第九章--工程水文学

'第九章由暴雨资料推求设计洪水 第九章由暴雨资料推求设计洪水第一节概述第二节直接法推求设计面暴雨量第三节间接法推求设计面暴雨量第四节设计暴雨时空分配计算第五节由暴雨资料推求设计洪水第六节小流域设计洪水的计算 我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成。在实际工作中，中小流域常因流量资料的不足无法直接利用流量资料推求设计洪水，而暴雨资料一般比较多，因此可用暴雨资料推求设计洪水。特别是：第一节概述 在中小流域上兴建水利工程，经常遇到流量资料不足或代表性差的情况，难于用相关法插补延长。由于人类活动的影响，使径流形成的条件发生显著的改变，破坏了洪水系列的一致性。为了用多种方法推算设计洪水，以论证设计成果的合理性，即使是流量资料充足的情况下。无资料地区小流域设计洪水，一般都是根据暴雨资料推求的。可能最大降水/洪水是用暴雨资料推求这些方面均需要用暴雨资料推求。 由暴雨资料推求设计洪水的主要内容有：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。推求设计洪水过程线。由求得的设计暴雨，利用产汇流方案推求设计净雨过程，利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程。由暴雨资料推求设计洪水，其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的。本章内容：适用于不同流域的由暴雨资料推求设计洪水的方法，以及小流域设计洪水计算的一些特殊方法。 暴雨资料的收集、审查和统计选样面雨量资料的插补展延特大值的处理面雨量频率计算设计面暴雨量计算成果的合理性检查第二节直接法推求设计面暴雨量 设计面暴雨量：设计断面以上流域的设计面暴雨量。计算方法：设计面暴雨量计算的直接方法：当设计流域雨量站较多、分布较均匀、各站又有长期的同期资料、能求出比较可靠的流域平均雨量时。选取指定统计时段的最大面暴雨量。设计面暴雨量计算的间接方法：当设计流域内雨量站稀少，或观测系列甚短，或同期观测资料很少，无法直接取得设计面暴雨量时，采用间接法计算，先求本流域中心附近代表站的设计点暴雨量，然后通过暴雨点面关系，求相应设计面暴雨量。 1、暴雨资料的收集：主要来源：国家水文、气象部门所刊印的雨量站网观测资料。结合调查收集暴雨中心范围和历史上特大暴雨资料，尽可能估计出调查地点的暴雨量。2、暴雨资料的审查：我国暴雨资料分为：日雨量资料、自记雨量资料和时段雨量资料。一、暴雨资料的收集、审查和统计选样第二节直接法推求设计面暴雨量 资料的审查：可靠性审查：重点审查特大或特小雨量观测资料是否真实。代表性分析：通过与临近地区长系列雨量资料或其他水文资料，以及本流域或临近流域实际大洪水资料进行对比分析。一致性审查：对于按年最大值选样的情况，实际上有困难；对于求分期设计暴雨时，要注意暴雨资料的一致性，不同类型暴雨特性是不一样的，宜分别考虑。 3、统计选样：计算每年各次大暴雨的逐日面雨量。选定不同的统计时段。按独立选样的原则，统计逐年不同时段的年最大面雨量。对于大、中流域的暴雨统计时段，一般取1、3、7、15、30日。其中，1、3、7日暴雨的核心部分，是直接形成所求的设计洪水部分。统计更长时段的雨量则是为了分析暴雨核心部分起始时刻流域的蓄水状况。 时间（月.