工程水文及水利计算第17讲课件

工程水文及水利计算工程水文及水利计算门宝辉门宝辉可再生能源学院可再生能源学院提提 纲纲第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 水循环及径流形成水循环及径流形成第三章第三章 水文资料的观测、收集与处理水文资料的观测、收集与处理 第四章第四章 水文统计基本知识水文统计基本知识第五章第五章 设计年径流及径流随机模拟设计年径流及径流随机模拟 （分（分3 3讲）讲）第六章第六章 由流量资料推求洪水由流量资料推求洪水 （分（分3 3讲）讲）第七章第七章 流域产、汇流计算流域产、汇流计算 （分（分4 4讲）讲）第八章第八章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水 （分（分3 3讲）讲）第九章第九章 水文预报水文预报第十章第十章 水库兴利调节计算水库兴利调节计算 （分（分2 2讲）讲）第十一章第十一章 水电站的水能计算水电站的水能计算 （分（分2 2讲）讲）第十二章第十二章 水库防洪计算水库防洪计算 （分（分2 2讲）讲）第八章第八章 目录目录第八章第八章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水8-1 8-1 概述概述8-2 8-2 直接法推求设计面暴雨量直接法推求设计面暴雨量8-3 8-3 间接法推求设计面暴雨量间接法推求设计面暴雨量8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水8-6 8-6 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 方法：典型暴雨同倍比放大法和同频率放大法。方法：典型暴雨同倍比放大法和同频率放大法。有实测资料情况下有实测资料情况下（1 1）要考虑所选典型暴雨的分配过程应是设计条件下）要考虑所选典型暴雨的分配过程应是设计条件下比较容易发生的；比较容易发生的；（2 2）要考虑是对工程不利的。）要考虑是对工程不利的。1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 典型暴雨过程的选择和概化典型暴雨过程的选择和概化 比较容易发生比较容易发生首先首先是从量上来考虑，应使典型暴雨的雨量接近设计是从量上来考虑，应使典型暴雨的雨量接近设计暴雨的雨量；暴雨的雨量；其次其次是要使所选典型的是要使所选典型的雨峰个数雨峰个数、主雨峰位置主雨峰位置和和实际实际降雨时数降雨时数是大暴雨中常见的情况，即这种雨型在大暴是大暴雨中常见的情况，即这种雨型在大暴雨中出现的次数较多。雨中出现的次数较多。典型暴雨过程的选择和概化典型暴雨过程的选择和概化 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 所谓对工程不利所谓对工程不利一是指雨量比较集中一是指雨量比较集中，例如七天暴雨特别集中在三天，例如七天暴雨特别集中在三天，三天暴雨特别集中在一天等；三天暴雨特别集中在一天等；二是指主雨峰比较靠后二是指主雨峰比较靠后。这样的降雨分配过程所形成的。这样的降雨分配过程所形成的洪水洪峰较大且出现较迟，对水库安全将是不利的。洪水洪峰较大且出现较迟，对水库安全将是不利的。典型暴雨过程的选择和概化典型暴雨过程的选择和概化 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 所谓对工程不利所谓对工程不利例如淮河上游例如淮河上游1975年年8月在河南发生的一场特大暴雨，月在河南发生的一场特大暴雨，简称简称“758暴雨暴雨”，历时，历时5天，板桥站总雨量天，板桥站总雨量1451.0 mm，其中，其中3天为天为 1422.4 mm，雨量大而集中，且，雨量大而集中，且主峰在后主峰在后，曾引起两座大中型水库和不少小型水库失事。因此，曾引起两座大中型水库和不少小型水库失事。因此，该地区进行设计暴雨计算时，常选作暴雨典型。该地区进行设计暴雨计算时，常选作暴雨典型。典型暴雨过程的选择和概化典型暴雨过程的选择和概化 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 无实测资料情况下无实测资料情况下可可借用借用邻近暴雨特性邻近暴雨特性相似流域相似流域的的典型暴雨过程典型暴雨过程，或引，或引用各省（区）用各省（区）暴雨洪水图集暴雨洪水图集中按地区综合概化得出的中按地区综合概化得出的典型概化雨型（一般以百分比表示）来推求设计暴雨典型概化雨型（一般以百分比表示）来推求设计暴雨的时程分配。