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1、水 文 计 算 基 本 知 识 讲 座第六讲 小流域设计洪水计算朱 元 牲( 河海大学)丽薪酒一往一、 小流域设计洪水计算的特点在灌溉、 排水的农田, 公路、 铁路的沿线和工业及民用建筑的场地等地区, 往往需要兴建一些桥涵、堤防或防洪墙、 排洪河道或管路、 堰闸和排水泵站等工程设施, 有时还需制订一些法令和规程等抗洪救灾的非工程措施 ,在统一规划的前提下 , 以便综合治理、合理运用, 使洪灾的损失降低到最小限度。这些小型工程设施和有关的非工程防洪措施面广量大, 所需投资总额往往很大。 在规划设计时, 水文计算是一个必不可少的重要环节, 其设计洪水计算方法具有以下三个特点:1 . 方法应适用于当
2、地雨洪观测资料短缺、 来水面积上上地利用以及自然环境已经或将要改变的情况。2 . 方法应简便易行, 便于基层技术人员掌握, 不过随着计算机的普及 , 该要求的重要性将 会有所降低。3 . 方法可以着重于设计洪峰流量的计算, 因小型工粗设施, 一般对洪水调蓄能力较弱, 所以设计洪量或设计洪水过程线形状往往对规划设计的影响和对要小得多。目前, 国内外适合上述计算特点的小流域设计洪水计算方法数以百计, 尽管它们的基本原理及其有关参数互不相同, 但大体上可以分为两类不同途释: 一是综合本地区具有观测资料流域的设计洪水成果, 建立地区性经验公式的途径, 二是由没计暴雨推求相应的洪水。 长期以来, 不同国
3、家, 不同地区或不同部门 .各自形成了自己的传统和习惯, 并使同一流域的设计洪水成果具有相当大的出入。 实践表明, 每种途补和方法有各自的适用条件, 一方面目前尚无法证明某一种方法比其它的都离明, 另一方面, 只要能结合具沐悄况, 正确地使用各种方法, 率定有关参数, 一般能得出较为合理的成果, 误差在精度允许范围内。 19 78年开始, 全国雨洪办 组织各地的水利水电部门 ,整理分析了已有的雨洪资料, 对国内常用的几种计算方法及其参数数值作了大量的分析和验证, 并 在 地 区上 进 行 协 调 统 一,于 198 2年编 制成 暴 雨 径 流 查 算 图表 ,使 我 国 在 方 法 统 一
4、方 面 和 成 果 的 可 靠 性 方 面 均文 献 选 择 及 问 题 归 纳 肯 定 会 有 遗 漏 和 不 全 面,错 误 之处,请 予 指l眨 。主 要 . 考文献L l F . A . Jhn s o n an d P . l lles , A Cl时 ifica tiono f aD m F a ilu r es ” , Wa t e r oP w er a n d aD moC n s t r u ct io n , V o l . 2 5 , No. 1 2 ,吧c . 10 7 6。 2 B u r e a u o f N 过t u r 以 R e , o u r ( , 韶
5、, K en t u k y ,“ A G e ll er a l Di s C u ,它io n o f Ds m B r e a Ch A na ly s已 ” , A ug . 1 , 7 0 . 3 唐 友 一 , 演 坝 水 沈 状 态 计 算 方 法 的 探 讨,水 利 水电 技 术, 1 96 2年 第 4 期 。 J . J . S t o e k e r . Vat e r Wa v es , 一。7 5 . 5 C . B . Cec iliO , C r it e r ia fo r R劝v tl n g th e伪 m一Br ea c k F lo d , p.乒. 2
6、7 5 4 3 7 , o e t 一977. 6 彭 登 模 , 演 坝 最 大 流 t 及演坝流最过 程线计算的体会及建议, 人 民 长 江, 1 9 6 5 . 50 7 1 K . M a h m o d an d V . Y ve 柳 ihC , U n , t e初 y曰o w i n OP e n Ch an n 日 , , Vo l , I, 11, 2 9 7 5. 8 D . L. Fr e a d , A B r e a ch E r仍 lon Moe 目 玄。Ea rt h e n aD m褚, Ja n . 1 9 . 5 . 9 D . D . rF aJ l z
7、, D !an B戏, k Wva e A n a ly s is .P or b】e m , , Pitf a ll, an d Par t i川 S e l以沈io sn , P .B . 27 5心3 7 , O Ct , 2 9 7 7 .l O 林 秉 南 等 , 突 泄 坝 址 过 程 线 简 化 分 析,清 华 大 学学 报, 19 5 0 , No . l 。11 F lo d S ut id 的 R e po r t , V o l. 111. F L.洲执 Rou t ign S t u d i勺 Wa te r E n v ir o n m e n t 凡 e叭 七Co
8、u n ie l , Lo n do n , l , 7 5.12 Illi n o i弓 Uin v : S e n , ili v i t y of o v t flo 姗 P e ak s an d F l侧沉,1 S tag 郎ot tl一e S e le tC io n o f D . 11B er ac h Pa r山” e te sr a n d S im o l时io n M o d】e15, , J . o f Ily d r o IOg y , V o . 6 5 , N o 一 /4 , 一 ,8 2 - 13 D . L . F理 ad : 肠 c t ho do fo
9、 g le 、 fo r l I、 , d。 ; : n dS o gr 的 i n R iv e均 , aJ n . 1 9 5 5 . l峨了 iN k O a朋 D . k a to 环泪 es : u A P llca bijit y o f伪 m氏e a k F lcx 川 Wa v e M o de l , , J , o f 卜Iy dra ul ie Eng . , V o l一 。 NO . 5 , M a y 一 9 8 3 . 1 5 D L . F er a d: T h e N WS L冶m . B陀a k F】兀 lFo r。以埃 ti n g M o de 】,
10、oJ y , 105 .6 0“有 不 同 程 度 的 提 高。二、洪 水 地 区 经 验 公 式如 果 在 一 个 地 区 内,有 k 个流域具有充分的雨洪观测资料系列 , 则 可 求 得 各 自 的 设 计 洪 峰 流 量 Q。 , , I( j = l , 2 , , 介 ) , 根 据 这 些 设 计 洪 水 成 果,并 配 合 各 流 域 的 气 候 特 征 xl , x Z 和 地 理 特性刀 : 对2 等 资 料 .通 过 多 元 回 归 分 析,就 能 得 出 设计 洪 峰 流 量 的 经 验 公 式,即Q. , = 价 (xi ,劣 2 ,万: ,红2 ) ( l )_采 用
11、 上 述 途 往 计 算 洪 水,己 有 悠 久 的 历 史 了,早在18 68 年奥康佘尔首先提出了最大洪峰流量 Q. , 。 与流 域 面 积 F 之间的幂函数关系 。 他 当 时 在 资 料 很 少 的情 况 下,取 指 数 为 0. 5 ,即Q. , . = CF o ” ( 2 )式中: Q . , 。一当 地 历 年 洪 峰 流 量 Q撇最大值, 、 F设计流域的面积,C反映洪水特性的参数。奥 氏 分 析 了 世 界 各 河 流 的 洪 水 资 料,分 别 得 出 各河 的 参 数 C仿 , 如 尼 罗 河 为 11. 4 ,莱 茵 河 为 8. 48 ,密西 西 比 河 为 柑.
