第五章--小流域设计洪水的计算(gao)

山东农业大学林学院第五章小流域设计洪水的计算第一节小流域设计洪水特点第二节水科院推理公式法第三节小流域暴雨径流研究组公式本章重点：水科院推理公式法的设计洪水计算山东农业大学林学院水土保持工作一般是在小流域上进行的。水土保持工程的规划设计、测流建筑物的设计都需要研究工程所在地点河流的水文态势，计算设计洪水。一、小流域设计洪水的意义第一节小流域设计洪水特点二、小流域设计洪水的概念（1）小流域集水面积:水文计算通常不超过200-300km2。水保上指的小流域，一般在30km2以下，最多不超过50km2。（2）设计洪水:指符合一定设计标准的洪水，包括洪峰流量、洪水总量和洪水过程线三个要素。洪峰流量即一次洪水流量的最大值，用Qm表示。洪水总量为一次洪水流过程的总水量。山东农业大学林学院（3）小流域设计标准:推求设计洪水时，首先确定标准。设计标准是指水工建筑物本身防洪安全的标准。它是水利水保工程规划设计的一个重要指标。——参阅《水利水电枢纽工程等级划分设计标准》(SDJl2-78)及《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》(SDl75-86)的规定。第一节小流域设计洪水特点一、小流域设计洪水的意义二、小流域设计洪水的概念山东农业大学林学院（1）多数小流域没有设站观测，缺乏实测流量和降雨资料。有的小流域虽有短期资料，但具有较多资料的流域很大，自然地理条件相差悬殊，短期资料也难以延展。因此小流域设计洪水计算是在缺乏资料的条件下进行的。第一节小流域设计洪水特点一、小流域设计洪水的意义二、小流域设计洪水的概念三、小流域设计洪水的特点（2）任务方面：水保工程如小型水库、淤地坝对洪水的调蓄作用较小，工程尺寸常取决于设计洪峰流量，因此在设计洪水计算中，主要是求设计洪峰流量。洪水总量与洪水过程居于次要，可以简化。山东农业大学林学院（3）工程措施：涉及的面广，数量多，又多是小型，因此，计算方法上要求方法简便又能保证一定的精度。第一节小流域设计洪水特点一、小流域设计洪水的意义二、小流域设计洪水的概念三、小流域设计洪水的特点四、小流域设计洪水推求方法小流域设计洪水推求方法有推理公式法，经验公式法，综合瞬时单位线法，洪水调查法等。——推理公式法是从暴雨形成洪水的成因出发，即由暴雨推求流域设计洪峰流量，属于成因推理方法，是半理论半经验公式，是小流域计算暴雨洪水的主要方法。重点介绍水科院推理公式法和由铁道部、中科院地理所等提出的小流域暴雨径流研究组计算公式。山东农业大学林学院（1）计算洪峰流量是以暴雨的设计频率作为设计洪峰流量的频率，即认为暴雨和洪水是同频率的。（2）暴雨和损失在时空上是均匀的，即净雨强度不随时间、地点变化，沿程的汇流速度不变。（3）把汇流面积概化为矩形，即汇流面积随时间的增长率是一条直线，全流域面积汇流形成最大洪峰流量。第二节水科院推理公式法一、水科院推理公式法的假设条件山东农业大学林学院1.净雨总降雨量减去降雨损失后称之为净雨。第二节水科院推理公式法二、水科院推理公式法的有关概念2.汇流历时(τ)净雨从流域上某点流到出口断面的时间即汇流历时。（见P76图5-2）3.流域汇流历时(τm）流域最远点的净雨流到出口断面的时间。4.等流时线具有相同汇流时间的各点连线称为等流时线。山东农业大学林学院5.产流历时（tc）径流开始产生到径流终止所经历的时间即产流历时，又称为净雨历时。第二节水科院推理公式法二、水科院推理公式法的有关概念6.全面汇流（Qm）全部流域面积上的净雨汇集而成。7.部分汇流（Qm）由部分流域面积上的净雨汇集而成。山东农业大学林学院第二节水科院推理公式法三、水科院推理公式法的有关公式1全面汇流)(ctFSQnpm278.0npcSnt1])1[(npSu1时，ctn时，ct1/31/4mJmQ278L.02部分汇流ctn1c)t(nFSQnpm278.0npcSnt1])1[(1/31/4mJmQ278L.0nppSi山东农业大学林学院根据水科院推理公式计算小流域设计洪峰流量Qm时，经过如下三步骤：(P80)（一）设计暴雨计算——确定设计暴雨强度ip；（二）产流计算——确定成峰径流系数Ψ；（三）汇流计算——确定流域汇流历时τ。