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1、第五章第五章小流域及城市设计洪水小流域及城市设计洪水1章章节节内内容容小流域设计洪水计算特点小流域设计洪水计算特点1小流域设计暴雨小流域设计暴雨2由推理公式推求设计洪水由推理公式推求设计洪水3 城市化对水文的影响城市化对水文的影响5 地区经验公式推求设计洪水地区经验公式推求设计洪水4 城市排水管网设计流量计算城市排水管网设计流量计算6 灌渠排水系统设计流量过程线灌渠排水系统设计流量过程线723小流域设计洪水计算 小流域通常指集水面积不超过数百平方公里的小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。河小溪，但并无明确限制。 小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有许多小流域设
2、计洪水计算，与大中流域相比，有许多特点，并且广泛应用于铁路、公路的小桥涵、中特点，并且广泛应用于铁路、公路的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中，因此水文学上常常作为一个专门的规划设计中，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。问题进行研究。4小流域设计洪水计算方法的特点小流域设计洪水计算方法的特点Z（1 1）方法必须适用于无资料地区）方法必须适用于无资料地区Z（2 2）方法应简便易行）方法应简便易行Z（3 3）方法可以着重推求设计洪峰）方法可以着重推求设计洪峰 我国目前情况下，绝大多数小流域既没有流量资我国目前情况下，绝
3、大多数小流域既没有流量资料，又缺乏暴雨记录，设计洪水的计算方法必须适应料，又缺乏暴雨记录，设计洪水的计算方法必须适应这种资料条件。这种资料条件。 面广量大的农田水利工程和城市雨洪排水工程，要面广量大的农田水利工程和城市雨洪排水工程，要求在一个短时期内给出相当量的设计成果，而且大多由求在一个短时期内给出相当量的设计成果，而且大多由基层负责规划设计，这就要求方法简便易行，便于掌握。基层负责规划设计，这就要求方法简便易行，便于掌握。 一般小型水库的蓄水库容较小，设计标准低，对一般小型水库的蓄水库容较小，设计标准低，对洪水的调蓄能力有限，设计洪峰对水库设计影响较大，洪水的调蓄能力有限，设计洪峰对水库设
4、计影响较大，洪水过程线形状的影响较小。洪水过程线形状的影响较小。5计算基本方法计算基本方法Z小流域设计洪水的计算方法概括起来有小流域设计洪水的计算方法概括起来有4 4种：种： 推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法、综合单位线法分析法、综合单位线法 其中应用最广泛的是推理公式法和综合瞬时单其中应用最广泛的是推理公式法和综合瞬时单位线法。它们的思路都是以暴雨形成洪水过程位线法。它们的思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按的理论为基础，并按设计暴雨设计暴雨设计净雨设计净雨设设计洪水计洪水的顺序进行计算。的顺序进行计算。67Z小流域设计洪水计算，
5、大多数采用由暴雨推求小流域设计洪水计算，大多数采用由暴雨推求洪水的方法，因此，首先需要推求设计暴雨洪水的方法，因此，首先需要推求设计暴雨设计暴雨：设计暴雨：具有某一规定频率的一定时段的暴雨量或平均暴雨强度。具有某一规定频率的一定时段的暴雨量或平均暴雨强度。基本假定：基本假定：暴雨与其所形成洪峰流量或洪量具有相同的频率暴雨与其所形成洪峰流量或洪量具有相同的频率8小流域暴雨特点小流域暴雨特点（1 1）历时短，一般从几十分钟到若干小时；）历时短，一般从几十分钟到若干小时；（2 2）缺乏实际观测资料）缺乏实际观测资料（3 3）面积小，可以忽略暴雨在地区上的分布不均匀性）面积小，可以忽略暴雨在地区上的分
