第10章由暴雨设计洪水.ppt

1、第十章 由暴雨设计洪水,内 容 提 要,第一节 概述 第二节直接法计算设计暴雨量 第三节间接法推求设计暴雨量 第四节设计暴雨的时程分配 第五节由设计暴雨推求设计洪水 第六节小流域设计洪水的计算,由暴雨资料推求设计洪水的方法： 数理统计法由暴雨资料推求设计洪水 水文气象法 推理公式法,第一节 概述,利用暴雨资料（暴雨资料一般较多）推求设计洪水适合下列情况： 当设计流域缺乏或无实测洪水资料 当设计流域的径流形成条件发生显著变化使得洪水资料的一致性受到破坏时 即使洪水资料充足，亦可用暴雨资料来推求设计洪水，可以采用不同方法论证设计成果的合理性, 产流汇流计算： 通过产流计算推求出设计净雨量及其时程分

2、配，再由汇流计算出相应的设计洪水过程。, 设计暴雨计算： 由当地暴雨实测系列求出设计暴雨量及其时程分配；,重要前提：假定暴雨与洪水是同一频率,由暴雨资料推求设计洪水的步骤：,设计暴雨计算,流域产流计算,流域汇流计算,由暴雨资料推求设计洪水的路线:,2) 暴雨资料的审查 3) 暴雨系列代表性的分析 4) 暴雨资料的插补延长,暴雨资料的搜集: a. 主要来自水文站网和气象站网的整编的雨量观测资料； b. 大暴雨的调查资料。,第二节 直接法推求设计面雨量,推求设计洪水所需的设计暴雨是指设计条件下的 ，即设计面暴雨量。其分析计算可分为直接计算和间接计算二种方法：,1. 直接法计算设计面暴雨量,该方法的

3、适合条件： 设计流域雨量站较多，分布较均匀； 各站有较长的同期的观测暴雨资料。,设计面暴雨量的计算,流域面平均暴雨量,b. 统计选样：,长历时暴雨：1d, 3d, 7d, (适合于大中型工程) 短历时暴雨:1hr, 3hr, 12hr, , 24hr (适合于小型工程),暴雨量选择方法与洪量相同，采用固定时段年最大值独立选择法，时段的长短视流域大小、暴雨特性及工程的重要性等确定，水文计算中习惯以1d作为长短历时的分界：,a. 选择流域平均面雨量的计算方法：,可根据算术平均法，面积加权平均法或等值线法由点雨量推求面雨量。,最大一日雨量： x1d= 87mm,【例】 某流域日平均降雨过程为： .

4、. . 20, 87, 5, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 38, 74, 25, 30, 4, . . ., 对于某一确定的降雨时段，实际降雨若不是连续的，则实际降雨历时应小于或等于统计时段； 同一年各暴雨的特征值的选取可以属于同一场暴雨，也可以不属于同一场暴雨，选样符合最大原则。,注意：,最大三日雨量： x3d= 38+74+25=137mm,暴雨特大值 系指实测特大暴雨或历史调查特大暴雨(暴雨量级在地区上比较突出)，一旦系列中出现罕见的特大暴雨，会使频率计算结果大大的改观。 判断大暴雨是否属于特大值，一般可以从经验频率点据偏离频率曲线的程度、模比系数KP的大小、暴

5、雨在地区上是否很突出以及论证暴雨的重现期等方面进行分析确定。,c. 暴雨特大值处理：,【例】,福建四都站有1972年以前最大1日雨量的20年系列，经频率计算求得 : , CV=0.35 , CS=3.5CV ,由此求出万年一遇的一日雨量为 x0.01%=332mm,该站1973年出现一特大暴雨（一日最大雨量为332 mm，恰好与万年一遇的数值相同） 将其加入原系列进行频率计算得：CV=1.10 ，但与邻近流域(CV=0.40.6)相比，相差悬殊，明显不合理，故应当对特大暴雨进行特大值处理。,特大值处理的关键是确定特大暴雨的重现期，由于历史暴雨不能直接考证，一般只能通过洪水调查并结合历史文献中有

