第9章-由暴雨资料推求设计洪水-PPT.ppt

第第9 9章章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 设计面暴雨量设计面暴雨量9.3 9.3 设计暴雨时空分配计算设计暴雨时空分配计算9.4 9.4 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水9.5 9.5 小流域设计洪水计算小流域设计洪水计算9.1 9.1 概述概述9.1.1问题的提出问题的提出l设计流域实测流量资料不足或缺乏设计流域实测流量资料不足或缺乏,难以用相关法插补延，难以用相关法插补延，需用暴雨资料推求设计洪水；需用暴雨资料推求设计洪水；l 人类活动破坏了洪水系列的一致性人类活动破坏了洪水系列的一致性;l多种方法多种方法,互相印证互相印证,合理选定合理选定;lPMP和小流域设计洪水常用暴雨资料推求；和小流域设计洪水常用暴雨资料推求；l无资料地区的小流域设计洪水。无资料地区的小流域设计洪水。9.1 9.1 概述概述9.1.2由暴雨资料推求设计洪水的步骤由暴雨资料推求设计洪水的步骤l按照暴雨洪水的形成过程，推求设计洪水可分三步进行。按照暴雨洪水的形成过程，推求设计洪水可分三步进行。l推求设计暴雨推求设计暴雨:用频率分析法求不同历时指定频率的设计用频率分析法求不同历时指定频率的设计雨量及暴雨过程。雨量及暴雨过程。l推求设计净雨推求设计净雨:设计暴雨扣除损失就是设计净雨。设计暴雨扣除损失就是设计净雨。l推求设计洪水推求设计洪水:应用单位线法等对设计净雨进行汇流计算，应用单位线法等对设计净雨进行汇流计算，即得流域出口断面的设计洪水过程。即得流域出口断面的设计洪水过程。l主要步骤：暴雨选样主要步骤：暴雨选样 设计暴雨设计暴雨 设计净雨设计净雨 设计洪水设计洪水基本假定：是设计暴雨与设计洪水是同频率的基本假定：是设计暴雨与设计洪水是同频率的9.2 9.2 设计面暴雨量设计面暴雨量设计面雨量是指设计断面以上流域的设计面暴雨量。设计面雨量是指设计断面以上流域的设计面暴雨量。l直接法：雨量站多、分布较均匀、各站又有长期的同期直接法：雨量站多、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面雨量时，就可直接选资料、能求出比较可靠的流域平均面雨量时，就可直接选取每年指定统计时段的最大面暴雨量，进行频率计算求得取每年指定统计时段的最大面暴雨量，进行频率计算求得设计面暴雨量。设计面暴雨量。l间接法：雨量站稀少、或观测系列甚短，或同期观测资间接法：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，可先求流料很少甚至没有，无法直接求得设计面暴雨量，可先求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，求相应的设计面暴雨量。系，求相应的设计面暴雨量。l暴雨资料收集：主要向水文、气象部门刊印的暴雨资料收集：主要向水文、气象部门刊印的水文年水文年鉴鉴、气象月报收集；主管部门的网站查阅；也可收集特、气象月报收集；主管部门的网站查阅；也可收集特大暴雨图集和特大暴雨的调查资料。大暴雨图集和特大暴雨的调查资料。l暴雨资料的审查：暴雨资料的审查：可靠性审查：重点审查特大或特小值，可靠性审查：重点审查特大或特小值，记错、遗漏，自记器故障等；一致性审查：不同类型暴雨；记错、遗漏，自记器故障等；一致性审查：不同类型暴雨；代表性审查：临近长系列雨量、大洪水，偏丰、偏枯。代表性审查：临近长系列雨量、大洪水，偏丰、偏枯。l统计选样：固定时段选取年最大值法。习惯上取单数天统计选样：固定时段选取年最大值法。习惯上取单数天,如如1、3、7、15天等。选取天等。选取23个控制时段。个控制时段。9.2 9.2 设计面暴雨量设计面暴雨量9.2.1直接法推求设计面暴雨量直接法推求设计面暴雨量1.暴雨资料的收集、审查和统计选样暴雨资料的收集、审查和统计选样例例P227表表912.面雨量资料的插补展延面雨量资料的插补展延GFEDBCAA站站B站站C站站E站站D站站F站站G站站19501960197019801990A、C、D、G19681990年平均年平均 系列中是否含有特大暴雨直接影响系列的代表性。