工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件

第七章第七章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水 第一节第一节 概述概述一、适用条件一、适用条件1.流量资料不足或代表性差。2.资料缺乏一致性。3.多种方法相互论证。4.无资料区小流域设计洪水计算。5.可能最大洪水是用暴雨资料推求的。第七章 由暴雨资料推求设计洪水 1二、由暴雨资料推求设计洪水主要内容：二、由暴雨资料推求设计洪水主要内容：1.1.推求设计暴雨推求设计暴雨根据实测暴雨资料，用统计分析统计分析和典型放大法典型放大法求得。2.2.推求设计净雨推求设计净雨由求得的设计暴雨，利用产流方案产流方案推求设计净雨设计净雨。二、由暴雨资料推求设计洪水主要内容：2 3.推求设计洪水过程线推求设计洪水过程线利用流域汇流方案由设计净雨过程流域汇流方案由设计净雨过程推求设计洪水过设计洪水过程。程。基本假定基本假定：设计暴雨与设计洪水同频率设计暴雨与设计洪水同频率。3设计暴雨设计暴雨出口河网设计净雨设计净雨 设计洪水过程线设计洪水过程线 Q Q（t t）产流方案产流方案汇流方案汇流方案推求设计洪水过程示意图推求设计洪水过程示意图设计暴雨出口河网设计净雨 设计洪水过程线 Q（t）产流方案汇4 第二节第二节 设计面暴雨量的推求设计面暴雨量的推求 设计面暴雨量设计面暴雨量：指指设计断面以上流域设计断面以上流域的设计面暴雨量。的设计面暴雨量。计算方法：计算方法：设计面暴雨量的设计面暴雨量的直接计算直接计算 设计面暴雨量的设计面暴雨量的间接计算间接计算 第二节 设计面暴雨量的推求5 一、设计面暴雨量的直接计算一、设计面暴雨量的直接计算 方法：方法：直接直接选取每年指定统计时段指定统计时段的最大面暴雨量，进行频率计算频率计算求得指定时段设计面暴雨量。指定时段设计面暴雨量。资料要求资料要求：雨量站多、分布较均匀、各站又有较长期的同期资料，能求出比较可靠的流域平均面雨量。流域平均面雨量。6 1、资料的收集、审查与暴雨资料的统计选样资料的收集、审查与暴雨资料的统计选样 资料的收集资料的收集 来源来源：主要为雨量站网观测雨量站网观测资料。注意强度特大暴雨。暴雨资料的审查暴雨资料的审查 资料类型资料类型：日雨量资料、自记雨量资料、分段雨量资料。1、资料的收集、审查与暴雨资料的统计选样7可靠性：重点：特大或特小雨量观测记录。代表性 与邻近地区长系列雨量或其他水文资料，以及本流域或邻近流域实际大洪水资料对比分析。一致性 通过统计与成因两方面进行。不同类型暴雨分别考虑。可靠性：8选定面雨量计算方法选定面雨量计算方法计算每年各次大暴雨计算每年各次大暴雨的逐日面雨量的逐日面雨量选定不同选定不同统计时段统计时段统计逐年不同统计逐年不同时段年最大面雨量时段年最大面雨量年最大值法样本样本暴雨资料的统计选样1 1、3 3、7 7、1515、3030日日选定面雨量计算方法计算每年各次大暴雨的逐日面雨量选定不同统计9 例例7-1 7-1 ：某流域有3个雨量站，分布均匀，可按算术平均法计算面雨量，统计某一年份不同时段雨量。过程：计算该年份逐日面降雨量 采用年最大值法统计不同时段降雨量。例7-1 ：10 时段选取：对于大、中流域的暴雨统计时段：我国一般取1、3、7、15、30日，其中1、3、7日暴雨是一次暴雨的核心部分，直接形成所求的设计洪水 部分，而统计更长是为了分析计算起始时刻的流域蓄水量。工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件11某流域不同时段年最大雨量统计表时间（月、日）点雨量面平均雨量最大1、3、7日面雨量及起讫日期A站B站C站6.305.30.21.8 7 7月月4 4日日为年最大1日：X1日=128.8mm=128.8mm8 8月月22228 8月月2424日日8 8月月为年最大3日：X X3 3日日=165.5mm=165.5mm7 7月月1 1日日7 7日日为年最大7日：X X7 7日日=234.0mm=234.0mm。7.150.426.625.334.1 7.27.311.510.814.712.3 7.4134.8125.9124128.2 7.532.521.41021.3 7.65.610.54.76.9 7.735.525.227.629.4 7.83.77.11.44.1 7.911.15.89.78.9 8.186.60.26.94.6 8.1922.72.45.410.2 8.20.0 8.218.2242.651.754.849.7 8.2360.168.653.560.7 8.2481.854.132.356.1 8.252.310.11.1 某流域不同时段年最大雨量统计表时间 点雨量面平均最大1、3、122 2、面降雨量资料的插补展延1950196019701980利用近期雨量：X多 X少2、面降雨量资料的插补展延1950196019701980利13 3 3、特大值的处理 系列中是否含有特大暴雨直接影响系列的代表性。