小流域洪水设计副本.pptx

一、一、概概 述述 铁路、公路建设中的小桥涵、中小型水利工程、铁路、公路建设中的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中的洪水设农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中的洪水设计，大多集水面积小，属小流域。计，大多集水面积小，属小流域。小流域小流域通常指集水通常指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制。例如：水利部门制。例如：水利部门 F 200 km2，公路交通部门，公路交通部门F 100 km2。小流域设计洪水计算，与大中流域相比，。小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有自己的特点，因此水文学上常常作为一个专门的问有自己的特点，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。小流域设计洪水计算的主要特点是：题进行研究。小流域设计洪水计算的主要特点是：绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没有。料，甚至降雨资料也没有。小流域面积小，自然地理条件比较单一，拟定计算小流域面积小，自然地理条件比较单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化性方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化性假定。例如假定短历时设计暴雨时空分布均匀等等。假定。例如假定短历时设计暴雨时空分布均匀等等。小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，在保证一定精度的前提下，力求简便。在保证一定精度的前提下，力求简便。小流域设计洪水的计算方法很多，如：推理公式小流域设计洪水的计算方法很多，如：推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法和综合单法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法和综合单位线法。其中应用最广泛的是推理公式法，它的思路位线法。其中应用最广泛的是推理公式法，它的思路是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨设计暴雨设计净雨设计净雨设计洪水设计洪水的顺序进行计算。的顺序进行计算。小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主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，因此，小流域设计洪水，主要推要受洪峰流量控制，因此，小流域设计洪水，主要推求设计洪峰流量，对洪水过程线的要求低，一般采用求设计洪峰流量，对洪水过程线的要求低，一般采用概化过程线。概化过程线。二、二、小流域设计暴雨的计算小流域设计暴雨的计算 针对小流域水文资料缺乏的特点，设计暴雨推求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：常采用以下步骤：根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如如暴雨径流查算图表暴雨径流查算图表）中绘制的暴雨参数等值）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出线图，查算出各种历时的流域设计雨量各种历时的流域设计雨量，如，如24h设计设计暴雨量等。（如果有实测资料，可直接推求设计雨暴雨量等。（如果有实测资料，可直接推求设计雨量）量）工程设计中常用的暴雨历时有：工程设计中常用的暴雨历时有：城市排水：城市排水：5、10、15、20、30、45、60、90、120 min水利部门：水利部门：1、3、6、12、24 h 将各种历时的设计雨量建立暴雨公式，就可利用暴将各种历时的设计雨量建立暴雨公式，就可利用暴雨公式推求任一历时的设计雨量；雨公式推求任一历时的设计雨量；按分区概化雨型或移用邻近流域典型暴雨，用同按分区概化雨型或移用邻近流域典型暴雨，用同频率法控制放大，求得设计暴雨过程。