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、一般暴雨变幅不很大，若不出现特大暴雨，统计参数均值、C Cv v往往会偏小，但加入特大暴雨，未作特大暴雨处理，又会使往往会偏小，但加入特大暴雨，未作特大暴雨处理，又会使统计参数偏大。统计参数偏大。判断大暴雨资料是否属于特大值，一般可从经验频率点据判断大暴雨资料是否属于特大值，一般可从经验频率点据偏离频率曲线的程度、模比系数偏离频率曲线的程度、模比系数K K的大小、暴雨量级在地区上的大小、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。是否很突出，以及论证暴雨的重现期等方面进行分析判断。特大值处理的关键是确定重现期。一般认为，当流域面积特大值处理的关键是确定重现期。一般认为，当流域面积较小时，流域平均雨量的重现期与相应洪水的重现期相近。较小时，流域平均雨量的重现期与相应洪水的重现期相近。3.特大值的处理特大值的处理4.面雨量频率计算面雨量频率计算l适线法：适线法：l线型：（线型：（P-P-型）。型）。l参数：一般地区参数：一般地区C Cs s3.5C3.5Cv v。C Cv v0.60.6，C Cs s3.0Cv3.0Cv；C Cv v0.45 I Im m时，则取时，则取P Papap=I Im m。上述三种方法中，上述三种方法中，扩展暴雨过程法用得扩展暴雨过程法用得较多，第一中方法仅较多，第一中方法仅适用于湿润地区。同适用于湿润地区。同频率法往往误差较大，频率法往往误差较大，常出现一些不合理得常出现一些不合理得现象。现象。简化的降雨径流相关图简化的降雨径流相关图9.5 9.5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水9.3.2产汇流方案的应用产汇流方案的应用 设计暴雨属于稀遇的大暴雨，往往超过实测暴雨很多，设计暴雨属于稀遇的大暴雨，往往超过实测暴雨很多，在推求设计洪水时，必须外延有关的产流、汇流方案。在推求设计洪水时，必须外延有关的产流、汇流方案。常采用常采用x+Pa与与y形式形式的相关图法，关系的相关图法，关系线上部为线上部为45线，外线，外延比较方便延比较方便。1.外延问题外延问题 产流方案产流方案图图9-9 PaiI0相关图相关图多采用初损后损法，多采用初损后损法，对有关相关图在外对有关相关图在外延时必须考虑设计延时必须考虑设计暴雨的雨强因素的暴雨的雨强因素的影响。影响。湿润地区湿润地区干旱地区干旱地区 由单位线的两个假定可知，汇流方案都属于由单位线的两个假定可知，汇流方案都属于“线性系统线性系统”。对于实测暴雨，精度可以满足要求，对于罕见的大暴雨，线。对于实测暴雨，精度可以满足要求，对于罕见的大暴雨，线性假定可能导致相当大的误差。性假定可能导致相当大的误差。因此必须注意汇流方案在特大暴雨条件下的适用性。尽量因此必须注意汇流方案在特大暴雨条件下的适用性。尽量选用实测大洪水资料分析得到的汇流方案（单位线），避免外选用实测大洪水资料分析得到的汇流方案（单位线），避免外延过远而扩大误差。延过远而扩大误差。用一般常遇洪水分析得到的单位线推求设计洪水，与由特用一般常遇洪水分析得到的单位线推求设计洪水，与由特大洪水资料分析的单位线推流，成果可能相差很大，其差值可大洪水资料分析的单位线推流，成果可能相差很大，其差值可达达20%20%左右。左右。汇流方案汇流方案单位线单位线 如果设计流域缺乏实测降雨径流资料，无法直接分析产流、如果设计流域缺乏实测降雨径流资料，无法直接分析产流、汇流方案，就得解决移用问题。汇流方案，就得解决移用问题。产流方案一般采用分区综合法，如山东水文手册上就有适产流方案一般采用分区综合法，如山东水文手册上就有适用于不同地区的用于不同地区的1414条次降雨径流相关线，供各个分区查用，汇条次降雨径流相关线，供各个分区查用，汇流方案一般采用单位线的综合成果。流方案一般采用单位线的综合成果。2.移用问题移用问题9.5 9.5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水9.3.2产汇流方案的应用产汇流方案的应用9.5 9.5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水9.3.3由设计暴雨推求设计洪水步骤由设计暴雨推求设计洪水步骤由暴雨资料推求设计洪水的步骤：由暴雨资料推求设计洪水的步骤：暴雨选样；暴雨选样；推求设计暴雨；推求设计暴雨；推求设计净雨；推求设计净雨；推求设计洪水过程线。