第三章+设计洪水流量ppt课件

.,1,第三章设计洪水流量,BridgeandCulvertHydrology,.,2,第三章设计洪水流量,设计流量：公路、桥梁和涵洞等各项工程设计时，根据国家技术标准规定的某一设计洪水频率，推算该频率相应洪水的洪峰流量，称为设计洪水流量（m3/s），简称设计流量。设计水位：桥位计算断面上通过设计流量相应的水位，称为设计洪水位，简称设计水位（m）。设计流速：设计流量通过桥位断面的河槽平均流速，习惯上称为设计流速（m/s）。,.,3,第三章设计洪水流量,新规范关于设计洪水频率的另外两条：二级公路的特大桥以及三级、四级公路的大桥，在水势猛急、河床易冲刷的情况下，可提高一级设计洪水频率验算基础冲刷深度。沿河纵向高架桥和桥头引道的设计洪水频率应符合本标准中路基设计洪水频率的规定。,.,4,第一节根据流量观测资料推算设计流量,由流量资料推求设计洪水的基本程序,.,5,第一节根据流量观测资料推算设计流量,一、洪水资料审查审查内容：可靠性、一致性、代表性（必须考虑特大洪水）、独立性,1.资料可靠性的审查与改正资料的可靠性审查：即鉴定资料的可靠程度。实测洪水资料：对测验和整编进行检查，重点放在观测与整编质量较差年份。包括水位观测、流量测验、水位流量关系等。历史洪水资料：一是调查计算的洪峰流量可靠性；二是审查洪水发生的年份的准确性。,应从资料来源、资料的测验和整编方法有无问题、刊印是否有误进行检查，可以通过上下游或干、支流水量平衡，流域年降水量等检查数据是否合理。,.,6,第一节根据流量观测资料推算设计流量,2.资料一致性的审查与还原洪水资料一致性：所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。,资料的一致性主要分析流域内下垫面条件是否稳定。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），和能与历史资料组成一个具有一致性的系列。例如上游建了比较大的水库，则应把建库后的资料通过水库调洪计算，修正为未建库条件下的洪水。洪水成因相同，不能把不同成因洪水列入同一系列。,.,7,第一节根据流量观测资料推算设计流量,当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时，则认为具有代表性；否则，则认为缺乏代表性。实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于2030年，并有特大洪水加入。当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要是采用相关分析的方法。注意样本的周期性与当地径流的周期性相吻合。,3.资料代表性的审查与插补延长资料的代表性:是指资料是否包括了丰水年、平水年和枯水年。若代表性差，就不能很好地反映总体的规律，统计计算结果的实际误差就大。为了提高资料的代表性，应尽可能展延径流系列的长度。,.,8,第一节根据流量观测资料推算设计流量,二、资料的插补和延长具有短期实测资料时设计年流量的计算，应首先利用各种可能途径尽量展延径流系列，然后再进行频率曲线的计算。1.利用桥位邻近的水文站和邻近河流年流量资料展延对设计流域的上、下游水文站，当两站的流域面积之差不超过10，两站之间无分洪或滞洪现象时可直接采用参证站的资料。也可以用经验公式近似计算：2.同一河流上、下游的两个水文站或邻近流域的测站有长期实测年最大流量资料，并且与设计流域的气候和下垫面条件相似时，可以选作参证站，用相关分析法展延设计站的年最大流量系列。3.两支流上水文站的流量对下游桥位可以叠加计算。,.,9,三、适线法求理论频率曲线及其统计参数（1）将实测系列xi由大到小排列，计算各项的经验频率，以变量的取值的纵坐标，以频率为横坐标，在频率格纸上绘出经验频率点距。（2）选定频率分布线型（一般选皮尔逊型）。（3）假定一组参数、Cv、Cs。为了使假定值大致接近实际，可用矩法或权函数法求出3个参数，作为3个参数第一次的假定值。