小流域暴雨洪峰流量计算.

第八章小流域暴雨洪峰流量计算研究对象：小流域暴雨洪峰流量研究内容：小流域暴雨洪峰流量计算特点；设计净雨量的推求；流域汇流计算（等流时线法）；暴雨洪峰流量推理公式；暴雨洪峰流量经验公式小流域：集水面积不超过数百平方公里，无明确限制。当地形平坦时，可以为300~500km2以下；当地形复杂时，有时限制在10~30km2以内；一般情况下，南方面积较小（水量丰富、地形复杂），而北方面积较大。小流域设计洪水计算主要应用于中、小型水利工程，如小流域面积上的排水建筑物、小水库；城镇、厂矿周围地区的排洪渠、防洪工程；铁路和公路的桥梁、涵洞；立体交叉道路的排水管渠；广大农村中众多的小型水库的溢洪道等。8.1概述小流域设计洪水计算特点特点一：工程数量多，往往缺乏降雨、流量资料特点二：小型工程调节能力低，重点计算设计洪峰流量特点三：计算方法力求简便易行，便于基层技术人员应用设计暴雨设计净雨设计洪峰设计洪水过程小流域设计洪水的计算思路：小流域设计洪水计算的常用公式（1）推理公式法：也称半理论半经验公式,着重推求设计洪峰流量，以暴雨形成洪水的成因分析为基础,考虑影响洪峰流量的主要因素,建立理论模式,并利用实测资料求得参数。其计算成果有较好的精度。（2）地区经验公式：只推求洪峰设计流量，它是建立在某地区和邻近地区的实测洪水和调查洪水资料的基础上，探求地区暴雨洪水经验性的规律，使用上有一定的局限性。（3）综合单位线法（4）水文模型法小流域设计洪水计算重点分析的问题（1）暴雨强度：不同历时设计暴雨强度公式（2）暴雨损失：包括植物截留、地表填洼、下渗和蒸发。仅介绍适用于干旱半干旱地区产流计算的初损后损法。（3）流域汇流：包括坡地汇流和河网汇流，计算方法包括等流时线法、时段单位线法、瞬时单位线法和地貌单位线法、推理公式法等。仅讲述等流时线法和推理公式法8.2小流域设计暴雨计算8.2.1年最大24h设计暴雨计算（P24,P）无实测降雨资料情况下的一般流程：暴雨图集等值线图查P1日、CvP1日，PP24，P查P24、CvP24，P1.1~1.2确定：设计标准P；暴雨历时t(24h)8.2.2不同历时设计暴雨量推求(1)当1≤t≤24h时，(2)当t1h时，222221124p11,24124k24nnnnpnppttPtPtAP，121211124p11,24124k24nnnnpnppttPtPtAP，8.2.3设计暴雨时程分配设计暴雨总历时：根据流域暴雨特性选择暴雨控制历时：1、3、6、24h等方法：同频率放大法典型暴雨过程：a.选择实测降雨过程b.《水文手册》、暴雨图集：典型分配过程初损后损法是一种适用于干旱半干旱地区的产流计算模型。（一）初损后损法基本原理初损：I0，t0，降雨开始到出现超渗产流时的降雨全部损失，包括初期下渗，植物截留，填洼等。后损：产流以后损失阶段，包括产流历时tR内的平均下渗能力与产流历时的乘积tR与后期不产流的雨量P’之和。ifp：Rs0i≤fp：Rs=0由水量平衡原理，可得：'0'0ttttPtfIRPRR??ff8.3设计净雨量推求—初损后损法（二）初损I0的确定主要影响因素：W0：W0越大，I0越小；：越大，I0越小；土地利用、季节变化确定方法：（1）利用实测雨洪资料分析小流域：起涨点时刻前的累积降雨量；大中流域：确定各雨量站的汇流时间ti；计算ti的平均值—该时刻前的降雨量0i0i8.3设计净雨量推求—初损后损法（2）建立I0的经验关系（三）平均下渗率的确定影响因素：I0：W0一定，I0越大，fp0越小，越小：越大，fp0越大，越大tR：tR越大，越小ff0i0iff8.3设计净雨量推求—初损后损法确定方法：（1）利用实测雨洪资料分析计算基本过程：a.选择雨洪资料；b.计算流域面降雨P~t；c.流量过程分割计算，得∑R、∑RS、∑Rgd.确定I0；e.采用试算法确定平均下渗率：'0'0'0tttPIRPtPIRPfR8.3设计净雨量推求—初损后损法（2）建立经验关系8.3设计净雨量推求—初损后损法（四）初损后损法产流计算解决问题：已知P~t，I0，，求R~t一般列表计算f8.3设计净雨量推求—初损后损法【例8-1】已知某流域一次暴雨过程如下表所示，已查得该次暴雨初损为30mm，后期平均下渗能力为2.0mm/h。