工程水文学第七章由暴雨资料推求设计洪水

'第七章由暴雨资料推求设计洪水第一节概述一、适用条件1.流量资料不足或代表性差。2.资料缺乏一致性。3.多种方法相互论证。4.无资料区小流域设计洪水计算。5.可能最大洪水是用暴雨资料推求的。 二、由暴雨资料推求设计洪水主要内容：1.推求设计暴雨根据实测暴雨资料，用统计分析和典型放大法求得。2.推求设计净雨由求得的设计暴雨，利用产流方案推求设计净雨。 3.推求设计洪水过程线利用流域汇流方案由设计净雨过程推求设计洪水过程。基本假定：设计暴雨与设计洪水同频率。 设计暴雨出口河网设计净雨设计洪水过程线Q（t）产流方案汇流方案推求设计洪水过程示意图 第二节设计面暴雨量的推求设计面暴雨量：指设计断面以上流域的设计面暴雨量。计算方法：⒈设计面暴雨量的直接计算⒉设计面暴雨量的间接计算 一、设计面暴雨量的直接计算方法：直接选取每年指定统计时段的最大面暴雨量，进行频率计算求得指定时段设计面暴雨量。资料要求：雨量站多、分布较均匀、各站又有较长期的同期资料，能求出比较可靠的流域平均面雨量。 1、资料的收集、审查与暴雨资料的统计选样⑴资料的收集来源：主要为雨量站网观测资料。注意强度特大暴雨。⑵暴雨资料的审查资料类型：日雨量资料、自记雨量资料、分段雨量资料。 ①可靠性：重点：特大或特小雨量观测记录。②代表性与邻近地区长系列雨量或其他水文资料，以及本流域或邻近流域实际大洪水资料对比分析。③一致性通过统计与成因两方面进行。不同类型暴雨分别考虑。 选定面雨量计算方法计算每年各次大暴雨的逐日面雨量选定不同统计时段统计逐年不同时段年最大面雨量年最大值法样本⑶暴雨资料的统计选样1、3、7、15、30日 例7-1：某流域有3个雨量站，分布均匀，可按算术平均法计算面雨量，统计某一年份不同时段雨量。过程：①计算该年份逐日面降雨量②采用年最大值法统计不同时段降雨量。 时段选取：对于大、中流域的暴雨统计时段：我国一般取1、3、7、15、30日，其中1、3、7日暴雨是一次暴雨的核心部分，直接形成所求的设计洪水部分，而统计更长是为了分析计算起始时刻的流域蓄水量。 某流域不同时段年最大雨量统计表时间（月、日）点雨量面平均雨量最大1、3、7日面雨量及起讫日期A站B站C站6.305.30.21.87月4日为年最大1日：X1日=128.8mm8月22～8月24日8月为年最大3日：X3日=165.5mm7月1日～7日为年最大7日：X7日=234.0mm。7.150.426.625.334.17.27.311.510.814.712.37.4134.8125.9124128.27.532.521.41021.37.65.610.54.76.97.735.525.227.629.47.83.77.11.44.17.911.15.89.78.9…………8.186.60.26.94.68.1922.72.45.410.28.20.08.218.2242.651.754.849.78.2360.168.653.560.78.2481.854.132.356.18.252.310.11.1 2、面降雨量资料的插补展延1950196019701980利用近期雨量：X多X少 3、特大值的处理系列中是否含有特大暴雨直接影响系列的代表性。一般暴雨变幅不很大，若不出现特大暴雨，统计参数均值、Cv往往会偏小，但加入特大暴雨，未作特大暴雨处理，又会使统计参数偏大。 例7-2：福建长汀县四都站，根据1972年以前最大一日雨量系列计算：据此求得： （1）特大值的判断经验频率点据明显偏离曲线。模比系数大，暴雨的量级突出。河北：63.8，河南：75.8，内蒙：77.8.（2）特大值重现期的确定一般认为，当流域面积较小时，流域平均面雨量的重现期与相应洪水重现期相近。 4、面雨量频率计算适线法：经验频率（期望值公式）、线型（P-Ⅲ型）。Cv>0.6，Cs≈3.0Cv；Cv<0.45，Cs≈4.0Cv一般地区Cs≈3.5Cv。5、设计面暴雨量计算成果合理性检验①比较统计参数，随面积增大而逐渐减小。②直接法计算结果与间接法计算结果比较。③与邻近地区的特大暴雨历时、面积、雨深资料比较。 资料情况：雨量站稀少、或观测系列甚短，或同期观测资料很少甚至没有，无法直接求得设计面暴雨量。方法：先求流域中心的设计点暴雨量，然后通过暴雨点面关系，求相应的设计面暴雨量。二、设计面暴雨量的间接计算 1、设计点雨量的计算设计点雨量是要推求流域中心的设计点暴雨量。资料情况允许:如果流域中心或附近有雨量站，且有长系列观测资料，可采用频率计算方法直接计算。实际上：一般是求出流域各站的设计点暴雨，绘制设计点暴雨量等值线图，插值出流域中心的设计点暴雨量。 