第七章(由暴雨资料推求设计洪水)

.,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）Qt,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）。Cv0.6，Cs3.0Cv；CvWM，则取Pa=WM。,K：0.80.9,.,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（Pa0），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0WM之间变化。湿润地区80140mm。,.,（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,.,PPaR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，PR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+PaR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ifc时，（i-fc）形成地面净雨，fc形成地下净雨。当雨强ifc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PapIm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PaMI0相关图以备设计时用。,Pa（mm),I0（mm),4,5,6,7,M（月份),PaMI0相关图,.,或绘PaiI0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PaMI0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（2t)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料分割后的地面径流过程以及推算出的地面净雨过程(如下表)，分析单位线。,.,.,.,（三）单位线时段转换单位线应用时，往往因实际降雨历时和已知单位线的时段长不相符合，不能任意移用；在对不同流域的单位线进行地区综合时，各流域的单位线也应取相同的时段长才能综合。例如：降雨记录只有四段制的，即每6小时观测一次，由此可分析得6h单位线，但实际上则需3h的单位线，就要将6小时单位线转换为3小时单位线。最常用的方法是S曲线法。,.,S曲线概念：假定流域上净雨持续不断，且每时段净雨均为一个单位，在流域出口断面形成的流量过程线。,.,单位线时段转换：将已知时段为t0的单位线q（t0，t）转换为时段为t的单位线q（t，t）。步骤：将S（t）曲线向右平移t，得另一条起始时刻迟t的S（t-t）曲线，两条S曲线纵坐标相减S（t）-S（t-t），代表t时段降雨量为：的净雨形成的流量过程线。根据倍比假定：,.,.,例7-8：将时段为6h的单位线转换为时段为3h和9h的单位线。步骤：求S（t）曲线。单位线转换。,.,.,.,（四）单位线应用例7-9：已知设计净雨