6、布不均匀性把流域中心点雨量作把流域中心点雨量作为流域面雨量，无需考流域面雨量，无需考虑点面雨量折算点面雨量折算由最大由最大1日日设计雨量雨量X1日日,p推求推求历时t的的设计雨量雨量Xt,p9设计暴雨推求常用步骤：设计暴雨推求常用步骤：Z 根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如暴雨径流查算图表暴雨径流查算图表）中绘制的暴雨参数等值线图，查算）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，如出统计历时的流域设计雨量，如2424h h设计暴雨量等；设计暴雨量等；Z 将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时将统计历时的设计雨量通过暴雨
7、公式转化为任一历时的设计雨量；的设计雨量；Z 按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大，按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大，得设计暴雨过程。得设计暴雨过程。暴雨公式暴雨公式10暴雨公式及参数的推求暴雨公式及参数的推求Z暴雨公式暴雨公式在一定频率情况下时段平均暴雨强度在一定频率情况下时段平均暴雨强度i i与历时与历时t t的关系式，称为暴雨公式。的关系式，称为暴雨公式。S S单位历时的暴雨平均强度，又称为雨力，单位历时的暴雨平均强度，又称为雨力， 随地区和重现期而变，随地区和重现期而变， 如果如果t t以小时计，以小时计，s s就是就是t=1t=1小时的暴雨强度小时的暴雨强度n n
8、暴雨递减指数，随地区及历时长短而变暴雨递减指数，随地区及历时长短而变11对公式两边取对数：对公式两边取对数： 上式为一直线方程式，上式为一直线方程式，lgslgs为截距，为截距，n n为斜率，若从平为斜率，若从平均暴雨强度均暴雨强度 历时曲线上将同频率各种历时的暴雨强度历时曲线上将同频率各种历时的暴雨强度i i读下，在双对数坐标格纸上以读下，在双对数坐标格纸上以i i为纵坐标，为纵坐标，t t为横坐标，可为横坐标，可点汇出一组近乎平行的直线，在线上量取点汇出一组近乎平行的直线，在线上量取t=1t=1小时的纵坐小时的纵坐标值和斜率值，即为标值和斜率值，即为s s和和n n值。值。1213Z（1
9、1）当）当t=1t=1小时时，转折点的纵坐标即为小时时，转折点的纵坐标即为s s；Z（2 2）当）当t1t1t1时，取时，取n=n2n=n2；水文手册查水文手册查n n值分区图值分区图14由由2424小时设计暴雨量转换为历时小时设计暴雨量转换为历时t t的设计雨量的设计雨量152424小时设计暴雨量推求小时设计暴雨量推求Z由年最大一日设计暴雨量间接推求由年最大一日设计暴雨量间接推求K K一般在一般在1.11.21.11.2之间，常取之间，常取k=1.15k=1.151617Z当当1ht24h1ht24h时，时，n=n2n=n2Z当当t1ht i 时，损失按时，损失按 值进行，值进行，超渗部分即
10、为净雨。超渗部分即为净雨。 当设计暴雨和当设计暴雨和 值确定后，即可求出任值确定后，即可求出任何一历时的净雨量及平均净雨强度何一历时的净雨量及平均净雨强度S S。21值的确定值的确定Z为了便于小流域设计洪水计算，各省区水利水文为了便于小流域设计洪水计算，各省区水利水文部门在分析大量暴雨洪水资料之后，提出了决定部门在分析大量暴雨洪水资料之后，提出了决定 值的简便方法。参阅各地区的值的简便方法。参阅各地区的水文手册水文手册可可确定确定 的取值。的取值。2223Z推理公式又称合理化公式，已有推理公式又称合理化公式，已有100100多年历史多年历史，是历来小流域由暴雨推求洪峰流量的一种比，是历来小流域