日）点雨量面平均雨量最大1日、最大3日、最大7日面雨量及起讫时间A站B站C站6.307.17.27.37.47.57.67.77.87.9⁞8.188.198.208.218.228.238.248.255.350.411.5134.832.55.635.53.711.1⁞6.622.742.660.181.82.326.910.8125.921.410.525.27.15.8⁞0.22.451.768.654.11.00.225.314.7129.010.04.727.61.49.7⁞6.95.454.853.532.30.11.834.212.3129.921.36.929.44..18.9⁞4.610.249.760.756.11.17月4日为年最大1日，x1日=129.9mm8月22-24日为年最大3日，x3日=166.5mm7月1日-7月7日为年最大7日，x7日=234.0mm 二、面雨量资料的插补展延一般可利用近期的多站平均雨量与同期少站平均雨量建立关系。若相关关系好，可利用相关线展延多站平均雨量作为流域面雨量。为了解决同期观测资料较短、相关点据较少的问题，在建立相关关系时，可利用一年多次法选样，以增添一些相关点据。 三、特大值的处理在实际计算中，若不出现特大暴雨，统计参数往往会偏小。例如：福建长汀县四都站：根据1972年以前的最大1日雨量系列计算，其统计参数：据此计算得万年一遇最大1日雨量为332mm；而四都站1973年出现一次特大暴雨，实测最大1日雨量达332mm，恰好万年一遇的数值。由于未做特大值处理，1973年暴雨点据悬高于点据上。1973年暴雨参加计算后，参数值又明显偏高。需要利用其他信息资料，正确估计出特大值的重现期，可以提高代表性，起到展延系列的作用。 判断大暴雨资料：一般可从经验频率点据偏离频率曲线的程度、模比系数的大小、暴雨量级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判断。若没有特大暴雨资料，则可进行暴雨调查，或移用临近流域已发生过的特大暴雨资料。移用时，注意分析暴雨和天气资料的统计分析。特大值的处理关键是确定重现期。由于历史暴雨无法直接考证，特大暴雨的重现期只能通过小河洪水调查并结合历史文献中有关灾情资料的记载来分析估计。对特大暴雨的重现期必须做深入细致的分析论证，若没有充分的依据，就不宜做特大值处理。第二节直接法推求设计面暴雨量 四、面雨量频率计算面雨量统计参数的估计：我国一般采用适线法。设计洪水规范规定：其经验频率公式采用期望值公式，线型采用皮尔逊型。我国暴雨Cs与Cv的比值：一般地区为3.5左右，在Cv>0.6的地区，约为3.0；Cv<0.45的地区，约为4.0。频率计算时，最好将不同历时的暴雨量频率曲线点绘在同一张频率格纸上，并注明相应的统计参数，加以比较。 五、设计面暴雨量计算成果的合理性检查对各种历时的点面暴雨量统计参数，进行分析比较。（暴雨量的统计参数应随面积增大而逐渐减小）将直接法计算的面暴雨量与间接法计算的结果进行比较。将临近地区已出现的特大暴雨的历时、面积、雨深资料与设计面暴雨量进行比较。 第三节间接法推求设计面暴雨量一、设计点暴雨量的计算二、设计面暴雨量的计算 一、设计点暴雨量的计算有较充分点雨量资料时设计点暴雨量的计算推求设计点暴雨量，此点最好在流域的形心处，如果流域形心处或附近有一观测系列较长的雨量站，则可利用该站的资料进行频率计算，推求设计暴雨量。当长系列的站不在流域的形心处时，可先求出流域内各站的设计点暴雨量，然后绘制设计暴雨量等值线图，用地理插值法推求流域中心站的设计暴雨量。第三节间接法推求设计面暴雨量 设计规范中的插补方法：1、距离较近时，可直接借用邻站某些年份的资料。2、一般年份，当相邻地区测站雨量相差不大时，可采用临近各站的平均值插补。3、大水年份，当临近地区测站较多时，可绘制次暴雨或年最大值等值线图进行插补。4、大水年份缺测，可移用气象条件分析可能发生的临近地区的特大暴雨资料。注意移植订正。5、与洪水的峰量关系较好时，可建立暴雨与洪水峰或量的相关关系，插补大水年份缺测的暴雨资料。 