本科毕业论文---临颍县黄龙渠治理工程水文计算论文.doc

华北水利水电大学The Hydrological Calculation Of Huanglong Canal Controlling In Linying Country Of Henan Province1Abstract11.1 概述11.2 水文水利计算的研究内容11.2.1 水文计算11.2.2 水利计算21.3 水文计算在水利工程的作用21.3.1 规划设计阶段31.3.2 施工阶段3第2章 基本资料42.1流域概况42.2水文气象42.2.1气候特征52.2.2暴雨特征5第3章 设计洪峰流量及设计洪量的推求13.1 资料的审查13.2设计暴雨13.2.1设计点雨量计算13.2.2设计面雨量计算23.2.3暴雨递减指数n33.2.4 24小时设计雨型43.3设计净雨与洪量103.3.1设计净雨计算103.3.2设计洪量计算113.4设计雨型113.5 设计洪峰流量143.5.1防洪标准的确定143.5.2洪峰流量的计算14第4章 施工期设计洪水154.1 参证流域的选择164.2频率计算及参数估计174.2.1绘经验频率计算174.2.2矩法估计参数194.3选配理论频率曲线19第5章 工程的规模与任务235.1工程现状及存在的问题235.1.1工程现状235.1.2存在问题235.2工程任务245.3工程规模245.4工程等别245.5设计依据255.5.1主要规程规范255.5.2有关文件和资料265.5.3设计原则26第6章 工程设计286.1河道工程设计286.1.2河底比降设计286.1.2河道横断面设计286.1.3河道水面线推求326.2堤防工程设计326.2.1 堤身土料填筑标准326.2.2 堤防结构设计336.2.3 堤顶高程确定3338河南省临颍县黄龙渠治理工程水文计算摘要近年来，随着我国水利事业的发展，河道治理工程也在如火如荼的进行。在制定治理方案时，水文计算是必不可少的一部分。它是运用水文学的理论与方法，定性和定量相结合，分析研究水文规律,为合理开发利用水资源、科学治理水旱灾害和有效保护生态环境提供依据。本论文的分析计算主要包括五个方面：设计点雨量、面雨量的计算；推求设计洪峰流量与洪量；推求施工期设计洪水；水面线的计算；确定堤顶高程。在第一部分，由于黄龙渠没有实测降雨资料，所以要借助于暴雨图集中的数据，计算不同设计频率的点雨量，再由点面折算关系得出治理河渠的面雨量，最后根据降雨径流关系推求出设计净雨；在第二部分，设计净雨已经计算出来，采用平原区排水公式公式即可计算出不同断面面积的洪峰流量与洪量；在第三部分中，由于黄龙渠没有实测资料，所以运用水文比拟法，对参证站年平均径流量进行频率计算，再采用适线法选择理论频率曲线，根据规范上的规定选择设计频率，计算设计年径流；在第四部分中，根据河道的特点，将河道划分为适宜计算河段后,以恒定非均匀渐变流的能量方程为理论基础，即可从治理末端开始，由下游向上游逐段推算；为了河道汛期的安全，所以第五部分是根据堤防设计标准计算堤顶高程。关键词：黄龙渠 水文计算 设计洪水 堤防设计The Hydrological Calculation Of Huanglong Canal Controlling In Linying Country Of Henan ProvinceAbstractIn recent years, with the rapid development of Water Conservancy of our country, river administer also get fast fiercely development. Drawing up the program is an essential part of Hydrological calculations. It is the applying of the theory and methods of hydrology, combining qualitative with quantitative analysis ,to research the principle of Hydrology, to forecast future hydrological change, and to provide the basis for the rational development and utilization of water resources, scientific management of flood and drought disasters and effective protection of the ecological