工程水文及水利计算-第18讲

工程水文及水利计算,门宝辉可再生能源学院,提纲,第一章绪论第二章水循环及径流形成第三章水文资料的观测、收集与处理第四章水文统计基本知识第五章设计年径流及径流随机模拟（分3讲）第六章由流量资料推求洪水（分3讲）第七章流域产、汇流计算（分4讲）第八章由暴雨资料推求设计洪水（分3讲）第九章水文预报第十章水库兴利调节计算（分2讲）第十一章水电站的水能计算（分2讲）第十二章水库防洪计算（分2讲）,第八章目录,第八章由暴雨资料推求设计洪水8-1概述8-2直接法推求设计面暴雨量8-3间接法推求设计面暴雨量8-4设计暴雨时空分配的计算8-5由设计暴雨推求设计洪水8-6小流域设计洪水的计算,8-6小流域设计洪水的计算,小流域设计洪水计算，广泛应用于中、小型水利工程中。,1、概述,与大、中流域相比，小流域设计洪水具有以下三方面的特点：,（1）在小流域上修建工程数量很多，往往缺乏暴雨和流量资料，特别是流量资料。,（2）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，因而对设计洪峰流量的要求高于对设计洪水过程的要求。,（3）小型工程的数量较多，分布面广，计算方法应力求简便，使广大基层水文工作者易于掌握和应用。,小流域设计洪水计算工作已有100多年的历史，计算方法在逐步充实和发展，由简单到复杂，由计算洪峰流量到计算洪水过程。归纳起来，有经验公式法、推理公式法、综合单位线法以及水文模型等方法。本节主要介绍推理公式法和经验公式法。,8-6小流域设计洪水的计算,1、概述,小流域设计暴雨与其所形成的洪峰流量假定具有相同频率。因小流域缺少实测暴雨系列，多采用以下步骤推求设计暴雨：,（1）按省（区、市）水文手册及暴雨径流查算图表上的资料计算特定历时的暴雨量。,（2）将特定历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量。,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,最大24h暴雨是一次暴雨过程中连续24h的最大雨量。目前气象和水利部门所刊印的资料，都只给出固定日分界（8h或20h）的日雨量。日雨量一般小于，至多等于24h雨量。因此，年最大日雨量必须换算成年最大24h雨量才能符合计算要求。换算办法一般是将日雨量乘以大于1.0的系数，即：,年最大24h设计暴雨量计算,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,在一次降雨过程中，雨强与历时呈反比的关系，即时段平均雨强i随所取时段t的增大而递减，这是暴雨的重要特性。对于小流域，暴雨最长的设计历时，一般只需24h即可。因而，这里仅研究24h内的雨强与历时之间的关系。,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,根据雨量站的自记雨量记录，独立选取不同时段（如t=lmin，l0min，30min，60min，180min，360min，720min，1440min）的年最大暴雨量的系列。分别进行频率计算，绘出各种历时暴雨量频率曲线。,不同时段的雨量频率曲线综合图,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,图814暴雨特性曲线示意图（a）雨量历时频率关系；（b）雨强历时频率关系,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,设计暴雨公式,8-6小流域设计洪水的计算,2、小流域设计暴雨,解：根据水库所在地点，查湖北省“水文手册”，求得50年一遇的最大24h暴雨量为：,【例题85】试求湖北省某小型水库处历时t=10，50年一遇的设计暴雨强度。,再根据式（85），有：,8-6小流域设计洪水的计算,由暴雨推求洪水过程，一般分为产流和汇流两个阶段。为了与设计洪水计算方法相适应，下面着重介绍利用损失参数值的地区综合规律计算小流域设计净雨的方法。,8-6小流域设计洪水的计算,3、设计净雨计算,8-6小流域设计洪水的计算,3、设计净雨计算,8-6小流域设计洪水的计算,3、设计净雨计算,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,推理公式，英、美称为“合理化方法”（Rationalmethod），前苏联称为“稳定形势公式”。推理公式法是根据降雨资料推求洪峰流量的最早方法之一，至今已有130多年。,推理公式的形式,推理公式是在假定流域上降雨与损失均匀，即净雨强度不随时间和空间变化等条件下，根据流域线性汇流原理推导出来的流域出口断面处设计洪峰流量的计算公式，又称合理化公式。,8-6小流域设计洪水的计算,推理公式的形式,假定流域产流强度在时间、空间上都均匀，经过线性汇流（如等流时线法）推导，可得出所形成洪峰流量的计算公式为。,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,从图817可知，当产流历时tc（流域汇流时间）时，会形成稳定洪峰段，其洪峰流量由式（87）给出。仅与流域面积和产流强度有关。这些结论与人们的直觉似乎有抵触，因为实际上洪水过程线中，几乎没有出现过这种稳定的洪峰段，而且洪峰流量与流域其他地理特征（如坡降、河长等）有关，常引起人们对式（87）的合理性产生怀疑。