第三节间接法推求设计面暴雨量缺乏雨量资料时设计点暴雨量的计算设计暴雨的推求可利用暴雨等值线图或参数的分区综合成果：暴雨洪水图集或手册（如1d、3d、7d及1h、6h、24h等）的暴雨均值及Cv值和Cs/Cv的分区数值表）经分区综合分析所得各种历时暴雨地区综合统计参数成果一般推求出的设计暴雨量精度不高 二、设计面暴雨量的计算流域中心设计点暴雨量求得后，要用点面关系折算成面设计暴雨量。点面关系：定点定面关系；动点动面关系。1、定点定面关系：在流域内有一定数量且分布均匀的雨量站资料时，用长系列站作为固定点，以设计流域做为固定面，根据同期观测资料，建立各种时段暴雨的点面关系。第三节间接法推求设计面暴雨量 第三节间接法推求设计面暴雨量45°定点定面关系图流域平均雨量xF（mm）中心点雨量（mm)x0流域中心位置雨量站 1、动点动面关系：暴雨中心点面关系：以暴雨中心点面关系代替定点定面关系，即以流域中心设计点暴雨量以及地区综合的暴雨中心点面关系去推求设计面暴雨量。这种暴雨中心点面关系是按照各次暴雨的中心与暴雨分布等值线图求得的，各次暴雨中心的位置和暴雨分布不尽相同。第三节间接法推求设计面暴雨量 假定：设计暴雨中心与流域中心重合；设计暴雨的点面关系符合平均的点面关系；假定流域的边界与某条等雨量线重合。使用时应分析几个与设计流域面积相近的流域或对地区的定点定面关系做验证。在计算设计面暴雨量时，应尽可能采用直接法。第三节间接法推求设计面暴雨量 第四节设计暴雨时空分配的计算一、设计暴雨时程分配的计算：设计暴雨的时程分配计算与设计洪水过程线的计算方法相同，一般采用典型暴雨同频率缩放。1、典型暴雨的选择和概化典型暴雨过程应在暴雨特性一致的气候区选择有代表性的面雨量过程，资料不足时可由点暴雨量过程来代替。要求典型暴雨特征能反映设计地区的情况，符合设计要求。 2、缩放典型过程，计算设计暴雨的时程分配：采用同频率设计暴雨量控制方法，对典型暴雨分段进行缩放。不同时段控制放大时，控制时段划分不宜过细，一般以1、3、7日控制。多暴雨中心部分24h暴雨的时程分配，时段划分视流域大小及汇流计算所用的时段而定，一般取1h、2h、3h、6h、12h、24h控制。 【例】已求得某流域百年一遇1d、3d、7d设计暴雨分别为108mm、182mm、270mm。经对流域内各次大暴雨资料分析比较后，选定暴雨核心部分出现较迟的1993年的一次大暴雨作为典型，其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。时段（d）1234567雨量x(mm)13.86.120.00.20.963.544.1表1993年的一次暴雨过程第四节设计暴雨时空分配的计算 解：（1）计算典型暴雨时段雨量最大1天雨量、最大3天雨量、最大7天雨量（2）计算放大倍比 时段（d）1234567典型雨量(mm）13.86.120.00.20.963.544.1放大倍比k2.192.192.192.191.641.701.64设计暴雨(mm)30.313.543.90.41.510872.4（3）典型暴雨同频率放大推求设计暴雨过程第四节设计暴雨时空分配的计算 【例】某流域百年一遇各种时段设计雨量如下：时段（d）137面设计暴雨P面，1%303394485选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨的日程分配计算如下表：设计时段雨量分配比及设计雨量1d2d3d4d5d6d7dP（1）p=303mm典型分配比设计雨量100%303P（3）p-P（3）p=91mm典型分配比设计雨量40%3660%55P（7）p-P（3）p=91mm典型分配比设计雨量30%2733%3037%340%0设计暴雨过程（mm）27303403630355 二、设计暴雨的地区分布梯级水库或水库承担下游防洪任务时，需要拟订流域上各部分的洪水过程，因此需给出设计暴雨量在面上的分布。其计算方法与设计洪水的地区组成计算方法相似。