的时程分配。典型暴雨过程的选择和概化典型暴雨过程的选择和概化 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 选定了典型暴雨过程后，就可用选定了典型暴雨过程后，就可用同频率设计暴雨量控同频率设计暴雨量控制方法制方法，对典型暴雨分段进行缩放。，对典型暴雨分段进行缩放。不同时段控制放大时，控制时段划分不宜过细，一般不同时段控制放大时，控制时段划分不宜过细，一般以以1、3、7d控制。控制。对暴雨核心部分对暴雨核心部分 24h 暴雨的时程分配，时段划分视流暴雨的时程分配，时段划分视流域大小及汇流计算所用的时段而定，一般取域大小及汇流计算所用的时段而定，一般取2、4、6、12、24h 控制。控制。设计暴雨时程分配计算设计暴雨时程分配计算 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 1 1、设计暴雨时程分配的计算、设计暴雨时程分配的计算 例题例题81已求得某流域百年一遇已求得某流域百年一遇1d、3d、7d设计暴雨分别为设计暴雨分别为108mm、182mm、270mm。经对流域内各次大暴雨资料分析比较。经对流域内各次大暴雨资料分析比较后，选定暴雨核心部分出现较迟的后，选定暴雨核心部分出现较迟的1993年的一次大暴雨作为典型，年的一次大暴雨作为典型，其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 例题例题81已求得某流域百年一遇已求得某流域百年一遇1d、3d、7d设计暴雨分别为设计暴雨分别为108mm、182mm、270mm。经对流域内各次大暴雨资料分析比较。经对流域内各次大暴雨资料分析比较后，选定暴雨核心部分出现较迟的后，选定暴雨核心部分出现较迟的1993年的一次大暴雨作为典型，年的一次大暴雨作为典型，其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 例题例题81已求得某流域百年一遇已求得某流域百年一遇1d、3d、7d设计暴雨分别为设计暴雨分别为108mm、182mm、270mm。经对流域内各次大暴雨资料分析比较。经对流域内各次大暴雨资料分析比较后，选定暴雨核心部分出现较迟的后，选定暴雨核心部分出现较迟的1993年的一次大暴雨作为典型，年的一次大暴雨作为典型，其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。其暴雨过程如表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 例题例题8 822某流域百年一遇各种时段设计暴雨量如某流域百年一遇各种时段设计暴雨量如表所示。表所示。选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨日程分配计算选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨日程分配计算见下表。见下表。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨日程分配计算选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨日程分配计算见下表。见下表。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 最大最大 24h 24h 设计及典型暴雨的时程分配见下表。设计及典型暴雨的时程分配见下表。8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 在推求防洪断面在推求防洪断面B以上流以上流域的设计暴雨时，必须分域的设计暴雨时，必须分成两部分，一部分来自防成两部分，一部分来自防洪水库洪水库A以上流域的暴雨，以上流域的暴雨，另一部分来自另一部分来自AB区间上区间上的暴雨。的暴雨。2 2、设计暴雨的地区分布、设计暴雨的地区分布 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 实际工作中，一般先对已有实际工作中，一般先对已有实测大暴雨资料的地区组成实测大暴雨资料的地区组成进行分析，了解暴雨中心经进行分析，了解暴雨中心经常出现的位置，并统计常出现的位置，并统计A库库以上和区间暴雨所占的比重以上和区间暴雨所占的比重等，作为选择设计暴雨地区等，作为选择设计暴雨地区分布的依据，再从工程规划分布的依据，再从工程规划设计的安全与经济考虑，选设计的安全与经济考虑，选定一种定一种可能出现且偏于不利可能出现且偏于不利的暴雨面分布形式，进行设的暴雨面分布形式，进行设计暴雨的模拟放大。