 初损 产生地面径流之前的损失量 初损历时t0 降雨全部损失I0 包括初期下渗 植物截留 填洼等 后损 产流以后的损失 用产流历时 净雨历时 tc内的平均下渗率表示 1 初损量 initiallosses I0的确定由实测资料分析各场洪水的初损I0 如图 确定初损示意图 流域较小时 降雨基本一致 洪水过程线起涨点前的累积雨量就是初损I0 后损 laterlosses 指流域产生径流以后下渗的水量 用产流历时内平均下渗率表示 后损过程是非稳定过程 但一般变化不大 将其简化为常数 称为后损平均下渗率 净雨量 2 后损率的确定 h 6 3流域汇流 basinflowconcentration 6 3 1暴雨洪水形成过程 设流域内下了一场暴雨 暴雨强度过程线为 下渗过程为 在之前 全部降雨消耗于损失 实际下渗为i 在时刻 时刻之后 降雨强度大于下渗强度 实际下渗为f 产生地面净雨 净雨强度 净雨率 产流率 i f a 故在时刻 流域出口断面开始涨水 此后 流域内各处普遍产生径流 水量也不断 增加 汇入河网并汇集到出口断面 出口断面水位上涨 到时刻 地面净雨终止 但之前产生的净雨继续由坡面汇入河网并汇集到河槽 直至全部径流流出流域出口断面 即时刻为止 地面径流结束 洪水过程延续的时间比净雨历时 产流历时 和坡地漫流历时要长 从到称为流域最大汇流时间 concentrationtime 记为 即流域最远点A的净雨流到出口断面B所花的时间 净雨历时 地面径流历时 6 3 2等流时线原理 principleofisochronicline 汇流时间 concentrationtime 净雨从流域上某点流到流域出口断面的时间 等流时线 isochronicline 流域上汇流时间相等的点的连线 如图 标有1 2 的虚线 为单位汇流时段长 设想将流域划分为这样的界线 这种线具有如下性质 同一时刻在该线上形成的净雨都能在相同的时刻流达流域出口断面 这种线称为等流时线 流域上最远点净雨流到出口断面所经历的时间 称为流域最大汇流时间 简称流域汇流时间 或流域汇流历时 concentrationtimeofcatchment 记为 本例 3 t 等流时面积 isochronicaera 相邻两条等流时线间的面积f 或称为共时径流面积 本例 F f1 f2 f3 t时段内在等流时面积f上形成的净雨R都能在两个 t时段内流出流域出口断面 最大流量为 流域出口断面t时刻的流量 就是各等流时面积上在t时刻同时流达流域出口断面的流量之和 6 3 3不同净雨历时情况下的径流过程 设流域分为三块等流时面积 3 t 考察流域出口断面流量过程 1 净雨历时小于流域汇流时间 设流域内形成了2个时段的净雨 故净雨历时 产流历时 tc 2 t 出口断面形成的流量过程线为 Qm 推理公式第一个假定 净雨在时间和空间上分布均匀 即 R1 R2 R 则Qm视 f1 f2 和 f2 f3 的大小而定 记最大者为Ftc 称为净雨历时内最大共时径流面积 则有 K 单位换算系数 R mm f km2 当 t h时 K 0 278 当 t min时 K 16 7 显然 tc 2 t 而 3 t 所以 tc 洪峰流量是全部净雨在部分流域面积上形成的 称为部分汇流 地面径流汇流时间 Ftc 为净雨历时内最大共时径流面积 即参与形成洪峰流量的那部分汇流面积 与tc及流域形状有关 RR 形成洪峰流量的总净雨量 即全部净雨量 RR 2R tc时间内平均净雨强度 2 净雨历时大于等于流域汇流时间 设流域内形成了4个时段的净雨 故净雨历时 产流历时 tc 4 t 出口断面形成的流量过程线为 Qm 推理公式第一个假定 净雨在时间和空间上分布均匀 即 R1 R2 R3 R4 R 则有 显然 流域汇流历时 3 t R 3R为 历时内的净雨量 而净雨历时tc 4 t 全部净雨为4R tc 洪峰流量是部分净雨在全部流域面积上形成的 这种情况称为全面汇流 地面径流汇流时间 6 3 4暴雨洪峰流量公式 综上所述 当时 全部净雨在部分面积上形成的 当时 部分净雨在全部面积上形成的 地面径流总历时 全面汇流 部分汇流 6 4暴雨洪峰流量的推理公式 rationalformulaoffloodpeakflow 6 4 1水利水电科学研究院水文研究所公式 1 洪峰流量Qm计算公式 当时 部分汇流 推理公式第二假定 流域汇流面积随时间的增长率为线性关系 矩形假定 即 则上式可写为 两组推理公式 当tc 当tc 式中 R 为汇流历时 内形成洪峰流量的净雨量 RR为净雨历时tc内形成洪峰流量的净雨量 6 3 6 4 用毛降雨量表示 引入洪峰径流系数 令 当tc 时 当tc 时 代入上二式 合并得 式中 P 为汇流历时 内形成洪峰流量的暴雨量 当 推理公式中需求出R RR及 R RR就是产流计算 推求净雨的问题 为流域汇流时间 即流域汇流计算问题 设 设计暴雨强度过程线如图6 7所示 i表示瞬时雨强 产流历时tc内平均损失强度 用平均下渗率表示 为 按超渗产流概念 只有当i 时才产生地面径流 地面净雨 因此 i 是判别是否产生净雨的指标 下面先把设计雨强过程求出来 设计暴雨过程 历时为t的平均暴雨强度为 