在实际工作中，一般先对已有实测大暴雨资料的地区组成进行分析，了解暴雨中心经常出现的位置，并统计水库以上和区间暴雨所占的比重等，作为选定设计暴雨面分布的依据，再从工程规划设计的安全与经济考虑，选定一种可能出现而且偏于不利的暴雨分布形式，进行设计暴雨的模拟放大，常采用的方法： 一部分来自防洪水库A以上流域的暴雨；另一部分来自水库A以下至防洪断面B这一区间面积上的暴雨。 1、典型暴雨图法：从实际资料中选择暴雨量大的一个暴雨图形移植于流域上。常将暴雨中心置放在区间，使区间所占的比例更大，偏于不安全。然后量取典型暴雨等雨量线图，计算各断面间的典型面雨量和区间典型面雨量，乘以各自的面积得各自区间的总水量和比例。最后通过设计暴雨时程分配计算，得出两部分设计暴雨过程。以上图为例，即：分别求出水库A以上和区间AB的典型面雨量：xA,xAB；乘以各自的面积，得水库A以上和区间的总水量，并求它们所占的相对比例。设计暴雨按各自所占的比例分配，即得水库A上和AB区间上设计暴雨面分布。 2、同频率控制法对防洪断面以上流域的面雨量和区间面积上的面雨量分别进行频率计算，求得各自的设计面雨量，按同频率原则考虑，采取防洪断面以上流域发生指定频率的设计面暴雨量，区间也发生同频率暴雨，水库以上则为相应雨量。以上图为例：求的各自的设计面雨量：水库以上流域相应雨量为： 第五节由设计暴雨推求设计洪水 一、由设计暴雨推求设计净雨设计暴雨扣除相应的损失，即得设计净雨（一）拟定设计流域的产流计算方案有暴雨径流资料时，可采用降雨径流相关图法、初损后损法等缺乏暴雨径流资料时，可采用省水文手册等规定的方法第五节由设计暴雨推求设计洪水 第五节由设计暴雨推求设计洪水（二）确定设计暴雨的前期影响雨量Pa,p（或前期流域蓄水量W） 第五节由设计暴雨推求设计洪水 第五节由设计暴雨推求设计洪水统计年最大暴雨量P时，同时计算Pa，并求出(P+Pa)；对P和（P+Pa）两个系列，分别进行频率计算，由前者求得设计暴雨量Pp，由后者求得同频率的(P+Pa)p。（P＋Pa）P－PP 第五节由设计暴雨推求设计洪水 第五节由设计暴雨推求设计洪水根据Pa,p和拟定的产流计算方案，便可由设计暴雨过程推求设计净雨过程。3、推求设计净雨过程 第五节由设计暴雨推求设计洪水 第五节由设计暴雨推求设计洪水1.拟定地面汇流计算方案。一般采用时段单位线法。2.按地面汇流方案，将地面净雨转化为地面径流过程3.选定地下汇流计算方案，确定地下径流过程。4.将地面、地下径流叠加，即得设计洪水过程。二、由设计净雨推求设计洪水 地面、地下汇流计算方案地面汇流方案：有雨洪资料时：等流时线法、时段单位线法、瞬时单位线法等。雨洪资料缺乏时：综合单位线法、推理公式法、地区经验公式法等。地下汇流方案：对于设计洪水而言，地面径流是主体，地下径流相对很小，常常按经验取大洪水的基流作为设计洪水的地下径流，或其它简化计算方法。第五节由设计暴雨推求设计洪水 第五节由设计暴雨推求设计洪水算　例时段（∆t=12h）123456合计设计暴雨Pi（mm）10155508040200P+Pa(mm)90105160160240280累积净雨（mm）4135050110140设计净雨Rs,i(mm)4937060301401、设计暴雨及设计净雨推求 2、推求设计洪水过程线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一、概述小流域设计洪水计算的特点（1）在小流域上修建的工程数量很多，往往缺乏暴雨和流量资料，特别是流量的资料。（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控制，因而对设计洪峰流量的要求高。（3）小型工程数量多，分布广，计算方法力求简便，易于掌握和使用。计算方法：推理公式法、经验公式法、综合单位线法及水文模型等方法。 