12、 3 ,恒 河 为 8. 5。其 后,有 人 引 入 洪 水 重 现 期 的 概 念,用 相 应 T 年一遇的设计洪峰流量Q二, , 代 替 上 式 中 的 Q, , . ;又 有人 进 一 步 分 析 建 立 洪 峰 流 量 统 计 参 数 Q. , C ,和 C:的经 验 公 式。随 着 研 究 的 深 入,公 式 中 所 考 虑 的 因 素 增多,除 原 有 的 流 域 面 积 F 外 , 还 先 后 引 入一系 列 流 域地 理 特 征,如 河 长 L,河 道 坡 度 S: , 面 积 坡 度 S, ,不透 水 面 积 比 率 I, .植被 郁闭度 f , 湖 泊 度占,沼 泽度入等,
13、和 一 系 列 气 候 特 征 如 多 年 平 均 年 雨 量 x0,年最 大 亡 小 时 暴 雨 爱 均 值 H, ,变 差 系 数 C。, T 年一遇云小时暴雨量 H , , , , 净 雨 量 R , , : 等 , 构 成 了 更 为 复 杂的 经 验 公 式,Q , , , =即. C F S盆S; ( l + I )“ H考; , 乓 l ,七( 1 + 了) ( 1+ 占) ( l + 久) “( 3 )式中的陀), a , 七 , e , d , e , g , 璐 、, j , 欠 为 参 数,可 根 据 当 地 雨 洪 资 料,通 过 回 归 分 析 来 确 定。流 域 的
14、 特 征 是 多 方 面 的,说 明 同 一 特 征 可 以 用 多种 指 标,因 此 就 构 成 种 类 繁 多、形 式 各 异 的 经 验 公式。这 些 因 素 相 互 之 间 是 有 联 系 的,比 如 流域 一 级 支流 的 流 域 面 积 一 般 较 小,位 于 较 高 的 山 丘 区,坡 度 较陡,森 林 覆 盖 度 较 大,而 不 透 水 面 积、湖 泊 度、沼 泽度 相 对 较 小,雨 量 偏 大 等。英 国 洪 水 研 究 报 告 中,曾分 析 了 50 个流域的各种特征之间的相关系数方阵, 并通 过 逐 步 问 归 分 析,从 中 筛 选 出 6 个 最 主要 的 指 标
15、,用 来 说 明 流 域 洪 水 特 性,其 经 验 公 式 为x ( 1 + I, A K E )闪 85 ( 4 )式中: Q. 一 一 年 最 大 洪 峰 流 量 的 均 值,月 RE月流域面积,S T M F RQ 单位流域面积上支流分叉节点数( 地形图比例尺为 l : 25 00 0 ) ,5 10 85一沿 干 流 河 道 纵 剖 面 图 , 介 于 10 %和80 %河长两点间的中段比降:S O I L土壤分类指标( 0 . xs 0 . 5 0 ) ,RS M刀一一五年一遇 1 日净 雨 量 ( 由暴雨量扣除土城平均亏水量 ) ;L月K E -一 流 域 中 湖 泊 或 水 库
16、 控 制 来 水 面 积 所 占比 值。在 洪 水 研 究 报 告 中,配 合 上 述 洪 峰 均 值 Q,计 算公 式,还 给 出 了 各 水 文 分 区 的、以 模 比 系 数 K,和 频率 P为纵横座标的综合频率曲线线型,以 此 来 确 定 设计 洪 峰 流 量 Q. , p , 郎Q一, , = K p Q.我 国 广 泛 应 用 的 一 些 洪 水 计 算 经 验 公 式,一 般 仅考 虑2 、 3 个指标 ,最 简 单 的 只 考 虑 流 域 面 积 一 项 指标,即认, , = C , F , ( 5 )式中 : n 地区性经验参数,C ,随设计颇率P变动的参数 , 主 要 反 映 各地 暴 雨 特 性,可 分 区 给 定 数 值 或 绘 制 等值 线 图。有 些 地 区 经 验 公 式,取 24 小时设计雨量 H , . , , 和河 道 干 沐 坡 度 J 作为指标
