第七章 河道洪水演算ppt课件

第七章河槽洪水演算,洪水波及圣维南方程组洪水波的分类、运动特征及波速河段蓄槽原理和蓄槽方程,河槽洪水演算与流域产流计算之间的逻辑关系,流域产流解决降水是怎样产生各种成分的径流量，但这些地表与地下径流成分的水量还没有汇流到河网内河槽洪水演算、流域汇流就是解决产流计算得到的产流量是如何在河槽内流动传播的，是如何在流域内从产流场所汇流到流域出口断面的。,根据河道上断面的洪水过程推求河道下断面的洪水过程。在水文预报、水利工程防洪控制等有重要应用。,什么是河槽洪水演算,I,Q,河段,河段洪水演算的研究对象和内容,洪水演算的研究对象：洪水演算关心的研究内容：,河段上下断面的流量、水位随流程与时间的变化。水文学研究中依据一些假设或经验，利用上断面的流量过程来推求下断面的流量过程，涉及到的核心内容是两个断面间蓄水量的变化。,已知上断面流量过程，推求下断面的流量进入河段上下游两断面间的水体（洪水波），,在相当短的流程距离内，水流要素没有突变，而是慢慢变化的水流，这种水流就是不稳定渐变流。,研究对象：上下游河段间的水体，是什么水流河槽内的洪水波是不稳定渐变流,河槽洪水演算方法,水力学法直接求解描述河道洪水波的圣维南方程组水文学法利用河段水量平衡方程和槽蓄方程式描述河道洪水波。实际应用中，采用哪种方法要依据计算目的、要求、计算精度和资料条件。,水文学方法,特征河长法、经验槽蓄曲线法、马斯京根法、波达波夫半图解法(或称蓄率中线法)等。,水文学方法共同点设法寻找相对稳定的单一槽蓄曲线，以代替圣维南方程中的运动方程，再与连续方程联立求解。,水文学方法是水力学方法的一种简化,是洪水波在河道中演进的一种近似分析方法。适用于规划或预可行性阶段使用，要求在演算的河段中有水文测站，有实测多年的水位流量资料，可率定计算参数。,流域内发生降雨，产生的净雨（径流成分）沿坡地先后迅速汇入河槽后,使得河槽水面在洪水期间发生高低起伏的波动,称之为洪水波。,什么是洪水波,为何会发生高低起伏的波动？,由于流域内降雨的时空分布不均匀、河网的干、支流的分布形状不同，水流汇流速度不同、河槽接纳的水量流程远近不同。,持续无降雨期间，河槽内水流是稳定流,当流域内没有降雨发生，没有地表径流快速汇入河槽内，这时，河槽内水流要素不会随时间变化而发生明显的变化。河槽内的这种水流就是稳定流。,是不稳定流。,河槽持续无降雨期间：是稳定流：,降雨时河槽内的洪水波水流：,洪水波所经河段，河槽内水流的流速、流量、水位、过水断面面积沿流程发生变化，所以，洪水波是不稳定流。,降雨形成径流汇入河槽后，洪水波水流是不稳定流,描述洪水波运动特征的要素,位相：洪水波与大气交界面上（或轮廓线上）任一点的位置,波速：洪水波上某一个位相点水流沿河道的运动速度,相应流量（或水位）：洪水波的每一个位相都有一定的流量与相应的水位，称为洪水波的相应流量或相应水位。,附加比降：洪水波水面比降与稳定流水面比降之差,即tan=i,同位相,上游断面洪水过程线上的1、2、3、4、5、6点处位相点经过一定的河段传播时间，分别在下游断面洪水过程线上的1、2、3、4、5、6点处出现，1、2点处水位称为1、2的同位相水位,洪水波传播时间,河槽上游断面洪水波上任一位相的水位或流量在河流下游断面的出现时间总是迟于在上游断面出现的时间。这个时间差，称为洪水波的传播时间。,涨洪历时：波前段完整通过某个断面的时间洪水历时：洪水波完整通过某个断面的时间,河床床面,洪水波的形态特征1,稳定流水面,河床床面与水平面的夹角,波体水面与稳定流水面的夹角,波体水面与水平面的夹角,河床比降i0,附加比降i,洪水波水面比降,河床床面,洪水波的形态特征2,稳定流水面,在原本稳定流水面上附加的水体A,波体的最高点,波峰至稳定水流表面的高度,以波峰为界，位于波峰前部的波体,以波峰为界，位于波峰后部的波体,波体与稳定水流表面的接触长度,波体：,波峰：,波高：,波前：,波后：,波长：,附加比降、涨洪、落洪,指洪水波水面比降与同水位稳定流水面比降之差，当涨洪时（波前段经过断面或河段）：附加比降i0当落洪时（波后段经过断面或河段）：附加比降il情形时，WQ关系,涨洪时，水位变化引起的Q的减小量附加比降引起的Q的增大量，使下断面流量小于稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的Q的增大量附加比降引起的Q的减小量，使下断面流量大于稳定流时的流量。