第二节水科院推理公式法四、水科院推理公式法的计算步骤山东农业大学林学院（1）流域面积（F）：在地形图上勾出分水线后量得，在图上如看不清分水线时，应实地勘测。（2）流域汇流长度（L）：包括坡面和主河道长度。地形图上量取自出口断面沿主河道至分水岭的最长距离。（3）沿流程的平均纵比降（J）：自出口断面起根据沿流程比降变化特征点高程及河长，利用公式计算。P16第二节水科院推理公式法（一）设计暴雨计算四、水科院推理公式法的计算步骤1.流域特征参数（F、L、J）确定2012211100012211102)()(21)(21)(21)(21LLhlhhlhhlhhJLhJLhlhhlhhlhhnnnnnn）（）（整理后得；山东农业大学林学院第二节水科院推理公式法（一）设计暴雨计算四、水科院推理公式法的计算步骤2.暴雨特性参数（n、Sp）确定①暴雨衰减指数n随地区及历时长短而变。常用的暴雨强度计算公式为：该公式由水文所分析了我国8个城市(北京、天津、南京、上海、成都等))的暴雨资料制定的。山东农业大学林学院第二节水科院推理公式法（一）设计暴雨计算四、水科院推理公式法的计算步骤2.暴雨特性参数（n、Sp）确定②设计暴雨雨力(Sp)：即t=1h的最大暴雨平均强度(mm/h)，随地区和重现期而变。——可用水文手册中的Sp等值线图和n值分区图计算暴雨强度。——如缺Sp等值线图，可根据各地区的水文手册查得设计地区的暴雨统计参数H24、Cv和Cs，以t＝24h作为控制时间即可求得Sp：P83山东农业大学林学院——产流计算的实质是求成峰系数Ψ。成峰径流系数是汇流历时内τ净雨总量hτ和暴雨总量Hτ的比值。第二节水科院推理公式法（二）产流计算四、水科院推理公式法的计算步骤①求成峰系数Ψ的确定：npSu1时，ctn时，ct时ctn1c)t(n1/31/4mJmQ278L.0②产流历时（tc）的确定：npcSnt1])1[(山东农业大学林学院u是产流期间内损失强度的平均值。反映了地面平均入渗能力，它的大小与土壤的渗水性、植被、地貌、暴雨特性、土壤前期含水量等有关。陈家瑜等提出用下式计算u值（该公式适合于tc≤24h的情况）。第二节水科院推理公式法（二）产流计算四、水科院推理公式法的计算步骤③平均入渗强度（u）的计算：242424HKHhhpppR山东农业大学林学院第二节水科院推理公式法四、水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算当tc＞24h要改用下式计算下渗强度u：各省、自治区水文手册中一般都提出了计算u值的方法。山东农业大学林学院汇流计算的目的是推求汇流历时τ。计算公式如下：第二节水科院推理公式法四、水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（一）设计暴雨计算（三）汇流计算1.汇流历时τ的确定1/31/4mmQ278L.0JVL278.03141JmQVm山东农业大学林学院四、水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（一）设计暴雨计算（三）汇流计算1.汇流历时τ的确定第二节水科院推理公式法2.汇流参数(m)的确定m的确定是汇流计算的关键，它是反映洪水汇流特征的参数，与植被、地形、河网分布、河槽断面形状、河道糙率等因素有关。m值的计算公式为：许多省(区)水文手册都给出了本地区m值的经验公式，供设计时使用。