试求本次降雨形成的地面径流（净雨）过程。时段（6h）1234合计雨量（mm）206010510195初损（mm）后损（mm）地面净雨（mm）20103010t0=6+1=7h12103240931334．某流域降雨过程如表3所示，已知初损为12mm，平均后损率为1.5mm/h，试以初损后损法计算雨量损失过程和地面净雨过程。时间(月.日.时)降雨量（mm）初损（mm）后损（mm）净雨（mm）6.10.08:00-14:006.514:00-20:005.520:00-02:00176.06.11.02:00-08:0099.408:00-14:0040.014:00-20:0082.920:00-02:009.0合计419.3时间(月.日.时)降雨量（mm）雨强(mm/h)初损（mm）后损（mm）净雨（mm）6.10.08:00-14:006.51.086.5014:00-20:005.50.925.5020:00-02:00176.029.339.0167.06.11.02:00-08:0099.416.579.090.408:00-14:0040.06.679.031.014:00-20:0082.913.829.073.920:00-02:009.01.509.00合计419.312.045.0362.3（1）损失参数μ定义损失参数μ是指产流历时tc内的平均损失强度。（2）净雨量计算方法8.3设计净雨量推求—损失参数法降雨过程与入渗过程示意图从图可以看出，i≤μ时，降雨全部耗于损失，不产生净雨；iμ时，损失按μ值进行，超渗部分（图中阴影部分）即为净雨量。因此，当设计暴雨和μ值确定后，便可求出任一历时的净雨量及平均净雨强度。（3）损失参数μ确定方法具体数值可参阅各地区的《水文手册》。RS~t——QS~tRg~t——Qg~tQ~t习惯上，本节将R用h来代替8.4流域汇流计算8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法流域汇流计算就是将流域上的地面净雨（包括表层流净雨）和地下净雨转化为流域出口断面的流量过程。流域汇流过程分为地面径流汇流和地下径流汇流过程，计算时由地面净雨和地下净雨分别进行汇流计算，求得流域出口断面各自的流量过程，二者叠加，即为流域出口断面的流量过程。流域汇流坡地汇流河网汇流地面径流地下径流8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法1基本概念流域汇流：降落在流域上的雨水从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流。汇流时间：净雨从流域上某点抵达出口断面所经历的时间称为汇流时间，常用符号τ表示。流域汇流时间：净雨从流域最远点抵达出口断面所经历的时间称为流域汇流时间，常用符号τm表示。8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法2流域出口断面流量的组成同一时刻在流域各处形成的净雨距流域出口断面远近、流速不相同（流域调蓄作用），所以不可能全部在同一时刻到达流域出口断面。但是，不同时刻在流域内不同地点产生的净雨，却可以在同一时刻流达流域的出口断面。等流时面积分布示意图图中各净雨质点的汇流历时虽然不同，但均对t时刻出口断面的流量有贡献。称图中各净雨质点的集合为t时刻出口断面出流量的汇流面积。等流时面积分布示意图8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法当τ时刻的净雨强度为I(τ)时，由于流域的调蓄作用，仅仅流达时间为t-τ的那一部分净雨质点对t时刻的出流量有贡献，组成了t时刻出流量的一部分，即:由于所有0至t时刻的净雨都对t时刻出口断面的流量有贡献，故t时刻出口断面流量计算公式如下：dItdQF)()(tdFtitQ0)()()(dIttQt)()(F)(0变量代换径流成因公式上式表明：t时刻的流域出口断面的流量Q(t)由汇流时间为τ的流域上的各净雨质点在t-τ时刻的净雨汇流形成的。