6、关灾情资料来分析判断。一般认为，当流域面积不大时，流域平均降雨量的重现期与相应的洪水的重现期相近。 如上述的1973年特大暴雨的重现期就是通过洪水调查了解到1915年洪水是120年以来最大的，1973年的洪水是120年以来第二大，据此判断1973年的暴雨重现期约为6070年。 按此次的暴雨为60年一遇计，重新适线计算得CV = 0.58 ，与邻近各站(CV=0.40.6 )较为协调。,1973年特大暴雨的重现期按60年计,【例】 某设计流域内有三个雨量站，分布均匀，某年雨量记录见表，要求按独立选样法求最大一日，最大三日，和最大七日的面雨量。 最大1, 3, 7日面雨量计算表见下页：, 1979

7、年中国水科院在分析全国特大暴雨资料的基础上绘制了“历次大暴雨分布图”，给出各次大暴雨的中心位置及其24小时雨量，可作为判断大暴雨的参考。,注： 面平均降雨量按三站的算术平均计,(单位：mm),d. 面暴雨频率计算,面雨量统计参数的计算，一般采用适线法。线型采用P-III型。根据我国暴雨特性及实践经验，我国暴雨的CS与CV的比值K： 一般地区K为3.5左右； 在CV 0.6的地区， K约为3.0； 在CV 0.45的地区， K约为4.0。 以上比值可供适线时参考。,e. 设计面暴雨量计算成果的合理性分析,可以从以下几个方面进行合理性分析： 对各种历时的面暴雨量统计参数（如均值、变差系数）进行分析

8、比较，这些参数应随流域面积增大而变小； 与邻近地区已有的特大暴雨的历时、面积、雨深进行比较； 直接法计算的面雨量与间接计算结果进行比较。,归纳直接法计算设计面暴雨量的步骤：,1。由流域点降雨量推求面平均降雨量 2。按固定时段年最大值独立选择法确定不同时段的面降雨量，各自组成样本系列 3。进行系列的频率计算，求不同时段设计面降雨量 4。设计面暴雨量计算成果的合理性分析 5。进行设计暴雨时程分配（后述）,思 路： 选择点雨量的代表站； 经频率分析计算，求出点设计暴雨量； 由设计点暴雨量转换成设计面暴雨量； 进行设计暴雨时程分配。,第三节 间接法推求设计暴雨量, 具较多点雨量观测资料时的设计点暴雨量

9、推求： 点雨量站最好位于流域形心附近，观测资料较长(n 20)，可选为代表站； 分别选取不同时段的年最大值(定时段年最大选样法)分别组成各个样本系列； 分别进行频率计算得到不同时段的设计点暴雨量。,1) 设计点暴雨量的计算：,由于暴雨的局地性，使得相邻站暴雨资料的相关性往往较差，故一般不宜用相关法插补延长点暴雨资料，可采用： a. 当邻站与设计站靠得很近，且地形等条件一致时，可直接借用邻近站的某年份暴雨量资料; b. 当周围有足够数量的雨量站，可绘制缺测年份各次大暴雨或各时段年最大值的等值线图，用地理内插法求设计站的暴雨量； c. 当设计站暴雨与本站的洪峰流量或洪水径流量相关关系较好时，可利用

10、实测或调查到的洪水资料插补延长。,如果样本系列代表性不足，应进行插补延长：,在暴雨资料十分缺乏的地区，可利用暴雨等值线图或参数的分区综合成果推求设计点暴雨量。 所依据的原理是：气候是影响暴雨的主要因素，气候条件呈地带性变化规律，故暴雨特性及其统计参数亦呈地理变化趋势。 全国及各省(区)均编制了暴雨均值和CV等值线图和CS/CV分区数值表可供使用。, 缺少雨量资料时的设计点暴雨量的推求：,北京市年平均24小时雨量等值线图,北京市年平均24小时雨量变差系数CV等值线图,利用等值线图推求设计暴雨的具体做法：,a. 需先在某指定时段的暴雨均值和CV等值线图上分别画出设计流域的范围（分水线）并点出设计流