当用矩法估计时，因Cs的抽样误差太大，一般不计算Cs，而是根据经验假定Cs为Cv的某一倍数（一般Cs=24Cv）（4）根据假定的、Cv、Cs，查表并计算xp值，以xp为纵坐标，p为横坐标，即可得到频率曲线。将此线画在绘有经验点据的图上，看与经验点据配合的情况，若不理想，则修改参数（主要调整Cv、Cs）再次进行计算。（5）最后根据频率曲线与经验点据的配合情况，从中选择一条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线。相应于该曲线的参数便看作是总体参数的估值。（6）求指定频率的水文变量设计值。,第一节根据流量观测资料推算设计流量,.,10,第一节根据流量观测资料推算设计流量,注意事项：1）尽量照顾点群的趋势；2）曲线通过点群中心3）侧重考虑中上部的较大洪水点据；4）对特大洪水作具体分析,.,11,求矩适线法桥位设计计算系统电算步骤：1）窗口选择“皮尔逊型曲线”；2）点击：“水文资料输入”，输入年最大流量系列；3）选择“流量连续性系列”，点击计算，Cv。,第一节根据流量观测资料推算设计流量,.,12,求矩适线法桥位设计计算系统电算步骤：4）点击“频率曲线图”，出现皮尔逊型频率曲线和经验点群窗口。目估检查所绘理论频率曲线与经验频率曲线的符合程度，选定一个Cs与Cv的比值m大小，在提示框选用m值，根据各参数对频率曲线位置的影响，反复调整统计参数值，直到两者符合得最好为止。,第一节根据流量观测资料推算设计流量,.,13,第一节根据流量观测资料推算设计流量,四、资料中特大洪水的处理,特大洪水：比一般洪水大的多的稀遇洪水，通过历史洪水调查，能知其数量大小和重现期的洪水。特大洪水出现的情况：在实测系列以外；在实测系列以内兼而有之。,.,14,特大值的处理的意义：通过特大值处理，可以延长系列资料，增强系列的代表性，减少各参数值的抽样误差，从而提高计算成果的稳定性和可靠性。一般同时采用三种来源的资料：水文站观测资料、参证站插补和延长资料、调查洪水和文献考证资料。,第一节根据流量观测资料推算设计流量,.,15,黄河某水文站，到1954年共有不连续的20年实测洪水资料，其中最大实测洪峰流量为3700m3/s。在1958年推算设计洪水时，虽然已调查到四次历史洪水资料，但因为有人对它们定量的可靠性有怀疑，只用了实测的二十年资料进行推算，得到百年一遇（p为1）的洪水流量为7500m3/s。（Cv=0.8）两年后，1956年该站实测到特大洪水为13100m3/s。若以此资料加入系列，即有22年资料，推算出Q（p1）为25900m3/s。再经过调查和历史文献考证，根据河床断面冲淤，修正历史洪水流量:1794年Q=25000m3/s，1853年18000m3/s，1917年Q=13,500m3/s，1935年Q=8300m3/s.如果1954年就采用调查到的四次历史洪水资料，其中1794年按160年350年以来的首位计算，得C=1.7;Q（p1）为30,000m3/s。后来，在1963年又测得特大洪水为12000m3/s。在1964年用全部资料进行计算，结果是Q（p1）为31，000m3/s。7500259003000031000可见计算结果已趋于稳定。当增大样本容量、即考虑历史洪水时，可以提高计算成果的可靠性。,第一节根据流量观测资料推算设计流量,.,16,第一节根据流量观测资料推算设计流量,实测期：把水文站观测资料的年限称为实测期（包括由参证站实测资料相关分析插补延长的资料）。调查期：调查洪水的最远年份到实测完毕的年限。（包括实测期）考证期：文献考证到的最远年份到实测完毕的年限。（包括调查期）连续系列：由实测和插补延长资料组成的系列中，如果没有特大洪水值需要提出单独处理，各项洪水值直接按其大小顺序统一排位，序号不间断，这一样本称为连续系列。不连序系列：当有特大洪水值，需在更长的时期内进行排位，序号不连续，这种样本的系列称为不连续系列。,.,17,第一节根据流量观测资料推算设计流量,1不连续系列的经验频率的计算方法方法一：将不连续系列划分为几个连续系列，作为从总体中抽取的几个独立样本，分别进行排位，对于每一个独立样本就可以按连续系列处理。