推求设计洪水过程线。【例例9-39-3】某中型水库，集水面积为某中型水库，集水面积为341km341km2 2，为了防洪复核，为了防洪复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求P P=2=2的设计洪水。的设计洪水。1.设计暴雨计算设计暴雨计算 设计暴雨时段采用设计暴雨时段采用1天。首先根据雨量站的实测资料，天。首先根据雨量站的实测资料，推求设计点暴雨量，频率计算结果为：推求设计点暴雨量，频率计算结果为：=110mm、Cv=0.58、Cs=3.5Cv 求得求得P=2%的最大的最大1日设计点暴雨量为日设计点暴雨量为296mm。通过动点动面的暴雨点面关系图，查得暴雨点面折通过动点动面的暴雨点面关系图，查得暴雨点面折减系数为减系数为0.92，则，则P=2%的最大的最大1日面设计暴雨量为：日面设计暴雨量为：x面面1日日=2960.92=272mm 按该地区的暴雨时程分配，求得设计暴雨过程按该地区的暴雨时程分配，求得设计暴雨过程，见，见表表9-5。时段数(t=6h)1234合计占最大1日的百分数（）1163179100设计暴雨(mm)29.9171.346.224.6272设计净雨(mm)7.9171.346.224.6250地下净雨(mm)2.49.09.09.029.4地面净雨(mm)5.5162.337.215.6220.6表表9-5 P=2%9-5 P=2%设计暴雨过程分配设计暴雨过程分配2.2.设计净雨过程的推求设计净雨过程的推求 用同频率法求得设计用同频率法求得设计P Pa a=78mm=78mm，本流域本流域I Im m=100mm=100mm，所以所以降雨损失为降雨损失为22mm22mm，可求得设计净雨过程（设计暴雨减去损可求得设计净雨过程（设计暴雨减去损失的雨量失的雨量22mm22mm）。）。分割地面净雨和地下净雨。分割地面净雨和地下净雨。f fc c=1.5mm/h=1.5mm/h 第一时段净雨历时：第一时段净雨历时：t tc c=7.9/29.9=7.9/29.961.6h61.6h，地下净雨地下净雨h h下下=f fc ct tc c=1.5=1.51.6=2.4mm1.6=2.4mm。3.3.设计洪水过程的推求设计洪水过程的推求 地下径流过程概化成等腰三角形出流，其峰值出地下径流过程概化成等腰三角形出流，其峰值出现在设计地面径流停止时刻（第现在设计地面径流停止时刻（第13时段），地下径流时段），地下径流过程的底长为地面径流底长的过程的底长为地面径流底长的2倍，即倍，即 T下下=2T面面=2136=156h T面面T下下地面径流地面径流地下径流地下径流tQ则则W下下=0.1h下下F=0.129.4341104(m3)=1000104m3T面面T下下地面径流地面径流地下径流地下径流tQQm下下9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算 小流域设计洪水具有的特点：小流域设计洪水具有的特点：(1)(1)在小流域上修建的工程数量很多，往往缺乏暴雨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，特别是流量资料。和流量资料，特别是流量资料。(2)(2)小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模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。于对设计洪水过程的要求。(3)(3)小型工程的数量较多，分布面广，计算方法应力小型工程的数量较多，分布面广，计算方法应力求简便，使广大技术人员易于掌握和应用。求简便，使广大技术人员易于掌握和应用。