11、域的中心位置； b. 然后应用插值法确定流域中心点的暴雨均值和CV 值，CS可依据CS/CV 分区数值表上确定或通常选定暴雨的CS = 3.5CV ； c. 根据三个统计参数求到相应的P-III型曲线，进而可求出指定设计频率的该时段设计点暴雨量。同理，可求出其他各时段的设计点暴雨量。,b. 当流域面积较大时，面平均雨量随流域面积的增大而减小，采用点面折算系数 将点雨量转换为面雨量,2).由暴雨点面关系推求设计面雨量,a. 当流域面积较小时(在几十平方公里以内)，可直接用点设计暴雨代替面设计暴雨,(1)定点定面关系: 点面关系由于其点雨量位置和流域边界历年中都是固定不变的，故称为定点定面关系。,

12、点面折算系数利用同期观测资料按下式计算： =PA/Po 式中， ：固定点面折算系数 PA：某时段固定流域面雨量 Po：某时段固定点(流域中心点附近)雨量,暴雨点面关系通常有以下二种：,当流域具有较多点和面雨量资料时，可采用一年多次选样法，但同次（时间）点和面暴雨量相关关系不好，若以代表站点雨量和流域面雨量分别由大到小排列，按同序号(即同频率)建立相关关系，则有较好的相关关系，由相关线定出面雨量和点雨量的平均比值 = PA / P0,具体作法：,计算步骤： a. 绘出流域各次大暴雨在某一时段内雨量等值线图；,（2）动点动面关系（暴雨中心点面关系),(点面转换系数),c. 计算各个面平均雨量Pi

13、与暴雨中心点雨量P0的比值：,b. 自暴雨中心向外顺序计算各闭合等雨量线所包围的面积Fi 以及该面积上的面平均雨量Pi ；,是按照各次暴雨中心和暴雨分布等值线图求到，因各次的暴雨均不一样，故称为动点动面关系。,-F关系曲线反映各次暴雨面平均雨量随面积增大而减小的特征，称作暴雨中心点面关系曲线。将地区各次暴雨关系曲线加以概化，取平均线或上包线，则根据概化-F关系曲线，由F可确定出。,d. 根据各相应的比值和F值,绘 -F的关系曲线；,平均线,上包线, 以上作点面关系曲线，由于各场平均暴雨的中心点和等雨量线的位置即暴雨分布都是在变动的，所以常称为“动点动面关系”。 为工程设计安全计，取各场暴雨的

14、- F 关系平均线的上包线作为设计点暴雨量推求设计面暴雨量的依据：,设计面暴雨量为: PA设= P0设 式中， P0设：单站设计暴雨量 PA设：流域设计面暴雨量,思路： 选择一场典型暴雨过程； 以各时段设计暴雨量为控制，按分时段同频率缩放，即得到设计暴雨过程线。 该法基本上与设计洪水过程线的确定方法相同。,求到各历时的设计面雨量后，还需确定设计暴雨在时程上的分配，即推求设计暴雨的降雨强度过程线,也称作“设计雨型”。,第四节 设计暴雨的时程分配,a. 有资料条件下典型暴雨时程分配的推求: 具代表性，能反映设计地区大暴雨一般特性如该降雨类型出现次数较多，分布形式接近多年平均或常遇情况； 暴雨总量大

15、、强度大且接近于设计条件； 对工程安全较为不利的暴雨过程。 如暴雨的核心部分(称主雨峰)在暴雨过程的后期出现。,具体步骤：1) 典型暴雨的选择：,采用分时段同频率控制缩放法(控制时段一般采用1d、3d和7d),2)推求设计暴雨过程线,b.无资料条件下典型暴雨时程分配的推求: 借用邻近暴雨特性相似流域的典型暴雨过程； 引用各省(区)水文手册按地区概化的典型暴雨雨型来推求设计暴雨的时程分配（该雨型一般以百分数表示）。,某流域典型暴雨的7日分配过程,已知：某流域典型暴雨的7日分配过程如下表所示，该流域 P=1%的一天设计暴雨量 x1P= 145mm,三天设计暴雨量 x3P= 235mm,7天设计暴雨