频率法控制放大，求得设计暴雨过程。1.特定历时的设计暴雨计算特定历时的设计暴雨计算 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册水文手册查取。例如湖北省查取。例如湖北省1985年印发的年印发的暴雨径流查算图暴雨径流查算图表表中，就提供了中，就提供了7d、3d、24h、6h、1h及及10min的暴的暴雨参数等值线图，雨参数等值线图，CS/CV值全省统一用值全省统一用3.5。据此，便可。据此，便可查出设计流域中心点位置的某特定历时暴雨的均值、查出设计流域中心点位置的某特定历时暴雨的均值、CV 及及CS/CV，进而求得该历时设计频率的雨量。，进而求得该历时设计频率的雨量。如：如：x24Px6P、x1P。2.用暴雨公式计算任一历时的设计雨量用暴雨公式计算任一历时的设计雨量 有了特定历时的设计暴雨量（如：有了特定历时的设计暴雨量（如：x24P、x6P、x1P），就可以建立暴雨公式。大量资料的统计成果表明，），就可以建立暴雨公式。大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用指数方程来表达，它反映一暴雨强度和历时的关系可用指数方程来表达，它反映一定频率某历时的平均降雨强度定频率某历时的平均降雨强度 at，P 与该历时与该历时 t 的关系，的关系，称为称为短历时暴雨公式短历时暴雨公式。暴雨公式最常见的形式为：。暴雨公式最常见的形式为：式中，式中，at，P：历时为：历时为t，频率为频率为P的平均暴雨强度，的平均暴雨强度，mm/h；SP：频率为：频率为P，历时为，历时为1h的平均暴雨强度（的平均暴雨强度（average rainfall intensity for duration t=1h with frequency P），称为），称为设计雨力设计雨力，mm/h。n：暴雨参数、暴雨递减指数或暴雨衰减指数。：暴雨参数、暴雨递减指数或暴雨衰减指数。暴雨递减指数暴雨递减指数n与历时长短有关，且随地区而变与历时长短有关，且随地区而变化，可根据自记雨量资料分析。首先对实测各种历时化，可根据自记雨量资料分析。首先对实测各种历时的雨量进行频率分析，求得各种频率的设计雨强的雨量进行频率分析，求得各种频率的设计雨强at，P 及相应的历时及相应的历时t，然后推求，然后推求n。由（。由（10-1）式可知：）式可知：lg at，P lg tn2=0.60 P=0.1%n2=0.60 P=1%n1=0.40 n1=0.40SP=0.1%SP=1%1h用图解法可求得用图解法可求得n。根。根据我国资料分析，大多据我国资料分析，大多数地区数地区n与与P无关，在无关，在t=1h的前后发生变化，的前后发生变化，记记t1h为为n1，t=1 24h为为n2。n1、n2各地不同，各地不同，各省（自治区、直辖市）各省（自治区、直辖市）已根据各自分析的已根据各自分析的n1、n2绘成了等值线图或分绘成了等值线图或分区查算图。区查算图。频率为频率为P、历时为、历时为 t 的暴雨量：的暴雨量：计算步骤：计算步骤：已知：流域中心已知：流域中心 求出求出24h设计暴雨量设计暴雨量 x24，P。由式（由式（10-2）：）：（10-3）由式（由式（10-2）（）（10-3），可求出任意历时），可求出任意历时 t 的设计的设计雨量：雨量：当当 1 h t 24 h：当当 t 时，损时，损失率为失率为，超渗，超渗部分部分 i-形成形成净雨，总净雨量净雨，总净雨量如图阴影部分所如图阴影部分所示。示。只要有了只要有了，就可求出净雨量。各省水文手册一，就可求出净雨量。各省水文手册一般有般有的经验关系，可直接查阅的经验关系，可直接查阅。四、推理公式推求设计洪峰流量的基本原理四、推理公式推求设计洪峰流量的基本原理 （fundamental conception in rational formula）（一）推理公式的形式（一）推理公式的形式汇流时间（汇流时间（concentration time）：净雨从流域上某点：净雨从流域上某点流至流域出口断面的时间。流至流域出口断面的时间。等流时线（等流时线（isochronic line）：流域上流域上汇流流时间相等相等的的点的点的联联线。如如图：标有有1、2、的虚的虚线（为单位位汇流流时段段长）。）。等流等流时面面积（isochronic aera）：相：相邻两条等流两条等流时线间的面的面积 f。本例：本例：F=f1+f2+f3。