方法：推理公式法方法：推理公式法方法：推理公式法方法：推理公式法 经验公式法经验公式法经验公式法经验公式法9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算9.6.1小流域设计暴雨小流域设计暴雨 针对小流域水文资料缺乏的特点，设计暴雨推求常采用针对小流域水文资料缺乏的特点，设计暴雨推求常采用以下步骤：以下步骤：根据省（区）水文手册中绘制的暴雨参数等值线图，根据省（区）水文手册中绘制的暴雨参数等值线图，查算出统计历时的流域设计雨量查算出统计历时的流域设计雨量查算出统计历时的流域设计雨量查算出统计历时的流域设计雨量，如，如24h24h设计暴雨量等；设计暴雨量等；将统计历时的设计雨量通过将统计历时的设计雨量通过暴雨公式暴雨公式暴雨公式暴雨公式转化为任一历时转化为任一历时的设计雨量；的设计雨量；按分区概化雨型或移用的暴雨典型按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大同频率控制放大同频率控制放大同频率控制放大，得设计暴雨过程。得设计暴雨过程。1.1.年最大年最大24h24h设计暴雨量计算设计暴雨量计算u 和和Cv由各省区的由各省区的暴雨径流查算图表暴雨径流查算图表和和水文手水文手册册查取。查取。uCs/Cv由由Cs/Cv的分区图查的分区图查u由以上可求流域中心点的某频率的由以上可求流域中心点的某频率的24h设计设计暴雨量暴雨量2.2.暴雨公式暴雨公式 式中式中:at,p历时为历时为t，频率为，频率为P的平均暴雨的平均暴雨 强度，强度，mm/h；Spt=1h的平均雨强，俗称雨力，的平均雨强，俗称雨力，mm/h；n暴雨参数或称暴雨递减指数。暴雨参数或称暴雨递减指数。xt,p频率为频率为P，历时为，历时为t的暴雨量，的暴雨量，mm。图图9-10 暴雨强度历时频率曲线暴雨强度历时频率曲线 Sp及及n值确定之后，即可用暴雨公式进行不同历时暴值确定之后，即可用暴雨公式进行不同历时暴雨间的转换。雨间的转换。24h雨量雨量x24,p转换为转换为t h的雨量的雨量xt,p，可以先求，可以先求1h雨量雨量，再由，再由Sp转换为转换为t h雨量。雨量。由求得的由求得的Sp转求转求t h雨量雨量xt,p：当当1ht24h时时 当当t1h时时 不产生不产生净雨净雨不产生净雨不产生净雨产生净雨产生净雨itti、0i时，降雨损失时，降雨损失，超渗部分为净雨量。，超渗部分为净雨量。9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算9.6.2设计净雨计算设计净雨计算l l基本假定基本假定基本假定基本假定 l l流域产流强度在时间和空间分布均匀；流域产流强度在时间和空间分布均匀；流域产流强度在时间和空间分布均匀；流域产流强度在时间和空间分布均匀；l l流域汇流符合线性规律；流域汇流符合线性规律；流域汇流符合线性规律；流域汇流符合线性规律；l l流域汇流面积随汇流时间的增加而均匀增加流域汇流面积随汇流时间的增加而均匀增加流域汇流面积随汇流时间的增加而均匀增加流域汇流面积随汇流时间的增加而均匀增加。l l推理公式形式推理公式形式推理公式形式推理公式形式 9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算9.6.3由推理公式推求设计洪水由推理公式推求设计洪水全面汇流情况全面汇流情况部分汇流情况部分汇流情况 计算中涉及三类共计算中涉及三类共7 7个参数，即流域特征参数个参数，即流域特征参数F F、L L、J J；暴雨特征参数暴雨特征参数S S、n n；产汇流参数产汇流参数、m m。为了推求设计洪峰值，为了推求设计洪峰值，首先需要根据资料情况分别确定有关参数。对于没有任何观首先需要根据资料情况分别确定有关参数。对于没有任何观测资料的流域，需查有关图集。从公式可知，洪峰流量测资料的流域，需查有关图集。从公式可知，洪峰流量Q Qm m和和汇流时间汇流时间互为隐函数，而径流系数互为隐函数，而径流系数对于全面汇流和部分对于全面汇流和部分汇流公式又不同，因而需有试算法或图解法求解。汇流公式又不同，因而需有试算法或图解法求解。v1.试算法算法v该法是以法是以试算的方式算的方式联解式（解式（8.7.4）（）（8.7.5）和）和(8.7.6），步），步骤如下：如下：v 通通过对设计流域流域调查了解，了解，结合水文手册及流域地形合水文手册及流域地形图，确定流域的几何特征确定流域的几何特征值F、L、J，设计暴雨的暴雨的统计参数（均参数（均值、CV、Cs/CV）及暴雨公式中的参数及暴雨公式中的参数n（或（或n1、n2），），损失参数失参数及及汇流参数流参数m。v 计算算设计暴雨的暴雨的Sp、xTP，进而由而由损失参数失参数计算算设计净雨的雨的TB、RB。v 将将F、L、J、RB、TB、m代入式（代入式（8.7.4）（）（8.7.5）和）和（8.7.6），其中），其中仅剩下剩下Qm、Rs,未知，但未知，但Rs,与与有关，故可有关，故可求解。