16、量 x7P = 293.1mm。,【算例】,求：设计暴雨的时程分配,a. 确定典型暴雨各时段的最大暴雨量： 最大一日暴雨量：x1=65.0 mm 最大三日暴雨量：x3=20.9+65.0+12.2=98.1 mm 最大七日暴雨量：x7=150.9 mm,解：,b. 根据已求到的各时段设计暴雨和选出的典型暴雨量计算放大倍数：,设计暴雨的时程分配计算表,1) 选定产流方案： 湿润地区：采用降雨径流相关图法(6 Fig.6) 注意点：由于设计暴雨大于实测暴雨，故降雨径流相关图需要外延。 一般按直线趋势外延。,第五节 由设计暴雨推求设计洪水,求到设计暴雨后则需推求设计净雨过程，再由此推求设计洪水过程，

17、其方法如第六章所述，这里主要讨论在设计条件下推求设计洪水的某些特点：, 干旱地区： 采用初损后损法，重要参数初损值I0的确定亦需外延，在外延时，参变量雨强应为设计雨强。,对于设计暴雨，前期的土壤湿润程度是未知的，故Pa可等于任意值(0 Pa Im（最大流域蓄水容量）) 湿润地区：常取 Pa, P = Im 干旱地区：常见的处理方法有：,1设计典型年法求Pa ： 加长统计暴雨的时段至2030天，其中核心暴雨部分(3-7天)用于计算设计暴雨，而核心暴雨前的23天的各天用于计算7天核心暴雨的前期影响雨量Pa（按第六章的方法计算)。,2) 设计条件下前期影响雨量Pa的确定：,2同频率法求Pa,P ：,

18、假如设计暴雨时段为t，分别对t时段暴雨量Pt系列和每次暴雨开始时的Pa与暴雨量Pt之和即 (Pt+Pa)系列进行频率计算，从而分别求到PtP和(Pt+Pa)P ，则设计暴雨相应的Pa,P为二者相减求得，即： Pa,P (Pt+Pa)P PtP 但须注意：若该值大于IM时，应取Pa,P= IM。 该方法要求较多的实测资料。,由设计净雨推求设计洪水,一般采用单位线法(或瞬时单位线)求设计洪水过程线。 注意点： 应尽量选用由实测大洪水资料分析得出的经验单位线或瞬时单位线（因为由设计暴雨推求设计洪水一般是稀遇的特大洪水）。,第十章 算例,某中型水库流域面积为341km2，位于雨量丰沛的湿润地区，为了防

19、洪复核，根据雨量资料的条件，拟采用暴雨资料来推求P=2%的设计洪水。,计算分为以下三个步骤： 1.推求设计暴雨 1）确定设计暴雨的最长时段： 根据设计流域洪水涨落较快以及水库调洪能力不强的特点，设计暴雨的最长时段设定为1天。,2）推求点暴雨系列参数：,3）求设计点暴雨量： 当P=2%，最大的1日设计点暴雨量为296 mm。 4）求设计面暴雨量： 通过点面关系图，由流域面积（341km2）查图得暴雨点面折减系数为0.92, 则，当P=2%，最大的1日设计面暴雨量为: PP=2%=0.92296=272mm,由设计面暴雨量P2%=272mm，再可根据设计地区概化的暴雨分配比例，对设计面暴雨进行时程

20、分布：,5）求设计暴雨过程,以P=2%的最大的1日设计面暴雨量272mm分别乘以表中分配系数（百分数）即得到一设计暴雨过程。,设计暴雨过程计算表,2.推求设计净雨过程,分析：已知设计流域的Im=100mm，由同频率法求到设计条件下的Pa=78mm，可见，设计流域为湿润地区，包气带缺水量少，假定损失量主要发生在降雨初期（即降雨在第一个时段内损失量即为流域土壤的缺水量：100-78=22mm），而其余时段内的降雨全部产流。 则可根据各时段内的设计面暴雨量扣除相应损失量求出设计净雨，然后再对地面净雨量和地下净雨量进行分配（具体计算过程详见计算表）。,设计暴雨及其设计净雨过程计算表,7.9=29.9-

