小流域洪水设计副本培训课件

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1、1,10 - 6 小流域设计洪水计算 Design Flood for Small Watershed,2,一、 概 述 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计，大多集水面积小，属小流域。小流域通常指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制。例如：水利部门 F 200 km2 ，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，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：,3, 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。 小流域面积小，自然

2、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，在保证一定精度的前提下，力求简便。,4,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，并按设计暴雨设计净雨设计洪水的顺序进行计算。, 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，一般采用概化过程线。,5,二、 小流域设计暴雨的计

3、算 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：, 根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如暴雨径流查算图表）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出各种历时的流域设计雨量，如24h设计暴雨量等。（如果有实测资料，可直接推求设计雨量）,6,7,8,工程设计中常用的暴雨历时有： 城市排水：5、10、15、20、30、45、60、90、120 min 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，用同频率法控制放大，求得设计暴雨过程。,9,1. 特定历时的设计暴雨计算 由各省区的

4、暴雨径流查算图表和水文手册查取。例如湖北省1985年印发的暴雨径流查算图表中，就提供了7d、3d、24h、6h、1h及10min的暴雨参数等值线图，CS/CV值全省统一用3.5。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、CV 及CS/CV，进而求得该历时设计频率的雨量。 如：x24P 、x6P 、x1P 。,10,2. 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：x24P 、x6P 、x1P ），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，它反映一定频率某历时的平均降雨强度 at，P 与该历时 t 的关系，称为短历时暴雨

5、公式。暴雨公式最常见的形式为：,式中，at，P ：历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h；,11,SP ：频率为P，历时为1h的平均暴雨强度（average rainfall intensity for duration t = 1h with frequency P），称为设计雨力，mm/h。 n：暴雨参数、暴雨递减指数或暴雨衰减指数。,暴雨递减指数n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t，然后推求n。由（10-1）式可知：,12,lg at，P,lg t,n2 = 0.60 P =0.

6、1%,n2 = 0.60 P =1%,n1 = 0.40,n1 = 0.40,SP=0.1%,SP=1%,1h,用图解法可求得n。根据我国资料分析，大多数地区n与P无关，在t=1h的前后发生变化，记t1h为n1，t=124h为n2。n1、n2各地不同，各省（自治区、直辖市）已根据各自分析的n1、n2绘成了等值线图或分区查算图。,13,14,15,频率为P、历时为 t 的暴雨量：,计算步骤： 已知：流域中心 求出24h设计暴雨量 x24，P。,由式（10-2）：,（10-3）,16,由式（10-2）（10-3），可求出任意历时 t 的设计雨量： 当 1 h t 24 h：,当 t 1 h ：,1

7、7,3. 设计面雨量计算 按上述方法所求得的设计流域中心点的各种历时的点暴雨量，需要转换成流域平均暴雨量，即面暴雨量。各省（自治区、直辖市）的水文手册中，刊有不同历时暴雨的点面关系图或点面关系表，可供查用。,4. 设计暴雨的时程分配 在推求小流域设计洪水中，需要计算设计暴雨过程。这时常采用分区概化时程分配雨型来推求。,18,【 例 1 】鱼龙溪流域位于某省第二水文分区，拟在此建一小水库，试推求 P=1% 的设计洪水。为此，应先推求 P=1% 的设计暴雨及其时程分配过程。 （1）计算1、3、6、24h 流域设计雨量 根据该流域中心点位置，查该省水文手册得24h暴雨的统计参数及暴雨递减指数 ：,1

8、9,由CS 及 P 查皮尔逊型曲线值表，得P=3.54， 24 h 设计点雨量及SP：,求历时为1、3、6 h 的设计点暴雨量：,20,求各种历时设计面雨量： 该流域的面积为451.4km2，查水文手册得各种历时的点面折减系数为1= 0.684， 3 = 0.707， 6 = 0.754， 24= 0.814。折算后各种历时的设计面暴雨量为： 1h设计雨量 x1P= 0.684119.6 = 81.8mm 3h设计雨量 x3P = 0.707 162.7= 115.0mm,21,6 h设计雨量 x6P= 0.754197.5=148.9mm 24h设计雨量 x24P= 0.814291.2=2

9、37.0mm,（2）计算设计暴雨过程 将上面所得各种历时的设计暴雨量x1P、x 3P、x 6P、x 24P 按该水文分区的概化雨型进行分配，得设计暴雨过程。,22,23,三、设计净雨计算 由暴雨推求洪水过程，一般分为产流和汇流两个阶段，故需先进行产流计算，推求设计净雨过程。 方法：利用损失参数 推求,损失参数 ：指产流历时tc内的平均损失强度。如图10-8所示，i t 为设计雨强过程， 为产流历时tc内的平均损失强度。,tC,i t,不产生 净 雨,不产生 净 雨,产生净雨,时间,i， ,24,tC,i t,不产生 净 雨,不产生 净 雨,产生净雨,时间,i， ,当 i 时，降雨全部耗于损失；