计暴雨的模拟放大。2 2、设计暴雨的地区分布、设计暴雨的地区分布 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 从实际资料中选择暴雨从实际资料中选择暴雨量大量大的一个暴雨图形（等雨量线的一个暴雨图形（等雨量线图）移置于流域上。为安全图）移置于流域上。为安全考虑，常把暴雨中心置放在考虑，常把暴雨中心置放在 AB 区间，而不是置放在流域区间，而不是置放在流域中心。这样做使区间暴雨所中心。这样做使区间暴雨所占比例最大，对防洪断面占比例最大，对防洪断面 B 更为不利。更为不利。典型暴雨图法典型暴雨图法 2 2、设计暴雨的地区分布、设计暴雨的地区分布 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 同频率控制法同频率控制法 对防洪断面对防洪断面B以上流域的面雨量以上流域的面雨量和区间和区间AB面积上的面雨量分别面积上的面雨量分别进行频率计算，求得各自的设进行频率计算，求得各自的设计面雨量计面雨量xBp、xABp。按同频率。按同频率原则考虑，采取防洪断面原则考虑，采取防洪断面B以上以上流域发生指定频率流域发生指定频率p的设计面暴的设计面暴雨量时，区间雨量时，区间AB面积上也发生面积上也发生同频率暴雨，水库以上流域则同频率暴雨，水库以上流域则为相应雨量（其频率不定）为相应雨量（其频率不定）2 2、设计暴雨的地区分布、设计暴雨的地区分布 8-4 8-4 设计暴雨时空分配的计算设计暴雨时空分配的计算 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 经验方法经验方法设计暴雨发生时流域的土壤湿润情况是未知的，可能很设计暴雨发生时流域的土壤湿润情况是未知的，可能很干（干（Pa=0），也可能很湿（），也可能很湿（Pa=Im），所以设计暴雨可），所以设计暴雨可与任何与任何Pa值（值（0PaIm）相遭遇，这是属于随机变量的）相遭遇，这是属于随机变量的遭遇组合问题。目前生产上常用下述三种方法求设计条遭遇组合问题。目前生产上常用下述三种方法求设计条件下的土壤含水量，即设计件下的土壤含水量，即设计Pa。在湿润地区，当设计标准较高，设计暴雨量较大，在湿润地区，当设计标准较高，设计暴雨量较大，Pa 的的作用相对较小。由于雨水充沛土壤经常保持湿润情况，作用相对较小。由于雨水充沛土壤经常保持湿润情况，为了安全和简化，可取为了安全和简化，可取Pa,p=Im。经验方法经验方法因因Pa变化在变化在0Im之间，设计情况下取：之间，设计情况下取：Pa,P=KIm式中：式中：K=01.0，设计标准较高的湿润地区，设计标准较高的湿润地区K=1.0，一，一般般K=0.50.8；设计标准较低的干旱地区；设计标准较低的干旱地区K=0。例如黑。例如黑龙江省取龙江省取0.570.79，陕西省取，陕西省取0.230.67，湖北、湖南、，湖北、湖南、浙江省取浙江省取0.75。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 扩展暴雨过程法扩展暴雨过程法 在拟定设计暴雨过程时，在拟定设计暴雨过程时，加长暴雨历时，增加暴加长暴雨历时，增加暴雨的统计时段，把核心雨的统计时段，把核心暴雨前面一段也包括在暴雨前面一段也包括在内。例如，原设计暴雨内。例如，原设计暴雨采用采用1、3、7d3个统计个统计时段，现增长到时段，现增长到30d，即增加即增加15、30d2个统计个统计时段。时段。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 当然当然30d设计暴雨过程开设计暴雨过程开始时的始时的Pa值（即初始值）值（即初始值）如何定仍然是一个问题，如何定仍然是一个问题，不过初始不过初始Pa值假定不同，值假定不同，对后面的设计对后面的设计Pa值影响甚值影响甚微，因为初始微，因为初始Pa值要经过值要经过23d的演算，才到设计暴的演算，才到设计暴雨核心部分。一般可取雨核心部分。一般可取Pa=1/2Im或或 Pa=Im。扩展暴雨过程法扩展暴雨过程法 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 假如设计暴雨历时为假如设计暴雨历时为t日，分别对日，分别对t日暴雨量日暴雨量xt系列和每系列和每次暴雨开始时的次暴雨开始时的Pa与暴雨量与暴雨量xt之和即之和即xt+Pa系列进行频率系列进行频率计算，从而求得计算，从而求得xtp和和(xt+Pa)p，则与设计暴雨相应的设，则与设计暴雨相应的设计计Pa值可由两者之差求得，即值可由两者之差求得，即Pap=(xt+Pa)pxtp当得出当得出PapIm时，则取时，则取Pap=Im。