environment.This paper includes five parts: Design sport and surface rainfall,Calculating design peak flow and flood volume,Calculating construction design flood,Planning water line,Determining crest elevation.In the first part,since there is no actual rainfall data in huanglong canals,the different design sport rainfall are got by means of storm atlases,then are convert into surface rainfall.Finally,design net rain is conted by the rainfall net rainfall-runoff relationship.In the second part, applying the net rain that has been calculated ,peak flow and flood volume of different cross-sectional area are calculated by Drainage Formula.In the third part, since no measured data , we can start to calculate the average annual runoff frequency with the method of hydrologic assimilation.Then according to design standards choosing frequency ,we can refer to design annual runoff in theory frequency curve. In the fourth part, the river is divided into appropriate section according to the characteristics of the river.Based on the embankment design standards,we can start from the end of treatment to calculate water line,and then form the downstream to upstream.For river safety, so crest elevation is calculated based on the embankment design standards in the fifth part Key words: Huanglong canal Hydrological calculation Design flood Design levee 第1章 绪论1.1 概述水资源是指可以利用或有可能被利用的水源，这种水源应当有足够的数量和可利用的质量，并在某一地点为满足某种用途而得以利用。水是人类生存和发展的基础，没有水，就没有生物，更不可能有高等智慧的动物人类人类。但是水多，就能发生洪水和内涝灾害。水少，又会产生大面积的旱灾和城镇生活和工业供水的匮乏。因此人类的生存发展，实质上就是与“水多水少”的斗争史。我国治水，从四千多年前的禹开始，历经夏、商、周春秋战国、秦、汉、南北朝、隋、唐、宋、元、明、清直到现在，几乎每年都在不断修建除害兴利工程。通常治水前，都要事先制定水利规划的方案，估算治水工程的投入与产出。编制规划的方法是在实地勘测调查研究的基础上，拟定各种治理方案，通过水文、水利计算和经济效益分析，从中选出最优治理方案。1.2 水文水利计算的研究内容 水文水力计算是运用水文学的理论和方法，定性和定量结合，分析研究陆地水文规律，预测未来水情变化，为合理开发利用水资源、科学治理水旱灾害和有效保护生态环境提供依据。1.2.1 水文计算水文计算是为水利工程的规划设计、施工和运行阶段提供水文数据的各类水文分析和计算的总称。水文计算成果是对河川径流概率意义下的预估，是工程规划设计和施工的基础，是合理确定工程规模的依据。水文计算中常研究的水文变量包括历年实测暴雨、实测洪水、年径流分析计算成果和设计暴雨、设计洪水、设计年径流等。 设计暴雨计算。在流量资料充足时，可由设计暴雨推求设计洪水，此法假定暴雨和洪水同频率，即一定标准的设计暴雨产生相同标准的设计洪水。