tttf1f2f3流域上最远点净雨流到出流域上最远点净雨流到出口断面所经历的时间，称口断面所经历的时间，称为流域最大汇流时间，简为流域最大汇流时间，简称称流域汇流时间，或流域流域汇流时间，或流域汇流历时汇流历时（concentration time of catchment），记为），记为。本例：。本例：=3t。thQtttt 时段内在等流时面积时段内在等流时面积 f 上形上形成的净雨成的净雨 h 都能在两个都能在两个t 时段时段内流出流域出口断面。最大流内流出流域出口断面。最大流量为：量为：Q设流域内形成了设流域内形成了4个时段的净雨，故净雨历时（产流个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）历时）tc=4t，出口断面形成的流量过程线为：，出口断面形成的流量过程线为：+Qm推理公式第一个假定推理公式第一个假定：净雨在时间和空间上分布均匀，：净雨在时间和空间上分布均匀，即：即：h1=h2=h3=h4=h，则有：，则有：为为净雨强度净雨强度，或称为，或称为产流强度产流强度，记为：，记为：a 为为平均降雨强度平均降雨强度，为为损失强度损失强度，故有：，故有：另一种表示方法：另一种表示方法：式中，式中，=3t 为流域汇流历时，为流域汇流历时，h=3h 为为 历时内的历时内的净雨量，而净雨历时净雨量，而净雨历时 tc=4t全部净雨为，全部净雨为 4h。显然，。显然，tc ，洪峰流量是部分净雨在全部流域面积上形成的。，洪峰流量是部分净雨在全部流域面积上形成的。这种情况称为这种情况称为全面汇流全面汇流。设流域内形成了设流域内形成了2个时段的净雨，故净雨历时（产流个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）历时）tc=2t，出口断面形成的流量过程线为：，出口断面形成的流量过程线为：+Qm仍假定净雨时空分布均匀，即：仍假定净雨时空分布均匀，即：h1=h2=h，则，则 Qm 视视（f1+f2）和（）和（f2+f3）的大小而定，记最大者为）的大小而定，记最大者为 Ftc，称为称为净雨历时内最大共时径流面积净雨历时内最大共时径流面积，则有：，则有：式中，式中，hR=2h 为净雨历时内的净雨量，即全部的产流为净雨历时内的净雨量，即全部的产流量。量。Ftc 为净雨历时内最大共时径流面积为净雨历时内最大共时径流面积，即参与形成，即参与形成洪峰流量的那部分汇流面积，与洪峰流量的那部分汇流面积，与 tc 及流域形状有关。显及流域形状有关。显然，然，tc=2t，而，而 =3t。所以。所以，tc ，洪峰流量是，洪峰流量是全部净雨在部分流域面积上形成的，称为全部净雨在部分流域面积上形成的，称为部分汇流。部分汇流。推理公式第二假定：推理公式第二假定：流域汇流面积随时间的增长率为流域汇流面积随时间的增长率为线性关系（矩形假定），即：线性关系（矩形假定），即：则上式可写为：则上式可写为：最后有：最后有：当当 tc ：当当 tc ：五、北京水科院推理公式及其应用五、北京水科院推理公式及其应用 推理公式中需求出推理公式中需求出 h、hR 及及 。h、hR 就是产就是产流计算，推求净雨的问题；流计算，推求净雨的问题；为流域汇流时间，即流为流域汇流时间，即流域汇流计算问题。域汇流计算问题。1、设计暴雨过程、设计暴雨过程 暴雨过程线对称；暴雨过程线对称；瞬时雨强峰值趋于瞬时雨强峰值趋于无穷大；无穷大；雨强过程线无法用雨强过程线无法用显式表示；显式表示；i时间时间ittc 历时为历时为t时，瞬时雨强过程线上相应的雨量为设计时，瞬时雨强过程线上相应的雨量为设计雨量雨量 xt，P：i时间时间ittc2、产流量计算、产流量计算 当当 tc 时：时：i时间时间tchi时间时间tchR 当当 tc 时：时：求求 tc ：i时间时间tchR由式（由式（10-2）：）：瞬时雨强瞬时雨强 i(t)：由图，当由图，当 t=tc 时，时，i(tc)=，故有：，故有：所以：所以：另将另将 代入代入 hR 式，消去式，消去 ，得：，得：3、流域汇流时间、流域汇流时间 计算计算 采用半理论半经验公式：采用半理论半经验公式：式中，式中，L：主河长（：主河长（length of main water course），从），从流域出口断面沿主河道至分水岭的长度流域出口断面沿主河道至分水岭的长度，km。J：主河道比降（：主河道比降（the weighted mean slope of the main water course），以小数计，按式（），以小数计，按式（2-9）计算。）