求解。v 用用试算法求解。先算法求解。先设一个一个Q Qm m，代入式（代入式（8.7.68.7.6）得到一个相）得到一个相应的的，将它与将它与t tc c比比较，判断属于何种，判断属于何种汇流情况，再将流情况，再将该值代入式（代入式（8.7.48.7.4）或式（）或式（8.7.58.7.5），又求得一个），又求得一个Q Qm m，若与假若与假设的的一致（一致（误差不超差不超过1%1%），），则该Q Qm m及及即即为所求；否所求；否则，另，另设Q Qm m仿以上步仿以上步骤试算，直到两式都能共同算，直到两式都能共同满足足为止。止。v试算法算法计算框算框图如如图8.7.18.7.1。v2.2.图解交点法图解交点法v 该法是对（该法是对（8.7.48.7.4）（）（8.7.58.7.5）和（和（8.7.68.7.6）分别作曲线）分别作曲线Q Qm m 及及 Q Qm m，点绘在一张图上，如图点绘在一张图上，如图8.7.28.7.2所示。两线交点的读数显然所示。两线交点的读数显然同时满足式（同时满足式（8.7.48.7.4）（）（8.7.58.7.5）和（和（8.7.68.7.6），因此交点读数），因此交点读数Q Qm m、即为该方程组的解。即为该方程组的解。【例例8.38.3】江西省江西省流域上需要建小水库一座，要求用推理公式法推求流域上需要建小水库一座，要求用推理公式法推求百年一遇设计洪峰流量。百年一遇设计洪峰流量。计算步骤如下：计算步骤如下：1.1.流域特征参数流域特征参数F F、L L、J J的确定的确定 F=104kmF=104km2 2，L=26kmL=26km，J=8.75J=8.75 2.2.设计暴雨特征参数设计暴雨特征参数n n和和S Sp p 暴雨衰减指数暴雨衰减指数n n由各省（区）实测暴雨资料发现定量，查当地水文手册由各省（区）实测暴雨资料发现定量，查当地水文手册可获得，一般可获得，一般n n得数值以定点雨量资料代替面雨量资料，不作修正。得数值以定点雨量资料代替面雨量资料，不作修正。从江西省水文手册中查得设计流域最大从江西省水文手册中查得设计流域最大1 1日雨量得统计参数为：日雨量得统计参数为：3.3.产汇流参数产汇流参数、m m的确定的确定 可查有关水文手册，本例查得的结果是可查有关水文手册，本例查得的结果是=3.0mm/h=3.0mm/h、m=0.70m=0.70。4.4.图解法求设计洪峰流量图解法求设计洪峰流量 (1)(1)采用全面汇流公式计算，即假定采用全面汇流公式计算，即假定t tc c。将有关参数代入式将有关参数代入式（8.7.48.7.4）、（）、（8.7.68.7.6）和式（）和式（3-453-45），得），得Q Qm m及及的计算式如下：的计算式如下：（2 2）假定一组）假定一组值，代入式（值，代入式（8.7.78.7.7），算出一组相应的），算出一组相应的Q Qmpmp值，再假值，再假定一组定一组Q Qmpmp值代入公式（值代入公式（8.7.88.7.8），算出一组相应的），算出一组相应的值，成果见表值，成果见表8.7.38.7.3）。）。（3 3）绘图。将两组数据绘再同一张方格纸上，见图）绘图。将两组数据绘再同一张方格纸上，见图8.7.38.7.3，两线交，两线交点处对应的点处对应的Q Qmpmp即为所求的设计洪峰流量。由图读出即为所求的设计洪峰流量。由图读出Q Qmpmp=510m=510m3 3/s/s，=10.55h=10.55h。（4 4）检验是否满足）检验是否满足t tc c本例题本例题=10.55h=10.55ht tc c=57h=57h，所以采用全面汇流公式计算所以采用全面汇流公式计算是正确的。是正确的。9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算9.6.4经验公式推求设计洪水经验公式推求设计洪水1.1.以流域面积为参数的地区经验公式以流域面积为参数的地区经验公式2.2.包含降雨因素的多参数地区经验公式包含降雨因素的多参数地区经验公式9.6 9.6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算9.6.5小流域设计洪水过程小流域设计洪水过程图图 9-16 9-16 概化洪水过程线概化洪水过程线W=0.1RF(104m3)