一般暴雨变幅不很大，若不出现特大暴雨，统计参数均值、Cv往往会偏小，但加入特大暴雨，未作特大暴雨处理，又会使统计参数偏大。3、特大值的处理14 例例7-2 ：福建长汀县四都站，根据1972年以前最 大一日雨量系列计算：据此求得：15工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件16 （1）特大值的判断 经验频率点据明显偏离曲线。模比系数大，暴雨的量级突出。河北：63.8，河南：75.8，内蒙：77.8.（2）特大值重现期的确定 一般认为，当流域面积较小时，流域平均面雨量的重现期与相应洪水重现期相近。（1）特大值的判断17 4、面雨量频率计算 适线法：经验频率（期望值公式）、线型（P-型）。Cv0.6，Cs3.0Cv；Cv Wm ，则取Pa=Wm 土壤含水量W0(前期影响雨量Pa)的计算K：0.47 流域最大蓄水量 Wm 和消退系数K 流域最大蓄水量 Wm 采用蓄满产流模型，用实测资料分析率定（参考有关资料）。采用实测雨洪资料分析确定：取若干次洪水，其前期十分干旱（Pa 0），），降雨量相当大，达到全流域蓄满产流，取各次洪水损失的最大值。损失损失=降雨径流降雨径流 流域实际蓄水量在0 Wm之间变化。湿润地区80140mm。流域最大蓄水量 Wm 和消退系数K48 消退系数K：消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。流域蒸散发取决于：流域蒸散发能力，流域供水条件，即流域蓄水量。计算公式：计算公式：流域蒸发能力：Em=E0：消退系数K：流域蒸发能力：Em=E0：49 例例7-47-4：前期影响雨量Pa的计算(Wm=100mm)Wm 例7-4：前期影响雨量Pa的计算(Wm=100mm)Wm50PPaR三变量相关图三变量相关图：PPaR三变量相关图：51两时段降雨两时段降雨P1=49mmP2=81mm降雨开始时降雨开始时Pa=60mm由P1=49mm,查得查得R1=20.0mm由P1+P2=130mm,查得查得R1+R2=80.0mm则第二时段净雨则第二时段净雨R2=80-20=60mm三变量相关图的应用：两时段降雨P1=49mmP2=81mm降雨开始时Pa=60m52降雨径流相关图也可简化为降雨径流相关图也可简化为P+Pa R 关系关系：降雨径流相关图也可简化为P+Pa R 关系：53 地面净雨、地下净雨的划分 划分原理 蓄满产流只有在包气带蓄满后才产流，此时的下渗率为稳定下渗率fc。根据产汇流理论，利用下式可将各时段净雨h(等于径流R）划分为地面净雨、地下净雨：其中：地面净雨、地下净雨的划分其中：54其中：净雨大于稳定入渗，净雨应包含由稳定入渗形成的地下净雨和地面净雨。其中：净雨大于稳定入渗，净雨应包含由稳定入渗形成的地下净55 fc 推求：利用实测的降雨、径流资料推求：分割次降雨流量过程，得降雨对应的径流和地下径流，即得一次降雨P、R、Rg 关系。雨前土壤含水量：W0(Pa)=R+Wm P，然后进行产流计算得产流过程R(t)，即净雨过程。根据上述公式采用试算法求 fc。fc 推求：56 例例7-57-5：某流域一次降雨径流过程，利用三变量相关图求得各时段产流量如下表，分割流量过程线得总径流量、地下径流量118.1mm、38.1mm，推求稳定下渗率 f c。某流域一次降雨过程及各时段产流量某流域一次降雨过程及各时段产流量时段序号降雨历时(h)P(mm)h(mm)1614.57.6244.63.73644.444.44646.546.55614.814.8611.11.1总计118.1（38.1）例7-5：某流域一次降雨径流过程，利用三变量相关图57先假设f c=2.0mm/h，有：再设fc=1.6mm/h，有：与38.1mm相近，因此，确定该场洪水的fc=1.6mm/h。