计算。m：流域汇流参数（：流域汇流参数（factor of flow concentration），各），各省水文手册一般都有经验关系：省水文手册一般都有经验关系：m L/J1/3 4、用推理公式推求设计洪峰流量、用推理公式推求设计洪峰流量 将将 代入式（代入式（10-7），得：），得：tc (10-15)tc (10-16)将式（将式（10-11）代入式（）代入式（108），得：），得：5、计算步骤、计算步骤 上述方程组需要上述方程组需要7个参数：个参数：F、L、J、n、SP、m，即可解出，即可解出QmP、。方法有图解法、试算法等。方法有图解法、试算法等。具体步骤：具体步骤：流域参数流域参数 F、L、J 在地形图上量算在地形图上量算 暴雨参数暴雨参数 n、SP 查水文手册中的水文图集，可得：查水文手册中的水文图集，可得：由设计标准由设计标准 P 及及 P-型曲线，可求得型曲线，可求得24h设计暴雨量设计暴雨量 x24，P，再由式（，再由式（10-3）推求）推求 SP：流域损失参数流域损失参数 和汇流参数和汇流参数 m查水文手册，求出查水文手册，求出；汇流参数汇流参数m查查 m L/J1/3 关系。关系。计算计算 tc 由式（由式（10-10）：）：推求推求 QmP 第一种方法第一种方法：图解法（图解法（graphic method）（1）假定一组：）假定一组：QmP 假定一个假定一个QmP，由式（，由式（10-12），求出对应的），求出对应的。作作 QmP 关系曲线，如关系曲线，如 线。线。（2）假定一组）假定一组 ，求，求相应的相应的 QmP 若若 tc ，由式（，由式（10-15）计算）计算 QmP；若若 tc ，由式（，由式（10-16）计算）计算 QmP；作作 QmP 关系曲线，如关系曲线，如 线。线。线线线线 QmP Q（3）求）求 QmP、线和线和线的交点对应的纵横坐标即为所求。线的交点对应的纵横坐标即为所求。第二种方法第二种方法：试算法（试算法（cut-and-trial method）（1）假设一个）假设一个QmP，代入式（，代入式（10-12）得到一个相应）得到一个相应 的的；（2）求）求 比较比较 tc 与与 的大小：的大小：当当tc ，代入式（，代入式（10-15）得）得 ；若若 tc ，代入式（，代入式（10-16）得）得 ；（3）比较）比较QmP 和和 若：若：，即为所求；即为所求；若：若：，令，令 ，返回（，返回（1）。）。【例例10-2】江西省江西省流域上需要建小水库一座，要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。用推理公式法推求百年一遇设计洪峰流量。计算步骤如下：计算步骤如下：1.流域特征参数流域特征参数F、L、J的确定的确定 F=104km2，L=26km，J=8.75 2.设计暴雨特征参数设计暴雨特征参数 n 和和 SP 暴雨衰减指数暴雨衰减指数n由各省（区）实测暴雨资料分析定量，由各省（区）实测暴雨资料分析定量，可查当地水文手册。一般可查当地水文手册。一般n的数值用点雨量资料代替的数值用点雨量资料代替面雨量资料直接推求，不必作修正。面雨量资料直接推求，不必作修正。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日雨量得统日雨量得统计参数为：计参数为：x24，P=1.1x1d，P 暴雨衰减指数暴雨衰减指数 n=n2=0.60。由由CS =3.5CV=3.50.42=1.47，P=1%，查，查值表，得：值表，得：P=3.312。3.产汇流参数产汇流参数、m的确定的确定 查有关水文手册，得：查有关水文手册，得：=3.0mm/h、m=0.70。4.图解法求设计洪峰流量图解法求设计洪峰流量(1)假定一组：假定一组：QmP 计算结果见表计算结果见表 10-7。表表 10-7 QmP 线及线及 QmP线计算表线计算表 设设 (h)QmP（m3/s）设设 QmP（m3/s）（h）（1）（2）（3）（4）8617.440011.210529145010.912465.350010.614416.660010.1（2）假定一组）假定一组 ，求相应的，求相应的 QmP 若若 tc ，由式（，由式（10-15）计算）计算 QmP；若若 tc ，由式（，由式（10-16）计算）计算 QmP；由表由表 10-7，较小，故可设较小，故可设tc ，由式（，由式（10-15）计算计算 QmP：计算结果见表计算结果见表 10-7。