计算内容有各种设计标准（包括可能最大暴雨）时段的点雨量、面平均雨量等。然后通过等流时线、单位过程线等方法求出设计洪水过程线。 设计洪水。主要内容包括特大典型洪水年和不同设计标准各主要站点的年最大洪峰流量、不同时段的洪水总量和设计洪水过程等。 设计年径流。包括不同设计标准的年径流的总量、年内分配和径流的年际变化等，是灌溉、城镇生活及工业供水、水力发电和航运等工程的重要设计依据。 施工期洪水的推求水文计算通常是先搜集详细的水文、气象和流域特性等资料、调查历史洪水和枯水资料，特别注意特大值和特枯值，运用频率分析等方法计算出所需的成果，并对成果进行合理性检查，包括上下游以及邻近流域的水文计算成果相比较，最后选定合理的设计值。1.2.2 水利计算水利工程规划设计和运行中，为研究水资源的合理开发利用、研究水利工程对河川径流和水利条件的变化影响，评价工程的经济和环境效果等所进行的有关分析计算成为水利计算。水利计算成果是选择河流治理和开发方案、确定工程任务、工程规模、工程开发程序、工程运用方式等的依据。水利计算比较复杂，可分为防洪计算、治涝计算、城镇生活和工业供水计算、灌溉计算和水库泥沙计算等，本文只前两方面的计算，现分述如下： 防洪计算。首先要选定防洪标准，防洪标准可分为两类：为确保大坝、拦洪、分洪闸等水工建筑物安全的防洪标准；为保障下游防护对象免除洪水威胁的防洪设计标准。 防洪设计标准是防洪水利计算的基本依据。根据防洪设计标准，进行水文分析计算，可推算出不同设计标准的设计洪水（包括洪峰流量、不同时段洪水总量、洪水流量过程线），然后进行水库和河道的洪水演算，据此确定水库的设计指标和下游河道及蓄洪区的设计指标。治涝计算。平原地区坡度平缓，当河道内水位高于地平面时，两岸的积水不能排入河道，积水形成内涝。治涝办法需要疏浚河道，把河道挖深挖宽，提高河道排水能力。治涝标准是指河道疏浚后的排水标准，通常采用35年一遇标准，少数重要地区采用10年一遇排水标准。按照设计标准求出按照设计标准求出设计洪峰和设计洪水过程线后,可进行排水河道断面设计。1.3 水文计算在水利工程的作用天然来水过程与生产、生活各环节的需水过程常常相互矛盾，而修建水利工程就是为了解决这一矛盾所采取的技术措施。水利工程在实施过程中，可划分为规划设计、施工和运行管理三个阶段，每个阶段都离不开水文水利计算。1.3.1 规划设计阶段在此阶段水文计算的主要任务是确定工程的规模。规模过大，造成工程投资上浪费，还将导致工程失事。在多沙河流上兴建水利工程还需要蓄水引水工程的泥沙淤积量，以便考虑延长工程寿命的措施。规划设计时，必须知道控制水体在使用期间的水文情势，提出作为工程设计依据的水文特征数值，例如：设计年径流量、设计洪峰流量、设计洪水过程线等。1.3.2 施工阶段施工阶段水文计算的任务是确定临时性水工建筑物的规模，提供施工期设计洪水。水利工程工期一般较长，往往需要一个季度甚至几年，在施工期间必须对施工期水文情势有所了解。对水文情势的了解应包括两个方面：一方面是为了临时性建筑物如围堰、引水隧洞或渠道等；另一方面，为了安排日常工作也需要了解近期更为准确的水情，这需要提供短期的水文预报，水文预报是为了解决这一类问题服务的。1.3.2 运行管理阶段运行管理阶段的主要任务在于使建成的工程充分发挥作用。为此需要了解为了一定时期的来水情况，以便编制水量调度方案，合理调度水量，充分发挥工程效益。此时需要由水文分析得到的长期平均情势结合水文预报的短期水情，甚至水利计算的相应分析方法，从而提出最佳的调度运用方案。因此水文预报与水文水利计算的工作就显得十分重要。第2章 基本资料2.1流域概况 黄龙渠位于临颍县中部，上游西起老颍河，流经杜曲、城关、瓦店、三家店四乡镇后注入清异河。河道全长27.4km，流域面积203.7km2。属平原地貌，地势由西向东倾斜,自然坡度为1/3000-1/4000，地面高程在58.5-60.5m，平均地面比降为1/3500。黄龙渠水系见表2-1与图2-2。表2-1 黄龙渠主要支流名称汇入点河长(km)流域面积(km2)青阳渠支流28+65024.948.1图2-2 吴公渠流域水系图2.2水文气象2.2.1气候特征 黄龙渠所在区域属北温带季风型大陆性气候，四季分明、气候温和、雨量适中。多年平均气温14.50C,年积温525.920C,年极端最高气温43.40C,年极端最低气温零下130C,多年平均日照2365.3小时,日照率为54%,无霜期225天,年平均降水量741mm,年最大降水量1118.2mm,年最小降水量375.9mm,汛期多年平均降水量为465.3mm,占全年降水量的62.8%,多年平均陆面蒸发量为610mm,多年平均地表径流131.5mm,多年平均水面蒸发量1117mm,干旱指数1:51。