设计点雨量频率计算过程：⑴选样固定时段年最大值法。特大值问题：资料系列插补展延问题：一般不宜采用相关法。规范建议：①距离较近时：②一般年份：③大水年份缺测：④大水年份缺测：⑤与洪水峰量关系较好时： 资料十分缺乏地区：可查各省区水文手册中的各时段年最大暴雨量均值及CV等值线图。 2.设计面暴雨量的计算利用点面关系折算：定点定面关系、动点动面关系。（1）定点定面关系法①定点定面关系的建立固定点：长系列资料的雨量站（流域中心或附近）固定面：设计流域。折减系数： 设计计算采用折减系数求：选若干次大暴雨，求出若干个某时段暴雨量的α0值，加以平均，作为点面折减系数。②定点定面关系法推求设计面暴雨量用所求得的各时段设计点暴雨量，乘以相应的点面折减系数，就可得出各种设计时段设计面暴雨量。 （2）动点动面关系以暴雨中心点面关系代替定点定面关系：以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量。 某地区3天暴雨点面关系图 第三节设计暴雨时、空分配计算一、设计暴雨时程分配的计算方法：典型暴雨同频率控制缩放。1.典型暴雨的选择和概化原则：①代表性出现次数较多，分配形式接近多年平均和常遇情况，雨量大、强度大。 ②对工程安全较不利暴雨核心部分偏后，形成的洪峰也偏后，对工程安全影响较大的暴雨过程。在缺乏资料时，可引用水文手册中的按地区总综合概化的典型雨型。 2.缩放典型过程，计算设计暴雨的时程分配例7-3：某流域百年一遇各种时段暴雨量如下表：各时段设计雨量时段（d）137设计面雨量xtP（mm)303394485 选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨分配计算见下页表：暴雨日程分配（同频率法）时段（日）1234567X1P303mm典型分配比100%设计雨量（mm)303X3P-X1P91mm典型分配比40%60%设计雨量（mm)3655X7P-X3P91mm典型分配比30%33%37%0%设计雨量（mm)2730340设计暴雨过程(mm)27303403630355 面设计暴雨最大1日时程分配项目设计暴雨的时段(2h)雨量过程24h时段序号123456789101112全日雨量典型分配（%）2.93.43.95.210.544.18.76.1543.32.9100设计暴雨(mm)8.810.311.815.831.8133.626.418.515.212.110.08.8303最大24h设计及典型暴雨的时程分配见下表： 二、设计暴雨的地区分布梯级水库或水库下游承担防洪任务时，需拟定流域上各部分的洪水过程。方法：⑴典型暴雨图法⑵同频率控制法 设计暴雨设计净雨产流计算汇流计算数量相等设计流域出口断面径流过程Q(t)第五节设计净雨的推求径流系数法（略）暴雨径流相关图法初损后损法 一、暴雨径流相关图法推求径流⒈蓄满产流方式简介 包气带饱水带蓄满产流方式示意图蓄满产流下的总径流深: 结论：蓄满产流下的总径流深: ⒉暴雨径流相关图(P~W0~R)的绘制利用实测雨洪资料:每场降雨过程流域的面平均雨量相应产生的径流量影响径流形成的主要因素（W0）相关分析，建立相关图在我国湿润和半湿润地区最常用的是P～W0～R三变量相关图。 P～W0～R三变量相关图各变量计算（1）流域平均雨量计算：①算术平均法②垂直平分法（泰森多边形法）③等雨量线法 ⑵径流深计算需要分割流量过程线：地面径流表层流径流地下径流前期洪水未退完的部分水量非本次降雨补给的深层地下径流本次洪水形成割除一次洪水流量过程 BHIACEFGt(h)DFQ(m3/s)过程线分割示意图本次降雨形成P(t)深层地下径流前次洪水未退完部分 ①基本流量的分割：取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割（ED线）。②流量过程线的分割（AF线和CD线)退水曲线法：退水曲线；流域蓄水量的消退过程线，取多次洪水的退水部分综合确定。。 Q(m3/s)t(h)流域地下水退水曲线确定示意图取多次洪水的退水部分绘于透明纸上，沿时间轴平移，使尾部重合，作外包线。 BHIACFGt(h)DFQ(m3/s)P(t) ③径流深计算：兰色的面积（ABCDFA）： ⑶分割洪水过程求地面、地下径流洪水过程中割除了基流和前期洪水的退水部分即为次洪水的径流过程。