若某项洪水可以同时在两个连续系列中排位时，其经验频率取其中抽样误差较小的（计算年限较长的系列推算的频率）。采用维泊尔公式计算经验频率。方法二：将实测系列与特大值系列共同组成一个不连续系列作为代表总体的样本，系列中各项在调查期N年内统一排位，按照不连续系列计算经验频率。,.,18,第一节根据流量观测资料推算设计流量,2不连续系列的统计参数计算方法在调查期或考证期内，特大洪水a个，其中l个发生在实测期n年内，则用下式计算均值和变差系数：,.,19,第一节根据流量观测资料推算设计流量,五、成果合理性检查1.从洪峰、洪量及统计参数随时间变化规律分析2.从洪峰、洪量及统计参数地区变化规律分析一般洪峰、洪量的均值从上游向下游增加；同一气候区条件下，CV值从上游向下游变小CS/CV值上、下游基本稳定3.从形成洪水的暴雨方面分析4.从设计洪峰流量与国内外极大洪水频率对比上分析,.,20,第二节根据地区经验公式推算设计流量,地区经验公式受气候和自然地理条件的影响，水文现象具有明显的地区性。跨越中小河流的桥梁，若缺少水文站观测资料，设计流量的推算，可查询当地的水文手册，根据地区公式计算。我国公路大中桥流量经验公式汇总报告1979年，交通部公路规划设计院主持，根据全国1785个水文站的观测资料，2198站年的历史洪水调查资料，制定我国公路大中桥流量经验公式汇总报告。报告将全国划分为111个分区，制定每个分区的流量计算参数表、Cv值表、Cs/Cv表。,.,21,第二节根据地区经验公式推算设计流量,一全国水文分区流量计算参数表,表中给出了三项资料：1）平均流量C和n值及误差范围2）频率p为2的流量Q2%KFn表中给出了K，n及误差范围3）Q1%/Q2%,根据此值，可由Q2%算出Q1%。,.,22,第二节根据地区经验公式推算设计流量,二、全国水文分区Cv值表表中给出了111个分区流域面积从100km2到50000km2的Cv值。一般面积越大，Cv值越小。,.,23,第二节根据地区经验公式推算设计流量,三全国水文分区Cs/Cv经验关系表可查出除台湾省（71区）、松嫩平原区（9区）和河西走廊北部荒漠区外，其他108分区的Cs/Cv值。,.,24,第二节根据地区经验公式推算设计流量,四、各表的用法,.,25,第二节根据地区经验公式推算设计流量,五使用范围和步骤一般适用于流域面积F小于50000km2的中等流域的桥位。首先在地图上勾绘出桥位以上的流域面积F，确定其分区，就可以按照上述方法确定设计流量。,.,26,第三节推理公式和经验公式,公路工程中位于小流域河流及沟渠的桥梁和涵洞，以及公路排水系统的设计流量，一般由暴雨资料来推求。降雨经过植物截留、土壤入渗等损失，再填满了流域坡面的坑洼，开始出现地面径流。降雨扣除各种损失后称为净雨。从降雨到净雨的过程称为产流过程。假定设计暴雨的频率与设计洪水的频率相同。一定频率时段平均降雨强度从降雨量推算净雨量，有两种方法：一种方法是降雨量乘以折减系数，即洪峰径流系数；另一种方法是从降雨量中减去损失雨量，损失雨量可用损失参数表示。,.,27,成因分析法由暴雨资料推求设计流量一、推理公式1.基本形式式中：频率为的流量;为单位换算系数0.278，取为平均雨强，为流域面积（km2）；为频率P的净雨强度；2.1958年水利科学研究院的推理公式：式中各参数可以由各地区的水文手册确定。,第三节推理公式和经验公式,.,28,3.80年代初，交通部公路科学研究所和各省交通设计院共同指定的小流域暴雨径流的推理公式：,3-3-1,3-3-2,3-3-3,3-3-4,4-3-1,第三节推理公式和经验公式,.,29,公式适用范围公路所公式一般应用于流域面积为100km2以下的小流域。水利科学研究院水文研究所1958年制定的推理公式，应用范围对于多雨湿润地区，流域面积一般在300至500km2以下；干旱地区为100km2至200km2以下。,第三节推理公式和经验公式,.,30,第三节推理公式和经验公式,.,31,二经验公式小流域暴雨径流经验公式：式中：系数Sp为设计频率对应的雨量。