8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法3等流时线法基本概念流域上各点的净雨量汇集到出口断面，其汇流速度有快有慢，汇流时间也有长有短。等流时线：流域上汇流时间相同的各点连接而成的曲线。等流时面积f：相邻两条等流时线和流域边界所包围的面积。等流时距△τ：净雨从上一条等流时线汇流到下一条等流时线所经历的汇流时间。流域汇流时间τm=n△τ注意：用等流时线法推求地面径流过程线时，地面净雨的计算时段长度△t必须与等流时距△τ相同，即△t=△τ。ΔτΔτ2Δτ2Δτ3Δτ3Δτ4Δτ4Δτf1f2f3f4f55Δτ8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法4等流时线在地面径流汇流分析中的应用净雨时段△t内降落在一块等流时面积上的净雨形成的出流过程取净雨时距△t=等流时距△τ。根据等流时线的概念，净雨时段△t内降落在一块等流时面积上的净雨在△t时段末形成的出口断面流量计算公式如下：ΔtfihΔτΔτfthfthQ8.4.1地面径流汇流计算方法：等流时线法4等流时线在地面径流汇流分析中的应用取净雨时距△t=等流时距△τ。根据等流时线的概念，分析左图流域上不同净雨情况下所形成的出口断面地面径流过程。假定各时段净雨所形成的流量在汇流过程中相互没有干扰，出口断面的流量过程是降落在各等流时面积上的净雨按先后次序出流叠加而成的，第k时段末出口流量为niiifhttfhfhQ11k21k1kk1278.036001000式中：Q单位m3/s；h单位mm；f单位km2；△t单位h。例题1：已知某流域等流时面积f1，f2，f3；地面净雨过程h1，h2；净雨时距△t=等流时距△τ。计算：流域出口断面的Qs~t(列表计算)时段净雨hi(mm)等流时面积fi（km2）出口流量qi（m3/s）Qs（m3/s）h1h2000Δth1f1h1f1/Δt0h1f1/Δt2Δth2f2h1f2/Δth2f1/Δth1f2/Δt+h2f1/Δt3Δtf3h1f3/Δth2f2/Δth1f3/Δt+h2f2/Δt4Δt0h2f3/Δth2f3/Δt5Δt00niiittttfhttfhfhQ112111278.036001000在此例中，净雨总历时tc=3△t流域汇流历时τm=3△τ，即当tcτm时，全部时段净雨和部分等流时面积参与形成流域出口断面的洪峰流量。流量过程总历时T=tc+τm。时段(3h)地面净雨深h(mm)等流时面积（km2）部分流量过程（m3/s）地面径流过程（m3/s）h1=5h2=28h3=44h4=3000155826.9026.922812055.6150.5020634413060.2311.4236.506084311553.3337.3489.316.189658238.0298.4530.133.490066027.8212.8468.936.174672411.1155.7334.332.05338062.3244.622.83309097.916.71151006.676.671100下移一个等流时距下移二个等流时距下移三个等流时距=0.278*5*120/3.0=0.278*5*130/3.0例题2：已知某流域等流时面积f1，f2，f3；地面净雨过程h1、h2、h3；△t=△τ。计算：流域出口断面的Qs~t(列表计算)时段净雨hi(mm)等流时面积fi（km2）出口流量qi（m3/s）Qs（m3/s）h1h2h3000Δth1f1h1f1/Δt0h1f1/Δt2Δth2f2h1f2/Δth2f1/Δt0h1f2/Δt+h2f1/Δt3Δth3f3h1f3/Δth2f2/Δth3f1/Δth1f3/Δt+h2