hg=47.1mmhg=38.6mm先假设f c=2.0mm/h，有：再设fc=158稳定下渗率fc计算表时段序号降雨历时(h)P(mm)h(mm)fc=2.0mm/hfc=1.6mm/hhg(mm)hg(mm)1614.57.60.524 6.3 6.3 5.05.0 244.63.70.804 8.0 3.7 5.13.73644.444.41.000 12.0 12.09.6 9.6 4646.546.51.000 12.0 12.09.6 9.6 5614.814.81.000 12.0 12.0 9.69.6 611.11.11.000 2.0 1.1 1.61.1总计118.147.1 38.6 稳定下渗率fc计算表时段序号降雨历时(h)P(mm)h(m59 设计净雨的推求 设计面暴雨+设计Pap推求径流深，该径流深等于设计净雨，划分径流过程得设计地面、地下净雨。设计Pap的计算：设计条件下的土壤含水量即设计Pa。取设计Pap=Pap=Wm m 雨水充沛，土壤湿润。设计净雨的推求603030日设计暴雨过程日设计暴雨过程 扩展暴雨过程法30日设计暴雨过程 扩展暴雨过程法61 同频率法 当得出Pap Wm时，则取Pap=Wm。上述三种方法中，扩展暴雨过程法用得较多，第一中方法仅适用于湿润地区。同频率法往往误差较大，常出现一些不合理得现象。同频率法62 二、初损后损法产流量计算 超渗产流概念 在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，所以不产生地下径流，并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产流。63超渗产流示意图初渗阶段，降雨全部损失不稳定下渗、稳定下渗阶段产流量超渗产流示意图初渗阶段，不稳定下渗、稳定下渗阶段产流量64初损阶段：历时为t0。降雨损失I0，不产流。后损阶段：损失按平均下渗能力来计算：+P P超渗产流的产流量计算初损阶段：历时为t0。降雨损失I0，不产流。后损阶段：损失按65 初损量I0的确定：小流域:径流过程的起涨点以前的累积雨量可以作为初损的近似值。大流域:则要考虑流域内各雨量站至流域出口断面汇流时间不同的问题。分别确定各自的产流开始时刻，再确定初损。初损量I0的确定：66 实际工作中：常根据各次降雨初损I0、土壤含水量Pa，以月份（M）为参数绘Pa M I0相关图以备设计时查用。I0（mm)4567M（月份)Pa M I0相关图 实际工作中：常根据各次降雨初损I0、土壤含水量P67或绘Pa i I0相关图或绘Pa i I0相关图68 平均后损率 对多次降雨资料分析，确定平均后损率f。一次降雨形成的径流深R:因此:平均后损率因此:69 例7-6：某次实测降雨过程，降雨开始 Pa.0=15.4mm，推求净雨过程。已知：根据当地Pa M I0相关图得:I0=31.0mm,多次降雨资料分析确定的流域平均后损率为1.5mm/h。例7-6：某次实测降雨过程，降雨开始 Pa.0=70初损后损法求净雨深计算表日时P(mm)I0(mm)f t(mm)h(t)(mm)1.361.21.26917.817.89123612.0（1h)3(2h)21.0 12158.84.54.3 15185.44.50.9 21247.74.53.2 18221.91.90.0 合计78.83129.4初损后损法求净雨深计算表日时P(mm)I0(mm)f 71 第六节 设计洪水过程线推求 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。设计洪水过程线推求：即由设计净雨（地面、地下净雨）通过流域汇流推求设计洪水过程线。第六节 设计洪水过程线推求72 一、等流时线法汇流计算 基本概念概念 流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间，称为汇流时间（）。流域汇流时间用m表示。将流域上汇流时间相等的点子连成一条曲线，就是等流时线。两条相邻等流时线间的面积称为等流时面积（f1、f2、f3、.）。一、等流时线法汇流计算73 两个时段（两个时段（2 2 t)t)、净雨、净雨(h(h1 1、h h2 2)、3 3个等流时面个等流时面积（积（f f1 1、f f2 2、f f3 3)形成的地面径流过程分析形成的地面径流过程分析：两个时段（2 t)、净雨(h1、h2)、3个等流时74工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件75一般的：一般的：76 二、经验单位线汇流计算 单位线意义及基本假定 定义 一个单位时段内，某一特定流域上均匀分布的单位地面净雨深，在流域出口断面形成的地面径流过程线。二、经验单位线汇流计算77 单位净雨深：一般取为10mm。单位时段t:可取1、3、6、12、24h等等，依流域大小而定。单位净雨深：78 倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k 个单位，则形成的流量过程是单位线纵坐标的 k 倍。