2.2.2暴雨特征 流域内全年降水量分布不均，汛期（6-9月份）因受夏季季风的影响，水气充沛，降雨集中，经常发生大暴雨，多年平均汛期雨量为499.3mm,占全年降水量的62.2%，3-5月份多年平均雨量为169.5mm，占全年降水量的21.1%,10月份至次年2月份多年平均降水量为134.2mm,占全年降水量的16.7%,夏季降雨集中，雨量大，历时长，一遇暴雨，极易造成洪灾。第3章 设计洪峰流量及设计洪量的推求由于研究区域缺乏实测暴雨和洪水流量资料，根据豫水办20077号“河南省水利厅关于试行河南省暴雨参数图集（2005年版）的通知”规定，利用1984年河南省水利设计院编印的河南省中小流域设计暴雨洪水图集（以下称暴雨图集）及1973年河南省水利工程水文计算常用图查算成果相分析比较来确定黄龙渠设计暴雨及洪水。3.1 资料的审查 洪水资料是设计洪水的基础，在应用资料之前，应首先对原始的水文资料进行审查。在实际工作中十分重视对洪水系列的资料审查，资料审查主要包括可靠性审查、一致性审查和代表性审查。资料的可靠性是指资料的正确与否，要从流量资料的测验方法、水位流量关系、整编精度和水量平衡等方面。所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同，及产生资料系列的条件要一致，同样的气候条件、同样的下垫面条件。洪水系列的代表性，是指该洪水样本的频率分布与其总体概率分布的接近程度，若接近程度高，则系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之较低。3.2设计暴雨 在“84图集”中提供的暴雨参数，分为10分钟、1、6、24小时四种历时，在“73图集”中则提供了24小时的暴雨参数。根据流域特性和工程要求，设计暴雨计算包括设计时段点雨量、面雨量、暴雨递减指数和24小时雨型。3.2.1设计点雨量计算 设计点雨量计算公式： 式中： Htpt时段设计频率为P的点雨量； t时段点雨量均值； 频率为P的模比系数，由雨量变差系数Cv查皮尔逊型曲线Kp 值表求得，偏态系数Cs=3.5Cv。和Cv分别在相应历时等值线图上的流域重心处读取。 其他不同历时的设计点雨量通过暴雨递减指数由下列各式计算： t1小时 Htp=H1pt1-n1 t=16小时 Htp=H1pt1-n2 t=16小时 Htp=H24p24n3-1t1-n3 其中H1p、H24p为设计1、24小时点雨量，t为设计历时，n1、n2、n3为设计点暴雨递减指数。 计算出四种暴雨历时在不同频率下的设计点雨量，计算结果见表3-1。表3-1 各频率设计洪水点雨量表“84图集”计算结果时段h点雨量均值变差系数CvP=1%(100)P=2%(50)P=5%(20)P=10%(10)P=20%(5)KtpHtpKtpHtpKtpHtpKtpHtpKtpHtp1017.50.422.407 42.122.158 37.771.82632.551.56227.341.29322.61450.492.696 121.322.386 107.371.96888.561.64874.161.32659.676730.563.004 219.292.626 191.692.112154.181.732126.441.34498.11241040.542.914 303.062.556 265.822.070215.281.708177.631.338139.15“73图集”计算结果241010.482.652267.852.352237.551.946196.551.636165.241.322133.523.2.2设计面雨量计算 当流域面积大于50时候，需要作点面修正。黄龙渠总流域面积为203.7km2，故设计面雨量时需要考虑不同历时暴雨的点面折减系数。 按下式计算设计面雨量：. 式中：为不同暴雨历时的点面关系系数，由平原区第水文分区暴雨时面深关系图查得,乘设计点雨量得设计面雨量，计算结果见表3-2。表3-2 值计算结果t(h)F=200F=300F=203.7 101.001.001.0010.820.780.82160.860.820.855240.80.850.881 计算后的不同频率、不同历时设计面雨量见表3-3。