同频率法同频率法 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 扩展暴雨过程法扩展暴雨过程法用得较多；用得较多；经验法经验法取取Pa=Im方法仅适用于湿润地区，在干旱地区包方法仅适用于湿润地区，在干旱地区包气带不易蓄满，故不宜使用。气带不易蓄满，故不宜使用。同频率法同频率法在理论上是合理的，但在实用上也存在一些在理论上是合理的，但在实用上也存在一些问题，它需要由两条频率曲线的外延部分求差，其误问题，它需要由两条频率曲线的外延部分求差，其误差往往很大，常会出现一些不合理现象，例如设计差往往很大，常会出现一些不合理现象，例如设计Pa大于大于Im或或设计设计Pa小于零小于零。方法的比较方法的比较 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 1 1、设计、设计Pa的计算的计算 2 2、产流方案及汇流方案的应用、产流方案及汇流方案的应用 外延问题外延问题 设计暴雨属于稀遇的大暴雨，往往超过设计暴雨属于稀遇的大暴雨，往往超过实测的暴雨很多，在推求设计洪水时，实测的暴雨很多，在推求设计洪水时，必须外延有关的产流、汇流方案必须外延有关的产流、汇流方案。湿润地区的产流方案常采用湿润地区的产流方案常采用P+PaR形式形式的相关图，其关系线上部的斜率的相关图，其关系线上部的斜率dR/dP=1.0，即相关线为，即相关线为45线，外延起线，外延起来比较方便。干旱地区多采用初损后损来比较方便。干旱地区多采用初损后损法，就需要对有关相关图在外延时必须法，就需要对有关相关图在外延时必须考虑设计暴雨的雨强因素的影响。考虑设计暴雨的雨强因素的影响。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 目前采用的流域汇流方案都属于目前采用的流域汇流方案都属于“线性系统线性系统”。在实。在实测暴雨范围内应用这些方案作汇流计算时，其误差一测暴雨范围内应用这些方案作汇流计算时，其误差一般可以控制在容许范围内，当用于罕见的特大暴雨时，般可以控制在容许范围内，当用于罕见的特大暴雨时，线性假定有可能导致相当大的误差。虽然有些人提出线性假定有可能导致相当大的误差。虽然有些人提出了不少的了不少的“非线性系统非线性系统”，但由于受到资料所限，这，但由于受到资料所限，这些方案都还未得到充分认证，不为世人所普遍接受。些方案都还未得到充分认证，不为世人所普遍接受。2 2、产流方案及汇流方案的应用、产流方案及汇流方案的应用 外延问题外延问题 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 在工程设计部门，一般注意汇流方案在特大暴雨条件下的适在工程设计部门，一般注意汇流方案在特大暴雨条件下的适用性，尽量选用用性，尽量选用实测大洪水资料实测大洪水资料分析得到的汇流方案，以期分析得到的汇流方案，以期与设计条件相近，避免外延过远而扩大误差。不少部门的实与设计条件相近，避免外延过远而扩大误差。不少部门的实践经验说明，注意与不注意这一点，会使设计成果出现较大践经验说明，注意与不注意这一点，会使设计成果出现较大的变化。的变化。用一般常遇洪水分析得出的单位线来推算设计洪水，用一般常遇洪水分析得出的单位线来推算设计洪水，与由特大洪水资料分析的单位线推流，成果可能相差很大与由特大洪水资料分析的单位线推流，成果可能相差很大，其差值可达其差值可达20%左右。如果当地缺乏大洪水资料，只好参照左右。如果当地缺乏大洪水资料，只好参照有关汇流方案非线性处理的方法作适当修正，这时需要十分有关汇流方案非线性处理的方法作适当修正，这时需要十分慎重和多方认证分析。慎重和多方认证分析。2 2、产流方案及汇流方案的应用、产流方案及汇流方案的应用 外延问题外延问题 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 如果设计流域缺乏实测降雨径流资料，无法直接分析产如果设计流域缺乏实测降雨径流资料，无法直接分析产流、汇流方案，就得解决移用问题。流、汇流方案，就得解决移用问题。产流方案一般采用产流方案一般采用分区综合方法分区综合方法，如山东省水文手册上，如山东省水文手册上就有适用于不同地区的就有适用于不同地区的1414条次降雨径流相关线，供各个条次降雨径流相关线，供各个分区查用，汇流方案一般采用单位线的结合成果。