11、由暴雨推求洪峰流量的一种比较常用的方法。较常用的方法。（1 1）采用平均净雨强度，其历时等于汇流历时）采用平均净雨强度，其历时等于汇流历时 ；（2 2）暴雨与洪水同频率）暴雨与洪水同频率（3 3）流域的净雨强度在时间上和空间上都是不变的）流域的净雨强度在时间上和空间上都是不变的24推理公式的基本形式推理公式的基本形式Z推理公式可从线性汇流推导出来推理公式可从线性汇流推导出来 从等流时线的概念出发，假定产流强度在时间、空间上都均从等流时线的概念出发，假定产流强度在时间、空间上都均匀的情况下，流域上的平均产流强度与一定面积的乘积即为匀的情况下，流域上的平均产流强度与一定面积的乘积即为出口断面的流量
12、，当此乘积达到最大值时即出现最大流量。出口断面的流量，当此乘积达到最大值时即出现最大流量。25（1 1）全面汇流情况）全面汇流情况Z在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间时，净雨产时，净雨产生后，每一时刻总有一部分面积上的净雨同时汇流到流域出生后，每一时刻总有一部分面积上的净雨同时汇流到流域出口断面。此时流域出口断面的最大流量是由口断面。此时流域出口断面的最大流量是由t t时段的净雨在时段的净雨在全流域面积上形成的，此种情况称为全面汇流。全流域面积上形成的，此种情况称为全面汇流。 平均降雨强度，平均降雨强度，mm/hmm/h； 平均下渗强度，平均下渗强
13、度，mm/hmm/h；F F流域面积，流域面积，kmkm2 2；K K单位换算系数单位换算系数26（2 2）部分汇流情况）部分汇流情况Z当供水不充分时，即净雨历时小于汇流时间当供水不充分时，即净雨历时小于汇流时间，流域出口断面的最大流量由全部降雨、部分流域面，流域出口断面的最大流量由全部降雨、部分流域面积积形成，此部分流域面形成，此部分流域面积积称称为为共共时时径流面径流面积积，此种情，此种情况称况称为为部分部分汇汇流。流。F F共时径流面积，共时径流面积，kmkm2 2；27推理公式的基本形式推理公式的基本形式洪峰径流系数，等于形成洪峰的净雨量与降雨量之比洪峰径流系数，等于形成洪峰的净雨量与
14、降雨量之比 共时径流面积系数，共时径流面积系数， =F=F/F/F28水科院推理公式水科院推理公式Z19581958年陈家琦等人提出了水科院推理公式，在年陈家琦等人提出了水科院推理公式，在我国设计洪水计算中得到广泛应用。我国设计洪水计算中得到广泛应用。QmQm洪峰流量，洪峰流量，mm3 3/s/s；洪峰径流系数；洪峰径流系数； i i平均降雨强度，平均降雨强度， mm/hmm/h； F F流域面积，流域面积，kmkm2 229Z暴雨公式暴雨公式Z当当t= t= 时时Z5 5个参数，个参数， 洪峰径流系数洪峰径流系数、平均雨强、平均雨强S S、 汇流时间汇流时间、暴雨指、暴雨指数数n、流域面积、
15、流域面积F。Z平均雨强平均雨强S可通过公式计算可通过公式计算Z暴雨指数暴雨指数n查地区等值线图得出查地区等值线图得出Z流域面积流域面积F从地形图上量出从地形图上量出洪峰径流系数洪峰径流系数 汇流时间汇流时间 30洪峰径流系数洪峰径流系数的确定的确定Z反映流域内降雨形峰过程的一种损失。反映流域内降雨形峰过程的一种损失。 假定在流域平均降雨强度大于地面平均入渗能力的假定在流域平均降雨强度大于地面平均入渗能力的情况下，地面才能产生径流，此时产流部分内的降情况下，地面才能产生径流，此时产流部分内的降雨损失决定于地面下渗能力的大小，不产流部分的雨损失决定于地面下渗能力的大小，不产流部分的损失则是该部分所