第六节小流域设计洪水的计算二、小流域设计暴雨小流域暴雨特点①把流域中心点雨量作为流域面雨量，无需考虑点面雨量折算②由最大1日设计雨量X1日,p推求历时t的设计雨量Xt,p（1）历时短，一般从几十分钟到若干小时；（2）缺乏实际观测资料（3）面积小，可以忽略暴雨在地区上的分布不均匀性 第六节小流域设计洪水的计算小流域设计暴雨与其所形成的洪峰流量假定具有相同的频率。当小流域缺少实测暴雨系列时，多采用一下步骤推求设计暴雨：（1）按省（区市）水文手册级《暴雨径流查算图表》上的资料计算特定历时的暴雨量。（2）将特定历时的设计暴雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量。（一）年最大24h设计暴雨量计算年最大日雨量必须折算成年最大24雨量折算公式如下：P24=KP日，k为系数，一般在1.1～1.2间，常采用1.1.二、小流域设计暴雨 第六节小流域设计洪水的计算将年最大日雨量系列换算成年最大24h雨量系列，然后进行频率计算，即可得设计年最大24h雨量P24,P。如果设计流域没有雨量站，可用水文手册查处流域中心点的年最大24h平均雨量、、（常采用CS=3.5CV）。即可得设计年最大24h雨量P24,P（二）设计暴雨公式SP:频率为P的雨力，当t=1h时的暴雨强度，mm/h；n:暴雨衰减指数；Pt.p:历时为t，频率为P的暴雨量。1、暴雨公式的形式 第六节小流域设计洪水的计算2、暴雨公式参数确定对公式两边取对数：上式为一直线方程式，lgs为截距，n为斜率，在双对数坐标格纸上以i为纵坐标，t为横坐标，可点汇出一组近乎平行的直线，在线上量取t=1小时的纵坐标值即为s值。 第六节小流域设计洪水的计算（1）当t=1小时，转折点的纵坐标即为s；（2）当t<1时，取n=n1；（3）当t>1时，取n=n2；水文手册查n值分区图 由24小时设计暴雨量转换为历时t的设计雨量第六节小流域设计洪水的计算 第六节小流域设计洪水的计算【例1】：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。解：根据水库所在地，查湖北省“水文手册”，求得50年一遇的最大24h暴雨量为：P24,2%=250mm，n=n2=0.7 第六节小流域设计洪水的计算【例2】某小型水库，需推求t=3h，100年一遇的设计暴雨。解：根据水库所在地，查当地《水文手册》，得=123mm,=0.5=3.5CV,n=0.71当P=1%时，KP=2.74P24,P=123×2.74=337(mm)SP=P24.P×24n-1=337×240.71-1=134(mm/h)当t=3h时,P=1%的设计雨力P3.P=SPt1-n=134×31-0.71=184mm 小流域设计暴雨的最长时段一般不超过24小时，最大3小时或6小时雨量对小流域洪峰流量的影响较大，暴雨时程分配一般采用3小时、6小时、24小时作为控制时段。根据典型暴雨过程各控制时段降雨量百分比进行分配。（地区水文图集或水文手册）第六节小流域设计洪水的计算 第六节小流域设计洪水的计算三、设计净雨计算由暴雨推求设计洪水，一般分产流和汇流两个阶段。产流——由降雨过程求净雨过程汇流——由净雨过程求流量过程利用损失参数μ值的地区综合规律计算设计净雨法损失参数μ是指产流历时tc内的平均损失强度 （1）i≤μ时，降雨全耗于损失，不产生净雨；（2）i>μ时，损失按μ值进行，超渗部分即为净雨。当设计暴雨和μ值确定后，即可求出任何一历时的净雨量及平均净雨强度i。为了便于小流域设计洪水计算，各省区水利水文部门在分析大量暴雨洪水资料之后，提出了决定μ值的简便方法。参阅各地区的《水文手册》可确定μ的取值。 第六节小流域设计洪水的计算基本原理:推理公式是从成因概念出发,认为降落在流域上的暴雨经过产流和汇流,按等流时线的原理,形成流域出口的洪峰流量。