历时t内的降雨量Pt 历时为t的瞬时暴雨强度i t 为 即可得设计雨强过程 由图 当t tc时 i tc 故有 6 9 或 将 6 9 式移项 得 值的计算 产流量计算 1 当tc 时 时段内降雨量由 6 8 式为 而损失量为 汇流历时 内的净雨量 2 当tc 时 时段内降雨量由 6 8 式为 而损失量为 其中 产流历时tc内产生的净雨量 将 6 8 6 9 代入 得 6 8 6 9 综合 2 产流历时内平均损失率的计算 将 6 11 tc代入 6 13 RR 消去tc 整理得 和RR各省水文手册有经验关系或经验方法 式中 24h径流系数 可根据流域内土壤类型参照表6 2选用 当tc 24h 求出RR后代入 6 15 式即可求出 3 汇流计算 即 值的计算 流域汇流速度V采用半经验半理论公式表示 式中 m 流域汇流参数 factorofflowconcentration 各省水文手册一般都有经验关系 m L S1 3 S 主河道比降 theweightedmeanslopeofthemainwatercourse 以小数计 按式 6 31 计算 L 主河长 lengthofmainwatercourse 从流域出口断面沿主河道至分水岭的长度 km 经验指数 当断面形状概化为三角形 流域汇流时间 计算 流域汇流时间 h 将 6 5 6 20 联立 两个未知数Qm 两个方程 可以解出 的推求方法 联立 6 5 6 20 式 消去Qm 得 式中 为了应用方便 A 和 B 式消去 得 A B 左端为已知值 可通过试算求出 然后代入 A B 式求出 最后代入 6 5 求出Qm 4 汇流参数m的计算 汇流参数m相当于单位流量且比降为1时的流域汇流速度 由 6 20 式 有 m与流域坡面的糙率 河槽的糙率以及流域的长度 比降等因素有关 可利用实测暴雨洪水资料分析 然后建立经验关系 由于洪水大小不同 所以不同的洪水汇流速度 也不同 利用暴雨资料分析 时 必须区分全面汇流和部分汇流 两组推理公式 当tc 当tc 由上两组公式 可得 当tc 当tc 上式右端可根据实测洪水资料 洪峰 洪量 获得 所以可直接求出 上式右端R 是汇流历时 内的净雨量 是 的函数 无法直接利用 6 29 求出 须进行换算 首先 可以根据实测暴雨资料和分析这场暴雨洪水的损失 建立各种历时产流强度和历时的关系 最后根据 6 30 算出 并在图上求出 式中 是 历时内的产流强度 而Qm F是实测已知值 所以 值已知 一个水文站根据若干场实测暴雨洪水资料求出m之后 一般可取平均值作为该站m值 一个地区 省 根据小流域水文站资料求出各站m 然后建立经验关系 一般与流域特征因素建立经验关系 如表6 3 表6 4 5 流域特征参数F L S的确定 F 流域面积 km2 L 主河长 km S 主河道河底平均比降 小数或 河流断面以上的河底比降 3 设计洪峰流量Qm的计算 假定 洪水与暴雨同频率 由暴雨资料 当tc 时 n 当tc 时 n 具体步骤 流域参数F L S在地形图上量算 暴雨参数n AP查水文手册中的水文图集 可得 由设计标准P及P 型曲线 可求得24h设计暴雨量P24 P 再由式 5 31 推求AP 式中RR按下式估算 流域损失参数和汇流参数m 查水文手册 由经验关系求出 对没有经验关系的地区 可用 6 15 式估算 计算tc由式 6 11 汇流参数m查各省水文手册中m L S1 3经验关系 当tc 24h 小流域 式中 称为24h径流系数 可根据流域土壤类型查表6 2 推求QmP 第一种方法 图解法 graphicmethod 1 假定一组 QmP 假定一个QmP 由式 6 20 求出对应的 作QmP 关系曲线 如 线 线 Q 2 假定一组 求相应的QmP若tc 由式 6 12 计算 再由 6 5 式计算QmP 若tc 由式 6 14 计算 再由 6 5 式计算QmP 作 QmP关系曲线 如 线 线 线 Q 线 线 QmP Q 3 求QmP 线和 线的交点对应的纵横坐标即为所求 第二种方法 试算法 cut and trialmethod 1 假设一个QmP 代入式 6 20 得到一个相应的 2 求比较tc与 的大小 当tc 由式 6 12 计算 再由 6 5 式计算 若tc 由式 6 14 计算 再由 6 5 式计算 3 比较QmP和 若 即为所求 若 令 返回 1 例6 1 湖南省某小水库 求百年一遇设计洪峰流量 解法一 1 流域参数 2 汇流参数 本流域属土石山区 植被条件一般 查表6 3 m 0 70 0 80 或 湖南省 F 34 6km2 m 0 80 取m 0 80 3 设计雨力AP 查水文手册中暴雨等值线图 得 由P 1 CS24 1 40 查 P值表 得 P 3 27 2 03h 设 再设 所以 求 由 A 式 6 计算QmP 当tc 时 n 当tc 时 n 已知 设 计算 求 求 取 设 计算 求 求 取 例6 2 江西省 流域上需要建小水库一座 要求用推理公式法推求百年一遇设计洪峰流量 计算步骤如下 1 流域特征参数F L S的确定F 104km2 L 26km S 8 75 2 设计暴雨特征参数n和AP暴雨