（3）作图）作图10-12（4）求）求 QmP、图图10-12，两线，两线交点处对应的交点处对应的Qmp即为所求的即为所求的设计洪峰流量。设计洪峰流量。由图读出由图读出Qmp=510m3/s，=10.55h。检验是否满足检验是否满足tc，本例题本例题=10.55h tc=57h，所，所以采用全面汇流公式计算是正确的。以采用全面汇流公式计算是正确的。推理公式的另一种常用表示方式：推理公式的另一种常用表示方式：两组公式：两组公式：当当 tc ：当当 tc ：式中，式中，h 为汇流历时为汇流历时 内形成洪峰流量的净雨量；内形成洪峰流量的净雨量；hR 为净雨历时为净雨历时 tc 内形成洪峰流量的净雨量。内形成洪峰流量的净雨量。用毛降雨量表示，引入洪峰径流系数用毛降雨量表示，引入洪峰径流系数，令：，令：当当 tc 时：时：当当 tc 时时：合并式（合并式（10-7）（）（10-8）：）：引入暴雨强度公式（引入暴雨强度公式（10-1）：）：得洪峰流量公式：得洪峰流量公式：产流量计算：产流量计算：当当 tc 时：由图时：由图10-10（a）当当 tc 时时：由图：由图10-10（b）将式（将式（10-9）代入上式，得：代入上式，得：另将式（另将式（10-11）代入）代入 ，整理得：，整理得：对没有对没有 的经验关系的地区，可用上式估算的经验关系的地区，可用上式估算，式中，式中 hR 按下式估算：按下式估算：当当 tc 24h（小流域）：（小流域）：式中，式中，称为称为24h 径流系数，可根据流域土壤类型查径流系数，可根据流域土壤类型查有关设计手册。有关设计手册。当当 tc 时时，（，（n）：）：当当 tc 时时，（，（n）：已知：已知：流域参数：流域参数：F、L、J汇流参数：汇流参数：m暴雨参数：暴雨参数：1、由设计标准由设计标准 P 及及 P-型曲线，可求得型曲线，可求得24h设计暴雨设计暴雨量量 x24，P，再由式（，再由式（10-3）推求）推求 SP：2、求求 tc 若若 已知，由式（已知，由式（10-10）计算）计算 tc ；若若未知，可由未知，可由x24，P hR（E）式）式）（D）式）式）tc 式（式（10-10）。）。3、试算步骤：试算步骤：假定假定 QmP （B）式）式 求求 当当 tc 时时，（，（n）：）：当当 tc 时时，（，（：当当：地表净雨地表净雨 地下净雨地下净雨 （mm）（mm）计算设计洪量计算设计洪量 地表洪量地表洪量 （m3）地下洪量地下洪量 （m3）地表洪水过程线地表洪水过程线 采用福建省概化洪水过程线推求。先计算洪水形采用福建省概化洪水过程线推求。先计算洪水形状系数状系数 ，式中，式中，T为地表为地表洪水过程线的底宽，洪水过程线的底宽，24h设计雨量固定为设计雨量固定为50h，然后，然后根据根据值查关系表值查关系表 （见表（见表9），乘以地表），乘以地表洪峰流量即得设计地表洪水过程线。洪峰流量即得设计地表洪水过程线。地下洪水过程线地下洪水过程线 地下洪水过程线概化为等腰三角形，底宽是地表地下洪水过程线概化为等腰三角形，底宽是地表洪水过程线底宽的两倍地下洪峰流量：洪水过程线底宽的两倍，地下洪峰流量：T为地表洪水过程线的底宽。为地表洪水过程线的底宽。设计洪水过程线设计洪水过程线 将地下洪水过程线的洪峰流量置于地表洪水过程将地下洪水过程线的洪峰流量置于地表洪水过程线的终止点，起涨点和地表洪水过程线的起涨点重合，线的终止点，起涨点和地表洪水过程线的起涨点重合，中间过程按直线内插，然后同时刻地表流量和地下流中间过程按直线内插，然后同时刻地表流量和地下流量叠加即得设计洪水过程线。量叠加即得设计洪水过程线。8.成果合理性分析成果合理性分析 根据福建省及江西省赣州市部分小流域实测洪根据福建省及江西省赣州市部分小流域实测洪水频率计算成果分析论证陂下水库设计洪水的合理水频率计算成果分析论证陂下水库设计洪水的合理性和可靠性。性和可靠性。9撰写设计报告撰写设计报告 设计报告应根据设计要求撰写，综合反映设计设计报告应根据设计要求撰写，综合反映设计意图、设计要求、设计程序和设计成果。设计报告意图、设计要求、设计程序和设计成果。设计报告应分章、节撰写，包括：设计要求、基本资料、计应分章、节撰写，包括：设计要求、基本资料、计算方法、计算过程、设计成果和合理性分析。有关算方法、计算过程、设计成果和合理性分析。有关图、表必须编号，插在相应的章节中。最后装订成图、表必须编号，插在相应的章节中。最后装订成册，装入文件袋。采用土建学院课程设计统一封面册，装入文件袋。采用土建学院课程设计统一封面.