基本假定：a)设计暴雨与损失时间和空间分布均匀。b)设计暴雨与设计洪水同频率。c)流域汇流符合线性规律。c)流域汇流面积随汇流时间的增加而均匀增加。1、推理公式的假定和基本形式四、由推理公式推求设计洪水 第六节小流域设计洪水的计算tc瞬时暴雨强度i历时(a)瞬时暴雨强度itc历时(b)（a）全面汇流情况（b）部分汇流情况 第六节小流域设计洪水的计算推理公式： 第六节小流域设计洪水的计算将暴雨强度公式代入： 第六节小流域设计洪水的计算2、推理公式参数估计（1）暴雨参数S、n方法1：查等值线图或水文手册方法2：若已知24小时设计雨量P24p，可根据查出的n代入暴雨公式反推S：Ptp＝St1－nP24p＝S241－nS＝P24p24n－1 方法1：查区域或流域水文手册方法2：计算公式可以证明＝（1-n）n（2）损失参数第六节小流域设计洪水的计算 （3）净雨历时tc证明:瞬时雨强i=时t=tc代入得证当第六节小流域设计洪水的计算 （4）流域汇流时间τm出口概化为三角形，取σ＝1/3；λ＝1/4代入上式得第六节小流域设计洪水的计算 （5）汇流参数m的取值：方法1：查水文手册方法2：由实测流量资料反推：方法3：采用经验公式，如第六节小流域设计洪水的计算 （6）设计洪峰Qm采用试算或图解法联立求解。③①②第六节小流域设计洪水的计算 【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的洪峰流量。由湖南省《小型水库水文手册》雨量参数图，查算得流域中心点＝120mm；Cv＝0.4；Cs/Cv＝3.5；n=0.76；查附录，得到模比系数计算得第六节小流域设计洪水的计算 由等值线图,查得流域中心（2）净雨历时tctc＝［（1-n）S１％/］1／n＝［（1－0.76）129/2.0］1／0.76＝36.8h＝2mm/h─f（1）损失参数第六节小流域设计洪水的计算 （3）流域汇流参数θ＝L/S1/3F1/4＝2.65/0.0331/3×2.931/4＝6.31ｍ＝0.54θ0.15＝0.54×6.31０.15＝0.71第六节小流域设计洪水的计算 (5)设计洪峰Qm的试算将结果代入推理公式得τm＝3.235Ｑmp0.25（1）Ｑmp＝105.1τ－2.39tc≥τ（2）Ｑmp＝189.7τ－1tc＜τ（3）假设Ｑmp＝100代入（1）τ＝1.023τ＝1.023代入（2）Ｑｍｐ＝101.7假设Ｑmp＝101.7代入（1）τ＝1.019τ＝1.019代入（2）Ｑmp＝102设计洪峰流量Ｑmp＝102ｍ３/ｓ 第六节小流域设计洪水的计算五、小流域设计洪水计算的经验公式法计算洪峰流量的地区经验公式是根据一个地区各河流的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特征、降雨特性之间的相互关系，建立起来的关系方程式。这些方程都是根据某一地区的实测经验数据指定的，只适用于该地区，所以称为地区经验公式。 第六节小流域设计洪水的计算包含降雨因素的多参数地区经验公式其中：C为综合系数，f为流域形状系数，n等为指数 第六节小流域设计洪水的计算六、小流域设计洪水过程应用推理公式或地区经验公式，只能算出设计洪峰流量，对于一些中小型水库，有时要求提供设计洪水过程线，以便分析水库的调洪能力和防洪效果，一般用于计算小流域设计洪水过程线的方法有概化过程线法和综合单位线法。 第六节小流域设计洪水的计算概化过程线是根据实测洪水资料，经过综合分析和简化而得。概化的线型有三角形、五边形和综合概化过程线等，一般根据地区涨洪的情况选取。从概化过程线转换成设计洪水过程线，必须知道设计洪峰流量和设计洪水总量。 第六节小流域设计洪水的计算0.1Qmp概化洪水过程线00.10.250.501.00Qmp0.2QmpTi/T'