小流域设计洪水.ppt

10-6小流域设计洪水计算DesignFloodforSmallWatershed,一、概述铁路、公路建设中的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中的洪水设计，大多集水面积小，属小流域。小流域通常指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制。例如：水利部门F200km2，公路交通部门F100km2。小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有自己的特点，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。小流域设计洪水计算的主要特点是：,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，自然地理条件比较单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化性假定。例如假定短历时设计暴雨时空分布均匀等等。小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，在保证一定精度的前提下，力求简便。,小流域设计洪水的计算方法很多，如：推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法和综合单位线法。其中应用最广泛的是推理公式法，它的思路是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨设计净雨设计洪水的顺序进行计算。,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，小流域设计洪水，主要推求设计洪峰流量，对洪水过程线的要求低，一般采用概化过程线。,二、小流域设计暴雨的计算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，查算出各种历时的流域设计雨量，如24h设计暴雨量等。（如果有实测资料，可直接推求设计雨量）,工程设计中常用的暴雨历时有：城市排水：5、10、15、20、30、45、60、90、120min水利部门：1、3、6、12、24h,将各种历时的设计雨量建立暴雨公式，就可利用暴雨公式推求任一历时的设计雨量；,按分区概化雨型或移用邻近流域典型暴雨，用同频率法控制放大，求得设计暴雨过程。,1.特定历时的设计暴雨计算由各省区的暴雨径流查算图表和水文手册查取。例如湖北省1985年印发的暴雨径流查算图表中，就提供了7d、3d、24h、6h、1h及10min的暴雨参数等值线图，CS/CV值全省统一用3.5。据此，便可查出设计流域中心点位置的某特定历时暴雨的均值、CV及CS/CV，进而求得该历时设计频率的雨量。如：x24P、x6P、x1P。,2.用暴雨公式计算任一历时的设计雨量有了特定历时的设计暴雨量（如：x24P、x6P、x1P），就可以建立暴雨公式。大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用指数方程来表达，它反映一定频率某历时的平均降雨强度at，P与该历时t的关系，称为短历时暴雨公式。暴雨公式最常见的形式为：,式中，at，P：历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h；,SP：频率为P，历时为1h的平均暴雨强度（averagerainfallintensityfordurationt=1hwithfrequencyP），称为设计雨力，mm/h。n：暴雨参数、暴雨递减指数或暴雨衰减指数。,暴雨递减指数n与历时长短有关，且随地区而变化，可根据自记雨量资料分析。首先对实测各种历时的雨量进行频率分析，求得各种频率的设计雨强at，P及相应的历时t，然后推求n。由（10-1）式可知：,lgat，P,lgt,n2=0.60P=0.1%,n2=0.60P=1%,n1=0.40,n1=0.40,SP=0.1%,SP=1%,1h,用图解法可求得n。根据我国资料分析，大多数地区n与P无关，在t=1h的前后发生变化，记t1h为n1，t=124h为n2。n1、n2各地不同，各省（自治区、直辖市）已根据各自分析的n1、n2绘成了等值线图或分区查算图。,频率为P、历时为t的暴雨量：,计算步骤：已知：流域中心求出24h设计暴雨量x24，P。,由式（10-2）：,（10-3）,由式（10-2）（10-3），可求出任意历时t的设计雨量：当1ht24h：,当t时，损失率为，超渗部分i-形成净雨，总净雨量如图阴影部分所示。,只要有了，就可求出净雨量。各省水文手册一般有的经验关系，可直接查阅。,四、推理公式推求设计洪峰流量的基本原理（fundamentalconceptioninrationalformula）（一）推理公式的形式汇流时间（concentrationtime）：净雨从流域上某点流至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联线。如图：标有1、2、的虚线（为单位汇流时段长）。等流时面积（isochronicaera）：相邻两条等流时线间的面积f。本例：F=f1+f2+f3。,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：=3t。,t,h,Q,t,t,t,t时段内在等流时面积f上形成的净雨h都能在两个t时段内流出流域出口断面。最大流量为：,Q,设流域内形成了4个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）tc=4t，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：h1=h2=h3=h4=h，则有：,为净雨强度，或称为产流强度，记为：,a为平均降雨强度，为损失强度，故有：,另一种表示方法：,式中，=3t为流域汇流历时，h=3h为历时内的净雨量，而净雨历时tc=4t，全部净雨为4h。显然，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。