16、有降雨量。损失则是该部分所有降雨量。全面汇流全面汇流全面汇流全面汇流部分汇流部分汇流部分汇流部分汇流31全面汇流全面汇流 tctc时时出口断面处的洪峰流量是由相当出口断面处的洪峰流量是由相当于汇流时间于汇流时间内的最大内的最大净净雨雨h 在全流域面在全流域面积积上形成的，洪峰径上形成的，洪峰径流系数流系数是是时时段的最大段的最大净净雨量雨量h 与同与同时时段的降雨量段的降雨量P 之比。之比。32部分汇流部分汇流 tctc时时出口断面处的最大流量是由相当于产流出口断面处的最大流量是由相当于产流历时历时tctc内的最大净雨内的最大净雨h h R R在部分流域面积上形成的，洪峰径流在部分流域面积上形
17、成的，洪峰径流系数系数是是tctc时段的最大净雨量时段的最大净雨量h h R R与与 时段的降雨量时段的降雨量P P 之比。之比。33流域汇流时间流域汇流时间的计算的计算Z流域汇流过程按水力特性的不同，可分为坡面汇流流域汇流过程按水力特性的不同，可分为坡面汇流和河槽汇流两个阶段。水科院采用平均的流域汇流和河槽汇流两个阶段。水科院采用平均的流域汇流速度来概括描述径流在坡面和河槽内的运动。速度来概括描述径流在坡面和河槽内的运动。L L流域最远流程长度，流域最远流程长度，kmkmv v 沿流程沿流程L L的流域平均汇流速度，的流域平均汇流速度，m/sm/s 流域汇流时间，流域汇流时间，h h34Z流
18、域平均汇流速度可近似计算：流域平均汇流速度可近似计算：mm汇流参数；汇流参数；J J沿流程的平均纵比降；沿流程的平均纵比降；QmQm待求的最大流量，待求的最大流量，m3/sm3/s 、 反映沿流程水力特性的经验指数，对一般山区反映沿流程水力特性的经验指数，对一般山区河道，河道， =1/3=1/3， =1/4=1/4，则，则35Z汇流参数汇流参数mm是汇流速度公式中的经验参数，它与流域地是汇流速度公式中的经验参数，它与流域地形、地貌、植被、河王分布、河道糙率、断面形状以及形、地貌、植被、河王分布、河道糙率、断面形状以及暴雨的时空分布有关。暴雨的时空分布有关。Z8080年代初期各省区水文部门在编制
19、年代初期各省区水文部门在编制暴雨径流查算图暴雨径流查算图标标时，选用了能反映流域大小和地形条件的流域特征时，选用了能反映流域大小和地形条件的流域特征因素因素 与与mm建立相关关系，对建立相关关系，对mm值进行地区综合。值进行地区综合。汇流参数表汇流参数表m m363738损失参数损失参数Z损失参数损失参数 是产流历时内的平均下渗率，它与流域是产流历时内的平均下渗率，它与流域地表的透水能力、降雨量大小及其分配、降雨开地表的透水能力、降雨量大小及其分配、降雨开始时的土壤含水量有着密切的关系。在设计条件始时的土壤含水量有着密切的关系。在设计条件下可以用下式估算：下可以用下式估算：h hR R为设计净
20、雨量，一般可根据设计暴雨量从地区暴雨径流相关为设计净雨量，一般可根据设计暴雨量从地区暴雨径流相关图中查出图中查出39设计洪峰流量的计算设计洪峰流量的计算tctc tctc 40试算法试算法41Z已知：已知：CsCsP%P%0.50.51 12 22.12.14.374.373.663.662.932.932.22.24.444.443.713.712.962.96CvCvP%P%0.50.51 12 20.60.63.623.623.23.22.762.760.70.74.234.233.683.683.123.12424344454647Z计算洪峰流量的地区经验公式是根据一个地区各河流计算洪
21、峰流量的地区经验公式是根据一个地区各河流的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特征、降雨特性之间的相互关系，建立起来的关系方程征、降雨特性之间的相互关系，建立起来的关系方程式。这些方程都是根据某一地区的实测经验数据指定式。这些方程都是根据某一地区的实测经验数据指定的，只适用于该地区，所以称为地区经验公式。的，只适用于该地区，所以称为地区经验公式。48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4950Z应用推理公式或地区经验公式，只能算出设计洪应用推理公式或地区经验公式，只能算出设计洪峰流量，对于一些中小型水库，有时要求提