表3-3 各频率设计洪水面雨量表“84图集”时段t（h）折减系数P=1%(100)P=2%(50)P=5%(20)P=10%(10)P=20%(5)HtpHtpHtpHtpHtp101.0042.1242.12 37.7737.77 32.5532.5527.3427.3422.622.6010.821121.3299.60 107.3788.15 88.5672.7174.1660.8959.6748.9960.855219.29187.49 191.69163.89 154.18131.82126.44108.1198.1183.88240.881303.06267.00 265.82234.19 215.28189.66177.63156.49139.15122.59“73图集”240.881267.85235.98237.55209.28196.55173.16165.24145.58133.52117.63 不同时期所依据的水文资料年限不同、所采用的研究方法不同，都可能导致各时期设计洪水成果的差异。一般而言，水文资料系列越长，则代表性越好，求得的设计洪水成果越可靠。从不同设计频率24小时面雨量可以看出“84图集”的雨量值高于“73图集”，在水文资料的选择中，条件对工程设计越不利代表性越好，所以在此选择“84图集”的雨量作为水文计算的数据。3.2.3暴雨递减指数n 在“84图集”中，按照历时关系暴雨递减指n分为三段，1小时以下为n1，16小时为n2，624小时为n3，考虑不同时段雨量变差系数Cs及暴雨点面关系的影响，采用以下公式：lglglg式中：同一设计频率年最大10分钟点雨量； 同一设计频率年1小时点雨量； 同一设计频率年6小时点雨量； 同一设计频率年24小时点雨量； 暴雨点面折减系数 。 暴雨递减指数计算成果列于表3-4。表3-4 暴雨递减指数nn1pn2pn3pp=1.0%0.520.650.74P=2.0%0.530.650.74p=5.0%0.550.670.74p=10%0.550.680.73p=20%0.570.700.73 3.2.4 24小时设计雨型 采用长短历时雨量同频率相包形式，雨型时程分配见表3-5至表3-9，表中各时段雨量由上面给出的各式计算。表3-5 P=1%时的24小时雨型分配时间(h)16789101112131415161718192021222324时段雨量Ht3.644.545.035.666.527.7714.0418.8833.31121.3223.5816.018.647.086.065.324.774.334.15雨型表3-6 P=2%时的24小时雨型分配时间(h)16789101112131415161718192021222324时段雨量Ht1.323.984.414.975.726.8211.8716.0332.85103.0520.0913.567.586.215.314.674.183.803.64雨型 表3-7 P=5%时的24小时雨型分配时间(h)16789101112131415161718192021222324时段雨量Ht2.593.223.574.024.635.5210.2513.7824.3288.5617.2111.696.145.034.303.783.393.082.95雨型 表3-8 P=10%时的24小时雨型分配时间(h)16789101112131415161718192021222324时段雨量Ht2.593.223.574.024.635.527.4610.1618.4274.1612.838.556.145.034.303.783.393.082.95雨型 表3-9 P=20%时的24小时雨型分配表时间(h)16789101112131415161718192021222324时段雨量Ht1.982.152.382.683.083.665.447.4813.7959.679.506.264.073.342.862.522.262.061.97雨型 3.3设计净雨与洪量3.3.1设计净雨计算 、研究区域流域面积较小，汇流时间短，经分析，选用最大24小时暴雨进行分析计算较为合理。不同设计频率24小时雨量在前面已经计算出来。 （2)、查河南省水利工程水文计算常用图，5年一遇设计频率采用Pa=Imax/2；10年及20年一遇采用Pa=2Im/3；50年一遇设计前期雨量采用Pa=Imax，其中Imax由平原区降雨径流关系曲线图（见表3-11）表查得。由于黄龙渠位于第IV区，所以取Imax=100mm。 表3-11 平原区降雨径流关系曲线图 线型 ImaxK代表类型说明I1000.9汝河 闾河 各线型系综合代表线应用时刻根据规划设计所在地区的具体自然地理情况对照选用线型或插补II1000.9洪河III1000.9汾泉河 黑茨河IV1000.9浍河 包河 颖河V1000.9沱河 王引河VI1000.9涡河 惠济河VII1000.9予北VIII沙土区 （3）、径流深R：根据设计频率、最大24小时暴雨量、前期影响雨量，查河南省水利工程水文计算常用图中“降雨径流关系曲线第线型”，见图3-12。图3-12 河南省平原地区降雨径流关系曲线图3.3.2设计洪量计算 24小时设计洪量W24用下式计算： W24=1000RF 式中：R 设计净雨量，单位为mm； F 流域面积，单位为km2。 