单位线基本假定 倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k 79 叠加假定：如果净雨不是一个时段而是m个时段，则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开相加。80Q=Q1+Q2+Q3Q=Q1+Q2+Q381 单位线的推求 方法：利用实测降雨径流资料推求。选择时空分布较均匀，历时较短的降雨形成的单峰洪水。步骤：根据流量过程线求地面径流过程。利用降雨资料，推求地面净雨。根据地面净雨及其对应的地面径流过程线推求单位线。单位线的推求82 例7-7：已知某流域实测流量资料分割后的地面径流过程以及推算出的地面净雨过程(如下表)，分析单位线。83 单位线分析计算表时间(月.日.时)地面径流量(m3/s)净雨深(mm)净雨15.7mm产生的径流量(m3/s)净雨5.9产生的径流量(m3/s)单位线纵坐标(m3/s)修正后单位线纵坐标(m3/s)单位线时段数(12h)9.24.9000 0 09.24.2112015.7120076 76 19.25.92755.9230 45 146 146 29.25.21737651 86 415 415 39.26.91065821 244 523 523 49.26.21840532 308 339 345 59.27.9575375 200 239 241 69.27.21389248 141 158 157 79.28.9261168 93 107 110 89.28.21180117 63 74 73 99.29.912884 44 54 52 109.29.219563 32 40 42 119.30.97349 24 31 37 129.30.215537 18 23 31 1310.1.94026 14 17 26 1410.1.212919 10 12 21 1510.2.91912 7 8 16 1610.2.21128 4 5 10 1710.3.963 3 2 5 1810.3.2110 1 0 0 1910.4.90020合计2269 2326 单位线径流深(mm)9.8 10.0 单位线分析计算表时间(月.84时段(12h)流量(m3/s)051015200100200300400500600-100某流域单位线某流域单位线修正前单位线修正后单位线工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件85 单位线时段转换 单位线应用时，往往因实际降雨历时和已知单位线的时段长不相符合，不能任意移用；例如：降雨记录只有四段制的，即每6小时观测一次，由此可分析得6h单位线，但实际上则需3h的单位线，就要将6小时单位线转换为3小时单位线。最常用的方法是S曲线法。单位线时段转换86 S曲线概念：假定流域上净雨持续不断，且每时段净雨均为一个单位，在流域出口断面形成的流量过程线。S曲线概念：87工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件88 单位线时段转换：将已知时段为t0的单位线q（t0，t）转换为时段为t的单位线q（t，t）。步骤：将S（t）曲线向右平移t，得另一条起始时刻迟t 的S（t-t）曲线，单位线时段转换：89工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件90 两条S曲线纵坐标相减S（t）-S（t-t），代表t 时段降雨量为 的净雨形成的流量过程线。根据倍比假定：两条S曲线纵坐标相减S（t）-S（t-t），91工程水文学由暴雨资料推求设计洪水课件92 例7-8：将时段为6h的单位线转换为时段为3h和9h的单位线。步骤：步骤：求S（t）曲线。单位线转换。例7-8：将时段为6h的单位线转换为时段为3h和9h的单93S曲线计算表原单位线(t0=6h)S曲线时序 q(t)00 01760 762209760 2853616 209 760 9014489 616 209 760 13905356 489 616 209760 17466235 356 489 616 20976019817160 235 356 489 616 209 76021418110 160 235 356 489 616 209 7602251978110 160 235 356 489 616209 7602329105078 110 160 235 356 489616 209760237911355078 