,先出现河段最大蓄量，后出现下断面最大流量,Ll,逆时针绳套,Ll情形时，WQ关系,涨洪时，水位变化引起的Q的减小量附加比降引起的Q的增大量，使下断面流量大于稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的Q的增大量附加比降引起的Q的减小量，使下断面流量小于稳定流时的流量。,Q,先出现下断面最大流量后出现河段最大蓄量,Ll情形时，WQ关系,河段最大蓄量与下断面最大流量同时出现,L=l情形时，WQ关系,预见期,预报根据信息发生时间至预报水文要素出现的时距,河槽洪水演算理论与方法,洪水演进的理论基础是非恒定流水力学，从17世纪以来，一些著名科学家如I.牛顿、P.S.拉普拉斯等都进行了研究。,1871年A.J.C.B.de.圣维南成功地导出明槽水流一维渐变非恒定流方程组（明槽非恒定流）。至今仍是洪水演进的基本理论公式。,就是求解圣维南方程组。实践中常用简化的方法。洪水演进依洪水波特性，分为水库湖泊和河道演进两类。,水力学演进法和水文学演进法。水力学方法以圣维南方程组的求解为基础，适用于有准确的河道地形和河床观测数据的河段，当这些资料条件缺乏时，水文学方法就成为洪水演算的另一种重要方法。,洪水演进实质：,洪水演进方法：,演进方法分类,基于质量守恒和动量守恒方程组或其简化方程组，用数值法求解。由于电子计算机的发展，水力学法在洪水演进中日益广泛地应用。根据对连续方程和运动方程中保留的项不同，水力学演进法又区分为完全动力波模型、运动波模型和扩散模型。,水力学演进法分类：,应用河段水量平衡方程和蓄泄关系代替圣维南方程组，根据河段水文资料进行计算。这类方法应用较广泛，如特征河长法、经验相关法、马斯京根法、滞后演进法和线性完全动力波模型等。,水文学演进法分类：,水力学演进法,使用完全的圣维南方程组，给定一个初始条件和二个边界条件，用数值法求解，一般没有解析解。因为求解的方法不同，又可分为特征模型、显式模型、隐式模型、有限单元法和二维模型等。,完全动力波模型：,保留运动方程式中的摩阻力项和重力项的简单的动力方程，与连续方程联解，就是运动波模型。可用解析法或数值法求解。根据运动波模型洪水波在传播过程中不发生衰减，其中波速为常数时为线性模型，波速为变数时为非线性模型。,运动波模型：,扩散波模型：,保留动力方程式中的压力项、摩阻力项和重力项，与连续方程联解，就是扩散模型。可用数值法求解。根据扩散模型，洪水波在传播过程中发生衰减，其中有两个系数：一个反映对流特征；一个反映扩散特征，模型中的两个系数可以是常数，也可以是变数。,水文学演进法1,根据河段实测入流和出流资料建立经验槽蓄曲线，与水量平衡方程联立通过图解进行洪水演进。,经验相关法：,根据明槽洪水波传播中推移和坦化两种现象，将入流推移后的蓄泄关系与水量平衡方程式联解，求得汇流曲线来进行洪水演算的方法。它的基本概念认为洪水推移可表示为水流流经一连串的“线性渠道”，其入流过程往下推移而不改变其形状，反映了洪水波的滞后现象。坦化作用可表示为水流流经一连串“线性水库”的影响而展平，反映了洪水波的衰减。,滞后演进法：,水文学演进法2,对于单宽河道，圣维南方程组可改写成用单宽流量和水深表示的形式。对参证流速进行线性化，求解这组线性化方程组的单位响应函数，来进行洪水演进。这种方法与扩散法相似，精度在很大程度上取决于参证流量。,线性化完全动力波模型：,马斯京根（Muskingum）法：,特征河长法,均匀流（恒定流？稳定流？）,非均匀流（非恒定流？不稳定流？）,均匀流（恒定流？稳定流？）,过水断面为平面，且过水断面形状和尺寸沿程不变；同一流线上的水流速度相等；流程上各过水断面的流速分布形状相同；断面平均流速相等；过水断面上动水压强分布规律与静水压强分布相同。,恒定流,水流运动要素随时间而变化，也就是运动要素对时间的偏导数不为零，这就是非恒定流。洪水期的水位与流量有涨落现象，是非恒定流。平水期的水位与流量相对变化不大，是恒定流。,非均匀流（非恒定流？不稳定流？）,流线不是相互平行的直线，称非均匀流。按流线不平行和弯曲的程度，把非均匀流分为非均匀渐变流与非均匀急变流,非均匀渐变流（缓变流）：流线接近平行直线；流线之间夹角小，动水压强分布近似为静水压强分布均可视为渐变流。,非均匀急变流：流线曲率半径大，流线夹角很大,均匀流与非均匀流,流场中