10、当 i 时，损失率为，超渗部分 i - 形成净雨，总净雨量如图阴影部分所示。,只要有了，就可求出净雨量。各省水文手册一般有的经验关系，可直接查阅。,25,四、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 汇流时间（concentration time）：净雨从流域上某点流至流域出口断面的时间。 等流时线（isochronic line）：流域上汇流时间相等的点的联线。如图：标有1 、2 、的虚线（ 为单位汇流时段长）。等流时面积（isochronic aera）：相邻两条等流时线间的面积 f

11、 。本例：F = f1 + f2 + f3 。,26,流域上最远点净雨流到出口断面所经历的时间，称为流域最大汇流时间，简称流域汇流时间，或流域汇流历时（concentration time of catchment），记为 。本例：= 3t。,27,t,h,Q,t,t,t,t 时段内在等流时面积 f 上形成的净雨 h 都能在两个t 时段内流出流域出口断面。最大流量为：,Q,28,设流域内形成了4个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）tc = 4t，出口断面形成的流量过程线为：,+,+,+,+,+,+,Qm,29,推理公式第一个假定：净雨在时间和空间上分布均匀，即：h1 = h2 = h3 = h

12、4 = h，则有：,为净雨强度，或称为产流强度，记为：,a 为平均降雨强度，为损失强度，故有：,30,另一种表示方法：,式中， = 3t 为流域汇流历时，h = 3h 为 历时内的净雨量，而净雨历时 tc = 4t ，全部净雨为 4h 。显然， tc ，洪峰流量是部分净雨在全部流域面积上形成的。这种情况称为全面汇流。,31,设流域内形成了2个时段的净雨，故净雨历时（产流历时）tc = 2t，出口断面形成的流量过程线为：,+,+,Qm,32,仍假定净雨时空分布均匀，即： h1 = h2 = h，则 Qm 视（f1 + f2）和（f2 + f3）的大小而定，记最大者为 Ftc ，称为净雨历时内最大

13、共时径流面积 ，则有：,式中，hR = 2h 为净雨历时内的净雨量，即全部的产流量。 Ftc 为净雨历时内最大共时径流面积 ，即参与形成洪峰流量的那部分汇流面积，与 tc 及流域形状有关。显然，tc = 2t，而 = 3t。所以 ， tc ，洪峰流量是全部净雨在部分流域面积上形成的，称为部分汇流。,33,推理公式第二假定：流域汇流面积随时间的增长率为线性关系（矩形假定），即：,则上式可写为：,最后有：,当 tc ：,当 tc ：,34,五、北京水科院推理公式及其应用 推理公式中需求出 h 、hR 及 。 h 、hR 就是产流计算，推求净雨的问题； 为流域汇流时间，即流域汇流计算问题。,1、设计

14、暴雨过程 暴雨过程线对称； 瞬时雨强峰值趋于无穷大； 雨强过程线无法用显式表示；,i,时间,i,t,tc,35, 历时为t时，瞬时雨强过程线上相应的雨量为设计雨量 xt，P ：,i,时间,i,t,tc,36,2、产流量计算 当 tc 时：,i,时间,tc,h,37,i,时间,tc,hR, 当 tc 时：,38,求 tc ：,i,时间,tc,hR,由式（10-2）：,瞬时雨强 i(t)：,由图，当 t = tc 时，i ( tc ) = ，故有：,39,所以：,另将 代入 hR 式，消去 ，得：,40,3、流域汇流时间 计算 采用半理论半经验公式：,式中，L：主河长（length of main

15、 water course），从流域出口断面沿主河道至分水岭的长度，km。 J：主河道比降（the weighted mean slope of the main water course），以小数计，按式（2-9）计算。 m：流域汇流参数（factor of flow concentration），各省水文手册一般都有经验关系： m L/J1/3,41,4、用推理公式推求设计洪峰流量 将 代入式（10-7），得：,tc ,(10-15),tc ,(10-16),将式（10-11）代入式（10-8），得：,42,5、计算步骤 上述方程组需要7个参数：F、L、J、n、SP 、 、m，即可解出QmP 、 。方法有图解法、试算法等。,具体步骤： 流域参数 F、L、J 在地形图上量算 暴雨参数 n、SP 查水文手册中的水文图集，可得：,43,由设计标准 P 及 P-型曲线，可求得24h设计暴雨量 x24，P ，再由式（10-3）推求 SP ：, 流域损失参数 和汇流参数 m,查水文手册，求出；汇流参数m查 m L/J1/3 关系。, 计算 tc 由式（10-10）：