可以查各地水文手册雨量等值线或图表资料，或者全国雨力等值线图。u为降雨损失参数（mm/h）为地貌系数，可以查表求得m、为指数，查表求得。,公式（1）,公式（2）,第三节推理公式和经验公式,.,32,第四节桥位断面设计流量的推求方法,已知水文站的设计流量，为何要推求桥位断面的设计流量？答：二者不重合。如何推求？当水文站断面跟桥位较近，二者控制的流域面积不超过5%时，可直接用水文站设计流量代替；当二者面积相差大于5%且小于20%时，Q1=(F1/F2)nQ2，n可根据本流域或邻近流域的实测资料推求，一般可取0.5-0.7。C.当二者面积相差超过20%时，不能用上述公式，应结合实际情况，从多方面比较后确定。,.,33,第五节利用暴雨资料推算设计流量,一、几个关键问题为何用暴雨资料推求？答：流量资料不充分。该方法的适用条件：缺流量资料的大中河流；其结果只作为参考，误差比较大。该方法的一个基本前提：设计暴雨产生相应频率的设计洪水。,.,34,二、主要内容从定量上阐述降雨形成径流的原理和计算方法流域产汇流计算是工程水文学中最基本的概念和方法之一。是由暴雨资料推求设计洪水，降雨径流预报，流域水文模型等内容的基础。流域产汇流计算一般需要先对实测暴雨、径流和蒸发等资料做一定的整理分析，以便在定量上研究它们之间的因果关系和规律。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,35,三、推求流域面雨量的方法在水文分析中，仅知道流域内某一点的雨量是不够的，因为出流断面的径流是由全流域各处降雨汇集起来形成的，还需知道全流域的降雨量。由于降雨在地区上的分布不均匀性，需要推求流域的平均降雨量，常用计算方法有两种：1）算术平均法：当流域内雨量站分布较均匀、起伏变化不大时，可根据各站同时段观测的降雨量用算术平均法推求。2）垂直平分法：垂直平分法也称为泰森多边形法，如图7.4.2所示。每个多边形内有一个雨量站，以每个多边形内雨量站的雨量代表该多边形面积上的降雨量，最后按面积加权推求流域平均降雨量。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,36,第五节利用暴雨资料推算设计流量,四、次洪径流量的计算（见图5-1）1)径流过程线分析一是将前期洪水尚未退完的部分水量及非本次降雨补给的深层地下径流割去，求出本次洪水的径流总量。二是由于不同水源的水流运动规律不同，所以还需将本次洪水径流总量划分为不同的水源，包括地面径流、表层流径流和地下径流。一般把地面径流和表层流径流合并为直接径流，通常仍称为地面径流。,.,37,图5-1流量过程线的分割示意图,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,38,2）流量过程的分割流量过程线的分割及不同水源的划分常采用退水曲线。退水曲线是流域蓄水量的消退过程线。对某一流域而言，地下径流退水过程比较稳定，可取多次实测洪水过程的退水部分，绘在透明纸上，然后沿时间轴平移，使它们的尾部重合，最后作光滑的下包线，就是流域地下水退水曲线。见图5-2。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,39,图5-2流域地下水退水曲线,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,40,第五节利用暴雨资料推算设计流量,五、产流计算方法1）降雨径流相关法2）蓄满产流计算3）超渗产流计算5.1降雨径流相关法降雨径流相关是在成因分析与统计相关相结合的基础上，用每场降雨过程流域的面平均雨量和相应产生的径流量，以及影响径流形成的主要因素(如前期影响雨量Pa或流域起始蓄水量W)建立起来的一种定量的经验关系。这种方法简单，又有一定的精度，所以实际工作中应用较为广泛。,.,41,图5-3降雨径流相关图,当流域次降雨量P相同时，降雨开始时的Pa越大，损失越小，次洪径流深R越大。