22、供设峰流量，对于一些中小型水库，有时要求提供设计洪水过程线，以便分析水库的调洪能力和防洪计洪水过程线，以便分析水库的调洪能力和防洪效果，一般用水计算小流域设计洪水过程线的方效果，一般用水计算小流域设计洪水过程线的方法有概化过程线法和综合单位线法。法有概化过程线法和综合单位线法。51时段综合单位线时段综合单位线Z在有实测暴雨径流资料的流域上，利用单位线便可在有实测暴雨径流资料的流域上，利用单位线便可以由暴雨推求设计洪水过程，对于一般小流域，由以由暴雨推求设计洪水过程，对于一般小流域，由于缺乏实测暴雨径流资料，往往不能直接求得单位于缺乏实测暴雨径流资料，往往不能直接求得单位线。此时，可根据附近地区
23、从实测暴雨径流资料分线。此时，可根据附近地区从实测暴雨径流资料分析得出的单位线，建立单位线要素与流域特征之间析得出的单位线，建立单位线要素与流域特征之间的经验关系，从而求得单位线。上述经验线是根据的经验关系，从而求得单位线。上述经验线是根据地区的各种流域特征资料综合而来的，故称为综合地区的各种流域特征资料综合而来的，故称为综合单位线。单位线。52概化过程线概化过程线Z概化过程线是根据实测洪水资料，经过综合分析概化过程线是根据实测洪水资料，经过综合分析和简化而得。概化的线型有三角形、五边形和综和简化而得。概化的线型有三角形、五边形和综合概化过程线等，一般根据地区涨洪的情况选取。合概化过程线等，一
24、般根据地区涨洪的情况选取。从概化过程线转换成设计洪水过程线，必须知道从概化过程线转换成设计洪水过程线，必须知道设计洪峰流量和设计洪水总量。设计洪峰流量和设计洪水总量。53545556管道设计流量计算管道设计流量计算Z城市地区的排水主要是由地下排水管网完成的，在城市地区的排水主要是由地下排水管网完成的，在排水管网设计中，管道尺寸大小主要是根据设计流排水管网设计中，管道尺寸大小主要是根据设计流量来确定，应用推理公式推求管道设计流量一直是量来确定，应用推理公式推求管道设计流量一直是最为广泛应用的方式。最为广泛应用的方式。A、B、C、n暴雨公式参数暴雨公式参数T重现期重现期流域汇流时间流域汇流时间ai
25、、fi各分区的径流系数及面积各分区的径流系数及面积57曼宁公式计算圆管管径曼宁公式计算圆管管径Zd设计圆管管径设计圆管管径Zn管道糙率管道糙率ZQp指定频率设计洪峰流量指定频率设计洪峰流量ZJ0管道坡度管道坡度5859Z设计雨量设计雨量Z设计暴雨过程拟定设计暴雨过程拟定均匀分配均匀分配典型分配典型分配同频率分配同频率分配将设计雨量在降雨历时内平均分配将设计雨量在降雨历时内平均分配选用实际发生的暴雨过程作为典型，选用实际发生的暴雨过程作为典型，同倍比或同频率放大得设计过程同倍比或同频率放大得设计过程6061同频率分配同频率分配Z每一历时的雨量均满足设计频率每一历时的雨量均满足设计频率【例题例题】
26、已知某暴雨强度公式为：已知某暴雨强度公式为：求求2 2年一遇的设计暴雨过程年一遇的设计暴雨过程62计算过程计算过程（1 1）取计算时段为）取计算时段为5 5分钟，得出分钟，得出1212个历时的平均雨强个历时的平均雨强i i; ;（2 2）计算各历时降雨总量）计算各历时降雨总量p=i*tp=i*t；（3 3）由相邻历时的雨量之差求时段雨量）由相邻历时的雨量之差求时段雨量p p；（4 4）根据暴雨综合参数）根据暴雨综合参数r r确定雨峰位置，按单峰暴雨确定雨峰位置，按单峰暴雨过程和对称原则确定时段雨强序号过程和对称原则确定时段雨强序号k k，并按，并按k k的顺序的顺序位置分配相应时段雨量位置分配相应时段雨量p p，得设计暴雨过程。，得设计暴雨过程。63646566