110 160 235 356489 616 20976024141223355078110 160 235356 489 616 2097602437131223355078110 160235 356 489 616 20976024491401223355078 110160 235 356 489 616209760244901223355078 110 160 235 356 489616209762449012233550 78 110 160 235 3564896162090122335 5078110 160 23535648961601223 355078110 160235356489S曲线计算表原单位线(t0=6h)94不同时段单位线转换计算表 时间原单位线(t0=6h)S(t)S(t-3)S(t)-S(t-3)单位线(t=3h)S(t-9)S(t)-S(t-9)单位线(t=9h)时序q(t)时序q(t)时序q(t)0000000003250251506176762551210291557679315801551103 1222092851551304260252601550028521554307642418361690150040168021557462497 2111619012607520285876244489139011612298458500890271585139019593909016843456 30535617461585161103221161585331883174613711274139049336623519811883981219615853964264 39206619818513170174632042716021412066751415018832584522042141631512619812235149 4881102251220447169420661855122962251451790214115554978232922963318662204125683 57235823292919582251107601050237923582120422296836324002379212142232971747 6611352414240014222823585669242824141423282379497212232437242892418240037825 7524452437825162414317813122449244542682428218124492449027024371298 841402449244902445487244924490244909024492449024490100 不同时段单位线转换计算表 时间原单位线(t0=6h)S(t95 单位线应用 例7-9：已知设计净雨、单位线，推求设计洪水过程线。单位线应用96由单位线推求设计洪水过程线时间（h）设计净雨（mm）单位线（m3/s）部分地面径流（h/10q（t）地面径流（m3/s）设计地下径流（m3/s）设计洪水流量（m3/s）h1=155.2mmh2=93.6mm h3=76.7mm h4=42.8mm（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）000 0 2020 6155.25.687 0 87 20107 1293.624.7383 52 0 436 20456 1876.778.31215 231 43 0 1489 201509 2442.830466 733 189 24 1412 201432 3020310 281 601 106 1297 201317 3613.5210 187 230 335 962 20982 429140 126 153 128 548 20568 486.195 84 104 86 368 20388 544.570 57 69 58 254 20274 603.453 42 47 39 180 20200 662.742 32 35 26 134 20154 722.133 25 26 19 103 20123 781.625 20 21 15 80 20100 841.219 15 16 12 61 2081 900.812 11 12 9 45 2065 960.58 7 9 7 31 2051 1020.23 5 6 5 19 2039 10800 2 4 3 9 2029 1140 2 2 4 2024 1200 1 1 2021 1260 0 2020 由单位线推求设计洪水过程线时间设计净雨（mm）单位线（m3/97