地面径流表层流径流地下径流直接径流（地表径流）本次洪水径流过程 ABCDEFHIG本次降雨形成径流过程Q(m3/s)t(h)RSRg地面、地下径流分割洪水过程示意图 ⑶土壤含水量W0(前期影响雨量Pa)的计算①Pa的计算公式：K：0.8～0.9注意：Pa≤Wm，若计算出Pa>Wm，则取Pa=Wm ②流域最大蓄水量Wm和消退系数K流域最大蓄水量Wm采用蓄满产流模型，用实测资料分析率定（参考有关资料）。采用实测雨洪资料分析确定：取若干次洪水，其前期十分干旱（Pa≈0），降雨量相当大，达到全流域蓄满产流，取各次洪水损失的最大值。损失=降雨－径流流域实际蓄水量在0～Wm之间变化。湿润地区80～140mm。 消退系数K：消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。流域蒸散发取决于：①流域蒸散发能力，②流域供水条件，即流域蓄水量。计算公式：流域蒸发能力：Em=βE0： 例7-4：前期影响雨量Pa的计算(Wm=100mm)Wm P～Pa～R三变量相关图： 两时段降雨P1=49mmP2=81mm降雨开始时Pa=60mm由P1=49mm,查得R1=20.0mm由P1+P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm则第二时段净雨R2=80-20=60mm⒊三变量相关图的应用： 降雨径流相关图也可简化为P+Pa～R关系： ⒋地面净雨、地下净雨的划分⑴划分原理蓄满产流只有在包气带蓄满后才产流，此时的下渗率为稳定下渗率fc。根据产汇流理论，利用下式可将各时段净雨h(等于径流R）划分为地面净雨、地下净雨：其中： 其中：净雨大于稳定入渗，净雨应包含由稳定入渗形成的地下净雨和地面净雨。 ⑵fc推求：利用实测的降雨、径流资料推求：①分割次降雨流量过程，得降雨对应的径流和地下径流，即得一次降雨P、R、Rg关系。②雨前土壤含水量：W0(Pa)=R+Wm–P，然后进行产流计算得产流过程R(t)，即净雨过程。③根据上述公式采用试算法求fc。 例7-5：某流域一次降雨径流过程，利用三变量相关图求得各时段产流量如下表，分割流量过程线得总径流量、地下径流量118.1mm、38.1mm，推求稳定下渗率fc。某流域一次降雨过程及各时段产流量时段序号降雨历时(h)P(mm)h(mm)1614.57.6244.63.73644.444.44646.546.55614.814.8611.11.1总计118.1（38.1） 先假设fc=2.0mm/h，有：再设fc=1.6mm/h，有：与38.1mm相近，因此，确定该场洪水的fc=1.6mm/h。hg=47.1mmhg=38.6mm 稳定下渗率fc计算表时段序号降雨历时(h)P(mm)h(mm)fc=2.0mm/hfc=1.6mm/hhg(mm)hg(mm)1614.57.60.5246.36.35.05.0244.63.70.8048.03.75.13.73644.444.41.00012.012.09.69.64646.546.51.00012.012.09.69.65614.814.81.00012.012.09.69.6611.11.11.0002.01.11.61.1总计118.147.138.6 ⒌设计净雨的推求设计面暴雨+设计Pap推求径流深，该径流深等于设计净雨，划分径流过程得设计地面、地下净雨。设计Pap的计算：设计条件下的土壤含水量即设计Pa。⑴取设计Pap=Wm雨水充沛，土壤湿润。 30日设计暴雨过程⑵扩展暴雨过程法 ⑶同频率法当得出Pap>Wm时，则取Pap=Wm。上述三种方法中，扩展暴雨过程法用得较多，第一中方法仅适用于湿润地区。同频率法往往误差较大，常出现一些不合理得现象。 二、初损后损法产流量计算⒈超渗产流概念在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，所以不产生地下径流，并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产流。 超渗产流示意图初渗阶段，降雨全部损失不稳定下渗、稳定下渗阶段产流量 初损阶段：历时为t0。降雨损失I0，不产流。后损阶段：损失按平均下渗能力来计算：+P’⒉超渗产流的产流量计算 ⑴初损量I0的确定：①小流域:径流过程的起涨点以前的累积雨量可以作为初损的近似值。②大流域:则要考虑流域内各雨量站至流域出口断面汇流时间不同的问题。分别确定各自的产流开始时刻，再确定初损。 实际工作中：常根据各次降雨初损I0、土壤含水量Pa，以月份（M）为参数绘Pa～M～I0相关图以备设计时查用。Pa（mm)I0（mm)4567M（月份)Pa～M～I0相关图 或绘Pa～i～I0相关图 ⑵平均后损率对多次降雨资料分析，确定平均后损率f。