分区查用，汇流方案一般采用单位线的结合成果。2 2、产流方案及汇流方案的应用、产流方案及汇流方案的应用 外延问题外延问题 8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 例题例题83某中型水库，集水面积为某中型水库，集水面积为341km2，为了防洪，为了防洪复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求P=2%的设计洪水。的设计洪水。解：解：（1）设计暴雨计算）设计暴雨计算 根据本流域洪水涨落较快和水库调洪能力不强的特点，设计根据本流域洪水涨落较快和水库调洪能力不强的特点，设计暴雨的最长统计时段采用暴雨的最长统计时段采用1d。通过点暴雨频率计算及参数的。通过点暴雨频率计算及参数的地区协调，得地区协调，得 mm，Cv=0.58、Cs=3.5Cv，求得，求得P=2%的最大的最大1d的设计点暴雨量为的设计点暴雨量为296mm，而通过动点动面的暴雨，而通过动点动面的暴雨点面关系图，用流域面积点面关系图，用流域面积341km2查图得暴雨点面折减系数为查图得暴雨点面折减系数为0.92，则则P=2%的最大的最大1日面设计暴雨量日面设计暴雨量P面面1p=2960.92=272mm。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 解：解：（1 1）设计暴雨计算设计暴雨计算 例题例题83某中型水库，集水面积为某中型水库，集水面积为341km2，为了防洪，为了防洪复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求P=2%的设计洪水。的设计洪水。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 解：解：（2）设计净雨过程的推求）设计净雨过程的推求用同频率法求得设计用同频率法求得设计Pap值为值为78mm，本流域的，本流域的Im=100mm，降雨损失降雨损失22mm，求得设计净雨过程如下表所示。，求得设计净雨过程如下表所示。例题例题83某中型水库，集水面积为某中型水库，集水面积为341km2，为了防洪，为了防洪复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求复核，根据实测雨洪资料，拟采用暴雨资料来推求P=2%的设计洪水。的设计洪水。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 例题例题83解：解：（2）设计净雨过程的推求）设计净雨过程的推求根据对实测洪水资料分割得来的地下径流过程和净雨过程的分析，根据对实测洪水资料分割得来的地下径流过程和净雨过程的分析，求得本流域的稳定下渗强度为求得本流域的稳定下渗强度为1.5mm/h。由设计净雨过程中扣除地。由设计净雨过程中扣除地下净雨（等于稳渗强度乘以净雨历时）得地面净雨过程（如下表）。下净雨（等于稳渗强度乘以净雨历时）得地面净雨过程（如下表）。其中第一时段的净雨历时其中第一时段的净雨历时tc=7.9/29.96=1.6h，地下净雨，地下净雨h下下=fctc=1.51.6=2.4mm，故第一时段地面净雨为，故第一时段地面净雨为5.5mm，以此类推，以此类推。8-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 解：解：（3）设计洪水过程的推求）设计洪水过程的推求根据实测雨洪资料，分析得大洪水的单位线，如表根据实测雨洪资料，分析得大洪水的单位线，如表8-6中的中的（3）栏。由设计地面净雨过程通过单位线推求，得设计地）栏。由设计地面净雨过程通过单位线推求，得设计地面径流过程，成果如表面径流过程，成果如表 8-6中（中（5）栏所示。）栏所示。把地下径流过程化成等腰三角形出流，其总量等于设计地面把地下径流过程化成等腰三角形出流，其总量等于设计地面径流停止时刻（第径流停止时刻（第13时段），地下径流过程的底长为地面径时段），地下径流过程的底长为地面径流底长的流底长的2倍，即倍，即T下下=2T面面=2136=156h，例题例题838-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 例题例题838-5 8-5 由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水 p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日