,设流域内形成了2个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）tc=2t，出口断面形成的流量过程线为：,+,+,Qm,仍假定净雨时空分布均匀，即：h1=h2=h，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：,式中，hR=2h为净雨历时内的净雨量，即全部的产流量。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。显然，tc=2t，而=3t。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。,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：,最后有：,当tc：,当tc：,五、北京水科院推理公式及其应用推理公式中需求出h、hR及。h、hR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。,1、设计暴雨过程暴雨过程线对称；瞬时雨强峰值趋于无穷大；雨强过程线无法用显式表示；,i,时间,i,t,tc,历时为t时，瞬时雨强过程线上相应的雨量为设计雨量xt，P：,i,时间,i,t,tc,2、产流量计算当tc时：,i,时间,tc,h,i,时间,tc,hR,当tc时：,求tc：,i,时间,tc,hR,由式（10-2）：,瞬时雨强i(t)：,由图，当t=tc时，i(tc)=，故有：,所以：,另将代入hR式，消去，得：,3、流域汇流时间计算采用半理论半经验公式：,式中，L：主河长（lengthofmainwatercourse），从流域出口断面沿主河道至分水岭的长度，km。J：主河道比降（theweightedmeanslopeofthemainwatercourse），以小数计，按式（2-9）计算。m：流域汇流参数（factorofflowconcentration），各省水文手册一般都有经验关系：mL/J1/3,4、用推理公式推求设计洪峰流量将代入式（10-7），得：,tc,(10-15),tc,(10-16),将式（10-11）代入式（10-8），得：,5、计算步骤上述方程组需要7个参数：F、L、J、n、SP、m，即可解出QmP、。方法有图解法、试算法等。,具体步骤：流域参数F、L、J在地形图上量算暴雨参数n、SP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x24，P，再由式（10-3）推求SP：,流域损失参数和汇流参数m,查水文手册，求出；汇流参数m查mL/J1/3关系。,计算tc由式（10-10）：,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（10-12），求出对应的。,作QmP关系曲线，如线。,（2）假定一组，求相应的QmP若tc，由式（10-15）计算QmP；若tc，由式（10-16）计算QmP；,作QmP关系曲线，如线。,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（10-12）得到一个相应的；（2）求比较tc与的大小：,当tc，代入式（10-15）得；若tc，代入式（10-16）得；,（3）比较QmP和,若：，即为所求；若：，令，返回（1）。,【例10-2】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、J的确定F=104km2，L=26km，J=8.752.设计暴雨特征参数n和SP暴雨衰减指数n由各省（区）实测暴雨资料分析定量，可查当地水文手册。一般n的数值用点雨量资料代替面雨量资料直接推求，不必作修正。,从江西省水文手册中查得设计流域最大1日雨量得统计参数为：x24，P=1.1x1d，P暴雨衰减指数n=n2=0.60。由CS=3.5CV=3.50.42=1.47，P=1%，查值表，得：P=3.312。,3.产汇流参数、m的确定查有关水文手册，得：=3.0mm/h、m=0.70。,4.图解法求设计洪峰流量(1)假定一组：QmP,计算结果见表10-7。,表10-7QmP线及QmP线计算表,（2）假定一组，求相应的QmP,若tc，由式（10-15）计算QmP；若tc，由式（10-16）计算QmP；由表10-7，较小，故可设tc，由式（10-15）计算QmP：,计算结果见表10-7。,（3）作图,10-12,（4）求QmP、图10-12，两线交点处对应的Qmp即为所求的设计洪峰流量。由图读出,Qmp=510m3/s，=10.55h。检验是否满足tc，本例题=10.55htc=57h，所以采用全面汇流公式计算是正确的。,推理公式的另一种常用表示方式：两组公式：,当tc：,当tc：,式中，h为汇流历时内形成洪峰流量的净雨量；hR为净雨历时tc内形成洪峰流量的净雨量。,用毛降雨量表示，引入洪峰径流系数，令：,当tc时：,当tc时：,合并式（10-7）（10-8）：,引入暴雨强度公式（10-1）：,得洪峰流量公式：,产流量计算：当tc时：由图10-10（a）,当tc时：由图10-10（b）,将式（10-9）代入上式，得：,另将式（10-11）代入，整理得：,对没有的经验关系的地区，可用上式估算，式中hR按下式估算：,当tc24h（小流域）：,式中，称为24h径流系数，可根据流域土壤类型查有关设计手册。,当tc时，（n）：,当tc时，（n）：,已知：流域参数：F、L、J汇流参数：m暴雨参数：,1、由设计标准P及P-型曲线，可求得24h设计暴雨量x24，P，再由式（10-3）推求SP：,2、求tc若已知，由式（10-10）计算tc；,若未知，可由x24，PhR（E）式）（D）式）tc式（10-10）。,3、试算步骤：假定QmP（B）式求当tc时，（n）：当tc时，（：,当,：,地表净雨,地下净雨,（mm）,（mm）,计算设计洪量地表洪量（m3）地下洪量（m3）,地表洪水过程线采用福建省概化洪水过程线推求。先计算洪水形状系数，式中，T为地表洪水过程线的底宽，24h设计雨量固定为50h，然后根据值查关系表（见表9），乘以地表洪峰流量即得设计地表洪水过程线。,地下洪水过程线地下洪水过程线概化为等腰三角形，底宽是地表洪水过程线底宽的两倍，地下洪峰流量：T为地表洪水过程线的底宽。,设计洪水过程线将地下洪水过程线的洪峰流量置于