山东农业大学林学院全面汇流)(ctFSQnpm278.0npcSnt1])1[(npSu1时，ctn时，ct1/31/4mJmQ278L.0第二节水科院推理公式法四、水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（一）设计暴雨计算（三）汇流计算（四）洪峰流量Qm计算部分汇流ctn1c)t(nFSQnpm278.0npcSnt1])1[(1/31/4mJmQ278L.0公式计算存在两个困难：1、τ在计算前是未知量，无法判断是属于全面汇流还是部分汇流。2、方程中不能将已知量和未知量分开，不能采用代入法求解。试算法！山东农业大学林学院1．确定7个参数，即流域特征参数F、L、J；暴雨特性参数Sp、n；经验性参数u、m。2．求产流历时tc。3．假定一个Qm设，代入公式计算τ。。4.将τ与tc比较，判断是全面汇流还是部分汇流，选定出计算Ψ的公式，计算出Ψ。5．将τ和Ψ代入求Qm的公式，计算Qm计，并比较Qm计和Qm设是否相等，如不相等，重新假设Qm设，再试算，直至相近。第二节水科院推理公式法五、水科院推理公式试算法的计算过程山东农业大学林学院试算法例题黄河下游某流域拟建一小水库，坝址处流域面积F=92km2，L=29km，J=2.02%，H24,1%=343mm，n=0.588，m=1.07，=4.9mm/h，利用试算法求Qm,1%第二节水科院推理公式法解：(1)Sp=H241%×24n-1=343×240.588-1=92.61(2)tc=nSpn1132.76(h)(3)假设Qm.1%=750m3/s=4/13/1278.0mQmJL=5.29(h)tc全面汇流山东农业大学林学院第二节水科院推理公式法试算法例题859.029.561.929.41Su1588.0np(4)FSQpmn%1278.0.=764.3(m3/S)与假设不符(5)假设Qm.1%=765m3/s=4/13/1278.0mQmJL=5.257(h)tc全面汇流86.026.561.929.41Su1588.0npFSQpmn%1278.0.=767.7(m3/S)与假设相符，Qm.1%=765m3/s即为所求。山东农业大学林学院为解决上述方程求解设计最大洪峰流量时的两个困难，可制成诺模图求解Ψ和τ0。步骤如下：1.计算n、Sp、u、m、tc（同试算法）2.求τ03.求Ψ及τ根据图5-13p88页，Ψ—τ诺模图，可得出τ/τ0，利用公式求得τ4.根据τ与tc比较，判断是全面汇流还是部分汇流，利用公式计算Qm。公式基本形式一样，差别在Ψ上。诺模图法例题第二节水科院公式法山东农业大学林学院水保工程中的小型水库、淤地坝等要考虑调洪作用，以便确定溢洪道尺寸。因此设计洪峰流量推求后，还要推求设计洪水总量和洪水过程线。第二节水科院推理公式法六、设计洪水量及洪水过程线（一）设计洪水总量Wp的推求hR——设计净雨深或径流深(mm)；h24p——相应于频率P的24h的暴雨量H24p的径流深(mm)；a24——降雨历时等于24h的径流系数；h24P——查地区H24P－h24P关系曲线图。mFh10W3R3P）（Fh10F10aHW24p332424PP山东农业大学林学院小流域多采用三角形过程线，由实测洪水过程线概化而成。T=t1+t2=2Wp/Qm式中Wp——设计洪量(m3)；Qm——设计洪蜂流量(m3/s)；T——设计洪水过程线总历时(h)；t1——涨洪历时，即汇流历时τt2——退洪历时。t2/t1=λ，λ一般为1-3，最高达10。第二节水科院推理公式法六、设计洪水量及洪水过程线（一）设计洪水总量Wp的推求（二）洪水过程线的推求——三角形过程线山东农业大学林学院一、公式的基本形式与特点2、基本形式：铁道部第一设计院、中科院地理所等组成的小流域暴雨径流研究组提出的计算洪峰流量的简化公式。第三节小流域暴雨径流研究组公式Z21mCCQ，式中：C1产流因素,C2汇流因素,Z由暴雨与汇流因素而定的指数。1、假设条件：小流域暴雨径流研究组法认为：（1）流域的汇流面积随时间增长率为一条曲线。（2）流域内降雨也不均匀，最大洪峰流量是由部分流域面积汇流形成。山东农业大学林学