一次降雨形成的径流深R:因此: 例7-6：某次实测降雨过程，降雨开始Pa.0=15.4mm，推求净雨过程。已知：根据当地Pa～M～I0相关图得:I0=31.0mm,多次降雨资料分析确定的流域平均后损率为1.5mm/h。 初损后损法求净雨深计算表日·时P(mm)I0(mm)f×△t(mm)h(t)(mm)1.3～61.21.26～917.817.89～123612.0（1h)3(2h)21.012～158.84.54.315～185.44.50.921～247.74.53.218～221.91.90.0合计78.83129.4 第六节设计洪水过程线推求降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程，称为流域汇流。设计洪水过程线推求：即由设计净雨（地面、地下净雨）通过流域汇流推求设计洪水过程线。 一、等流时线法汇流计算⒈基本概念流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间，称为汇流时间（τ）。流域汇流时间用τm表示。将流域上汇流时间相等的点子连成一条曲线，就是等流时线。两条相邻等流时线间的面积称为等流时面积（f1、f2、f3、...）。 ⒉两个时段（2△t)、净雨(h1、h2)、3个等流时面积（f1、f2、f3)形成的地面径流过程分析： 一般的： 二、经验单位线汇流计算⒈单位线意义及基本假定⑴定义一个单位时段内，某一特定流域上均匀分布的单位地面净雨深，在流域出口断面形成的地面径流过程线。 单位净雨深：一般取为10mm。单位时段△t:可取1、3、6、12、24h等等，依流域大小而定。 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坐标的k倍。⑵单位线基本假定 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相加。 Q=Q1+Q2+Q3 ⒉单位线的推求⑴方法：利用实测降雨径流资料推求。选择时空分布较均匀，历时较短的降雨形成的单峰洪水。⑵步骤：①根据流量过程线求地面径流过程。②利用降雨资料，推求地面净雨。③根据地面净雨及其对应的地面径流过程线推求单位线。 例7-7：已知某流域实测流量资料分割后的地面径流过程以及推算出的地面净雨过程(如下表)，分析单位线。 单位线分析计算表时间(月.日.时)地面径流量(m3/s)净雨深(mm)净雨15.7mm产生的径流量(m3/s)净雨5.9产生的径流量(m3/s)单位线纵坐标(m3/s)修正后单位线纵坐标(m3/s)单位线时段数(12h)9.24.9000009.24.2112015.71200767619.25.92755.92304514614629.25.217376518641541539.26.9106582124452352349.26.2184053230833934559.27.957537520023924169.27.2138924814115815779.28.92611689310711089.28.2118011763747399.29.912884445452109.29.219563324042119.30.97349243137129.30.2155371823311310.1.940261417261410.1.2129191012211510.2.9191278161610.2.2112845101710.3.9633251810.3.21101001910.4.90020合计22692326单位线径流深(mm)9.810.0 ⒊单位线时段转换单位线应用时，往往因实际降雨历时和已知单位线的时段长不相符合，不能任意移用；例如：降雨记录只有四段制的，即每6小时观测一次，由此可分析得6h单位线，但实际上则需3h的单位线，就要将6小时单位线转换为3小时单位线。最常用的方法是S曲线法。 ⑴S曲线概念：假定流域上净雨持续不断，且每时段净雨均为一个单位，在流域出口断面形成的流量过程线。 ⑵单位线时段转换：将已知时段为△t0的单位线q（△t0，t）转换为时段为△t的单位线q（△t，t）。步骤：①将S（t）曲线向右平移△t，得另一条起始时刻迟△t的S（t-△t）曲线， ②两条S曲线纵坐标相减S（t）-S（t-△t），代表△t时段降雨量为的净雨形成的流量过程线。③根据倍比假定： 例7-8：将时段为6h的单位线转换为时段为3h和9h的单位线。步骤：①求S（t）曲线。②单位线转换。 