造成上述矛盾的根本原因是实际产流强度不太可能达到以上假定。,推理公式的形式,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,当tc时，称为全面汇流情况，此时，可以直接使用式（87）推求洪峰流量，当tc时，称为部分汇流情况，即其洪峰流量只是由部分流域面积的净雨形成，此时，不能正常使用推理公式，否则所求洪峰流量将偏大。,推理公式的形式,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,实际上产流强度随时间、空间是变化的，从严格意义讲，是不能使用推理公式作汇流计算的。但对小流域设计洪水计算，推理公式法计算简单，且有一定精度，故它是目前水利水电部门最常用的一种小流域汇流计算方法。,推理公式的形式,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,对于全面汇流情况：,推理公式的实际应用,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,对于部分汇流情况：,推理公式的实际应用,4、由推理公式推求设计洪水的基本原理,8-6小流域设计洪水的计算,推理公式基本形式,北京水科院推理公式是陈家琦等人在经过两年的研究后于1958年提出的，目前它是我国设计洪水规范中规定使用的小流域设计洪水计算方法。,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,流域汇流历时的计算,令,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰径流系数的计算,把暴雨强度公式（85）看作为一次连续的设计降雨过程；在损失计算上，用净雨历时内的平均损失率作为值，即：,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰径流系数的计算,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰径流系数的计算,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰径流系数的计算,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰径流系数的计算,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,其他参数的确定,当缺乏资料时，可参照水利水电工程设计洪水计算规范（SL442006）推荐表814选定m值。,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,【例8-6】四川东部某小水库，坝址控制面积F=194km2，流域长度L=32.lkm，J9.32，百年一遇最大24h设计雨量P24，P214.0mm，n=0.75，=3.0mm/h，m=0.96，求百年一遇设计洪峰流量。,设计洪峰流量计算实例,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,设计洪峰流量计算实例,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,设计洪峰流量计算实例,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,设计洪峰流量计算实例,5、北京水科院推理公式法,8-6小流域设计洪水的计算,单因素公式法,洪峰流量的经验公式是根据本地区的实测或调查洪水资料进行分析，直接建立洪峰流量与有关因素之间的相关关系，然后根据相关曲线的线型配以适当的数学方程式来建立的。这种公式地区性很强，因此称为地区经验公式。,6、地区公式法推求设计洪峰流量,8-6小流域设计洪水的计算,单因素公式法,单因素公式法较难反映流域的各种特性，只有在实测资料较多的地区，分区范围不太大，分区内暴雨特性和流域特征比较一致时，才能得出较合理的成果。,多因素公式法,6、地区公式法推求设计洪峰流量,8-6小流域设计洪水的计算,洪峰流量均值的经验公式,6、地区公式法推求设计洪峰流量,8-6小流域设计洪水的计算,某些中小型水库，需要考虑调洪作用。为满足调洪演算的需要，除推求设计洪峰流量外，还应推求设计洪量及洪水过程线。小流域的设计洪水过程线一般是根据概化过程线，按设计洪峰流量、设计洪量予以放大求得。概化过程线根据小流域洪水资料综合简化而得，国内常见的有曲线型、五点概化过程及三角形等，如图815所示。,7、小流域设计洪水过程线的推求,8-6小流域设计洪水的计算,7、小流域设计洪水过程线的推求,8-6小流域设计洪水的计算,7、小流域设计洪水过程线的推求,8-6小流域设计洪水的计算,7、小流域设计洪水过程线的推求,8-6小流域设计洪水的计算,小结,1、在流量资料不足或由于人类活动影响严重使流量系列不一致等情况下，由暴雨资料推求设计洪水是一条重要途径。其分析计算工作包括推求设计暴雨、设计净雨和设计洪水三大部分。,2、所谓流域的设计暴雨，是指这样一场特定的暴雨，由此求得的设计洪水符合设计标准。设计暴雨包括设计面暴雨量和相应的时程分配。目前的计算方法是令设计暴雨量的频率与设计洪水的频率相同，暴雨过程则采用典型暴雨放大或概化雨型的方法推求。,小