21、22,根据实测洪水资料分割得到的地下径流和净雨过程的分析，求到本流域的稳定下渗率fc=1.5 mm/h*。则由时段内净雨扣除相应的下渗量即为地面净雨。,如何划分出地面净雨和地下净雨？,* 求fc的方法见讲义【例6-1】p80及p88-89,稳定下渗只有在产流时才会发生，此时土壤含水量处于“饱和”状态（即为田间持水量），而在第一时段只有部分时间产流，这里假定：净雨（产流）历时与设计净雨量占设计暴雨量的比值呈正比。,3.推求设计洪水过程线,采用单位线法推求，已知设计流域的大洪水的单位线见计算表中的第(3)栏。则由地面净雨过程通过单位线推流计算得设计地面径流过程见计算表中的第(5)栏。 而设计地下径

22、流过程概化为等腰三角形出流，其总量地下净雨总量，并设地下径流峰值出现在地面径流停止的时刻，地下径流过程的底长为地面径流底长的二倍。,流域流量过程线计算表, 地下水径流的历时为：T下=2T面=2136=156h 地下水径流总量为：,其它时刻地下径流量按线性插值,根据地下水径流的假定，可知：,W下,等于地下净雨总量29.4mm,W下=0.1h下F=0.129.4341104=1000104 m3 地下水径流峰值为：,设计洪水过程线推求,2,校核,1）核算单位线净雨深,2）核算地面径流总量,= 地面净雨（220.6 mm）,工程规模小，对洪水的调节能力小 缺乏水文资料，尤其是流量资料 计算方法应简单

23、易行，适用无水文资料条件,第六节 小流域设计洪水计算,采用由设计暴雨推求设计洪峰的简化方法,一、设计雨量计算,1暴雨公式 暴雨公式描述了设计暴雨强度ip与暴雨历时t 之间的关系。,按雨量表示：,式中，Sp雨力； n 暴雨递减指数,水利部门常用形式：,【例】已知S5 = 100mm/h，n = 0.5。求20年一遇3、6、24小时雨量。,暴雨公式,雨强频率历时（ipt）关系,P=10% P=5% P=1%,雨量历时频率（Xtp）关系,由雨量历时频率（Xtp）关系,2暴雨公式参数推求,雨强频率历时（ipt）关系,雨强频率历时（ipt）关系,ip (mm/h),t (h),取24小时内各时段雨量进行

24、频率计算,1、基本假定 （1）流域产流强度（）在时间和空间分布均匀； （2）流域汇流符合线性规律； （3）流域汇流面积随汇流时间均匀增加。,二、推理公式法推求设计洪峰,2.推理公式的导出,Qm 0.278 rF tc Qm 0.278 rtc Ftc tc,用平均雨强表示 Qm 0.278（i）F tc Qm 0.278 （itc）Ftc tc,Qm0.278（i）F tc,tc,消除 Ftc,暴雨公式代入,tc ,得,tc ,方法1：查等值线图或水文手册,3推理公式参数估算,（1）暴雨参数Sp、n,方法2：若已知24小时设计雨量X24p，可根据暴雨公式反推 Sp,XtpSp t 1n X24

25、pSp 24 1n Sp X24p24 n1,（2）损失参数,方法：查水文手册,证明： 瞬时雨强,（3）净雨历时 tc,I 时 ttc， 代入上式得证。,I,t,（4）流域汇流时间,0.278 L/V,VmJ1/3Qm1/4,汇流参数m 的取值：,方法1：查水文手册,方法2：由实测水文资料反推：,（4） 设计洪峰 Qm,采用试算或图解法联立求解。,tc ,tc ,【算例】 湘江支流某地欲修建一座水库，地点位于北纬28以南，集水面积2.93km2，干流长度2.56km，干流坡度0.033。推求坝址处百年一遇洪峰流量。,由湖南省水文手册，查算得流域中心点 120mm；Cv0.4；Cs /Cv3.5；n0.76。,（1）暴雨参数S