S曲线计算表原单位线(△t0=6h)S曲线时序q(t)000176076220976028536162097609014489616209760139053564896162097601746623535648961620976019817160235356489616209760214181101602353564896162097602251978110160235356489616209760232910507811016023535648961620976023791135507811016023535648961620976024141223355078110160235356489616209760243713122335507811016023535648961620976024491401223355078110160235356489616209760244901223355078110160235356489616209762449012233550781101602353564896162090122335507811016023535648961601223355078110160235356489 不同时段单位线转换计算表时间原单位线(△t0=6h)S(t)S(t-3)S(t)-S(t-3)单位线(△t=3h)S(t-9)S(t)-S(t-9)单位线(△t=9h)时序q(t)时序q(t)时序q(t)000000000325025150617676255121029155767931580155110312220928515513042602526015500285215543076424183616901500401680215574624972111619012607520285876244489139011612298458500890271585139019593909016843456305356174615851611032211615853318831746137112741390493366235198118839812196158539642643920661981851317017463204271602141206675141501883258452204214163151261981223514948811022512204471694206618551229622514517902141155549782329229633186622041256835723582329291958225110760105023792358212042229683632400237921214223297174766113524142400142228235856692428241414232823794972122324372428924182400378257524452437825162414317813122449244542682428218124492449027024371298841402449244902445487244924490244909024492449024490100 ⒋单位线应用例7-9：已知设计净雨、单位线，推求设计洪水过程线。 由单位线推求设计洪水过程线时间（h）设计净雨（mm）单位线（m3/s）部分地面径流（h/10×q（t））地面径流（m3/s）设计地下径流（m3/s）设计洪水流量（m3/s）h1=155.2mmh2=93.6mmh3=76.7mmh4=42.8mm（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）000020206155.25.687087201071293.624.7383520436204561876.778.3121523143014892015092442.830466733189241412201432302031028160110612972013173613.52101872303359622098242914012615312854820568486.195841048636820388544.57057695825420274603.45342473918020200662.74232352613420154722.13325261910320123781.6252021158020100841.219151612612081900.81211129452065960.587973120511020.235651920391080024392029114022420241200112021126002020'