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,42,5.2蓄满产流的产流量计算1）“蓄满产流”是指包气带土壤含水量达到田间持水量之前不产流，这时称为“未蓄满”，此前的降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量。包气带土壤含水量达到田间持水量时，称为“蓄满”，蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。因为只有在蓄满的地方才产流，下渗的雨量形成地下径流，超渗的雨量成为地面径流。这种产流模式称为蓄满产流。湿润地区或半湿润地区，植被较好，土壤覆盖层的下渗能力较大，当包气带土壤缺水量未满足时，所有的降雨基本上被土壤吸收，不容易超渗产流。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,43,图5-4流域蓄水容量曲线与降雨径流关系示意图(a)流域蓄水容量曲线;(b)降雨径流关系曲线,在湿润地区用蓄满产流法计算的降雨径流相关图的上部表现为一组间距相等的平行直线(如图5-4（b)所示),第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,44,第五节利用暴雨资料推算设计流量,2）蓄满产流的产流量计算按蓄满产流模型，只有当包气带达到田间持水量，即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）形成地面径流，fc形成地下径流。设t时段内降雨量为Pt，蒸散发量为Et，产流面积为FR。由于只有在产流面积上才发生稳定下渗，则时段内所产生的地下径流量：时段的总产流量：产流面积等于径流系数：,.,45,2）蓄满产流的产流量计算当Pt-Etfct时，不产生地面径流，（Pt-Et）全部下渗，在产流面积上形成的地下径流RGt为：（54）,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,46,图5-5下渗曲线示意图,7.4.2.3超渗产流的产流量计算(略）,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,47,5.3流域汇流计算汇流计算的方法之一：单位线法。A.单位线的基本概念在给定的流域上，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10mm；单位时段可取1、3、6、12、24h等，依流域大小而定。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,48,B.分析使用单位线时的两条基本假定：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时段叠加。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,49,C.单位线的推求单位线可利用实测的降雨径流资料来推求。一般选择时空分布较均匀，历时较短的降雨形成的单峰洪水来分析。,第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,50,D.单位线的应用一个流域根据多次实测雨洪资料求得多条单位线后，经过分类综合，就可以确定出该流域实用的单位线，即汇流计算方案。当流域内降了一场雨后，先用产流计算方法推求净雨过程，再用单位线推求出流过程。,图5-6长江三峡区间按暴雨中心分类单位线(F=31720km2),第五节利用暴雨资料推算设计流量,.,51,E.单位线存在的问题及处理方法单位线假定流域汇流符合倍比和叠加原理，事实上这并不完全符合实际。因此，一个流域不同次洪水分析的单位线有些不同，有时差别还比较大。1)洪水大小的影响大洪水一般流速大，汇流较快。因此，用大洪水资料求得的单位线尖瘦，峰高且峰现时间早。小洪水则相反，求得的单位线过程平缓，峰低且峰现时间迟。2)暴雨中心位置的影响单位线假定降雨在流域内分布均匀。事实