设计净雨及洪量计算成果列于表3-13。表3-13 24小时净雨与洪量计算表重现期50年20年10年5年备 注P(mm)234.19189.66156.49122.59R6=R24(H6/H24)Pa(mm) 100 75 75 50P+Pa(mm) 334.19264.66 231.49172.59R24(mm) 190 131 108 62R6(mm)132.97 91.05 74.61 42.42W24洪量（万m）3870.3 2668.47 2199.96 1262.943.4设计雨型 净雨时程分配比例，按图集表三及n2、 n3查用，见表3-14，各设计频率24小时净雨概化时程结果见表3-15。第1217小时净雨量= R6分布系数。第511及第1824小时净雨量=（ R24- R6）分布系数。时段净雨暴雨递减指数历时（h）1-456789101112131415161718192021222324R6n20.40-0.51012163814101000.51-0.6810164412101000.61-0.77715541071000.71-0.856126485100R6-R24n30.761012121612101066100备注24小时净雨R24由次降雨径流关系P+PaR查得，6小时净雨R6由R6=R24(H6/H24)公式计算。表3-14 24小时净雨概化时程分配表 P=2%P=5%P=10%P=20%1-4 0.00 0.00 0.00 0.005 0.00 0.00 0.00 0.006 0.00 0.00 0.00 0.00 7 0.00 0.00 0.00 0.00 8 3.42 2.40 2.00 1.17 9 5.70 4.00 3.34 1.96 10 6.84 4.79 4.01 2.35 11 6.84 4.79 4.01 2.35 12 9.31 6.37 5.22 2.97 13 9.31 6.37 5.22 2.97 14 19.95 13.66 11.19 6.36 15 71.82 49.17 40.29 22.91 16 13.30 9.11 7.46 4.24 17 9.31 6.37 5.22 2.97 18 9.12 6.39 5.34 3.13 19 6.84 4.79 4.01 2.35 20 5.70 4.00 3.34 1.96 21 5.70 4.00 3.34 1.96 22 3.42 2.40 2.00 1.17 23 3.42 2.40 2.00 1.17 24 0.00 0.00 0.00 0.00 表3-15 24小时净雨概化时程分配成果表3.5 设计洪峰流量 3.5.1防洪标准的确定 本次规划的防洪标准参照防洪标准 GB50201-94，见表3-16。黄龙渠所经过的城镇等级为IV，所以确定黄龙渠防洪标准为20年一遇，除涝标准达到5年一遇。表3-16 城市的等级和防洪标准等级重要性非农业人口（万人）防洪标准（重现期 年）I特别重要的城市150200II重要的城市15050200100III中等城市502010050IV一般城镇205020 3.5.2洪峰流量的计算 设计暴雨由暴雨图集中查取，排涝洪峰流量利用平原区排涝模数公式计算。根据河流的产汇流条件，对黄龙渠各设计断面排涝流量进行计算，计算公式采用平原区排水模数公式：式中：Q设计洪峰（m3/s）；K峰量系数，取0.035；F汇水面积（km2）；R设计净雨（mm），由暴雨图集查降雨径流相关图获取；a综合折减系数。各设计断面汇流区域内下垫面条件对汇排水有不同的滞蓄作用，洪水标准越高，洪峰消减越明显，经分析，选用综合折减系数见表3-17。表3-17 综合折减系数表重现期（年）5102050a1.000.900.800.75由于本次规划的河流较长，且各规划段的下垫面特性差别较大，沿程有支流汇入处流量变化较大，故将规划河流按支流汇入情况分为多段进行排涝分析。各控制断面以上的汇流面积由航测图量取，设计排涝流量成果见表3-18。表3-18 黄龙渠最大24h设计排涝流量计算成果表桩号流域面积(km2)不同重现期设计流量（m3/s）50年20年10年5年21+600 2235.4625.9023.8715.0828+600145.8146.45106.9798.6162.3031+800 203.7188.20137.46126.7280.06 黄龙渠入清异河处20年一遇设计洪水流量137.46m3/s，5年一遇排涝流量为80.06m3/s。第4章 施工期设计洪水在中小型水利规划设计中，经常遇到实测资料系列较短，或资料完全缺乏的情况，此时设计年径流的分布参数就不能直接求出，而要设法确定流域年径流的三个