由雨量资料推求设计洪水.ppt

研究对象：本章研究如何由暴雨资料推求设计洪水研究内容：1、暴雨资料的选样 2、暴雨资料充分、不充分时如何推求设计暴雨 3、流域设计洪水的计算研究目的：了解由暴雨资料推求设计洪水的方法，掌握不同资料情况下设计暴雨的计算方法和在设计条件下将设计暴雨转化为设计净雨及设计洪水的方法，以解决短缺流量资料时，水库、堤防、桥涵等工程设计洪水的计算问题。掌握小流域设计洪水的计算方法。,第九章 由暴雨资料推求设计洪水,9.1 概述,内容提要：1、为什么要用暴雨资料推求设计洪水 2、用暴雨资料推求设计洪水的基本假设 3、用暴雨资料推求设计洪水的方法步骤,学习要求：掌握在什么条件下用暴雨资料推求设计洪水，由暴雨推求洪水的主要方法步骤。,为什么要由暴雨资料推求设计洪水，即这种方法的适用条件是什么?（1）设计流域实测流量资料不足或缺乏时就有必要研究由暴雨资料推求设计洪水的问题；（2）人类活动破坏了洪水系列的一致性；（3）多种方法互相印证，合理选定；（4）PMP和小流域设计洪水常用暴雨资料推求。,9.1.1 问题的提出,按照暴雨洪水的形成过程，推求设计洪水可分三步进行。推求设计暴雨：用频率分析法求不同历时指定频率的设计雨量及暴雨过程。推求设计净雨：设计暴雨扣除损失就是设计净雨。推求设计洪水：应用单位线法等对设计净雨进行汇流计算，即得流域出口断面的设计洪水过程。主要步骤：暴雨选样；设计暴雨；设计净雨；设计洪水,9.1.2 由暴雨资料推求设计洪水的步骤,基本假定：洪水与暴雨同频率关于设计暴雨，一些研究成果表明，对于比较大的洪水，大体上可以认为某一频率的暴雨将形成同一频率的洪水，即假定暴雨与洪水同频率。因此，推求设计暴雨就是推求与设计洪水同频率的暴雨。,9.1.3 基本假定,设计面暴雨量是指设计断面以上流域的设计面暴雨量。一般有两种计算方法：直接法和间接法直接法：当设计流域雨量站较多、分布较均匀、各站又有长期的同期资料、能求出比较可靠的流域平均雨量时，就可直接选取每年指定统计时段的最大面暴雨量。间接法：另一种方法是当设计流域内雨量站稀少，或观测系列甚短，或同期观测资料很少甚至没有，无法直接求得设计面暴雨量时，只好用间接方法计算，也就是先求流域中心附近代表站的设计点暴雨量，然后通过暴雨点面关系，求相应设计面暴雨量。,9.1.4 推求设计面暴雨量的方法分类,9.2 直接法推求面设计暴雨量,内容提要：1、暴雨资料的收集与审查 2、暴雨资料的选样及特大值处理 3、面暴雨频率计算 4、设计面暴雨量成果的合理性分析,学习要求：掌握暴雨选样、特大暴雨处理、频率计算、成果合理性分析方法。,暴雨资料收集：暴雨资料主要向水文、气象部门刊印的水文年鉴、气象月报收集；也可在主管部门的网站查阅；也可收集特大暴雨图集和特大暴雨的调查资料。暴雨资料的审查：暴雨资料的审查仍然是三个方面：可靠性审查、一 致性审查和代表性审查。暴雨资料的统计选样：选定设计时段T（1）习惯上取单数天，如1、3、7、15天等。（2）设计历时的长短与当地暴雨特性、流域大小、水库调蓄能力与调洪方式有关。（3）选取23个控制时段。选样方法：固定时段选取年最大值法,9.2.1 暴雨资料的收集、审查和统计选样,暴雨资料系列的代表性与系列中是否包含有特大暴雨有直接关系。一般暴雨变幅不很大，若不出现特大暴雨，统计参数、CV往往偏小。若在短期资料系列中，一旦出现一个罕见特大暴雨，就可使原频率计算成果完全改观。判断大暴雨资料是否属于特大值，一般可从经验频率点据偏离频率曲线的程度、模比系数K的大小、暴雨量级在地区上是否很突出，以及论证暴雨的重现期等方面进行分析判断。特大值处理的关键是确定重现期。由于历史暴雨无法直接考证，特大暴雨的重现期只能通过小河洪水调查，并结合当地历史文献有关灾情资料的记载分析估计。一般认为，当流域面积较小时，流域平均雨量的重现期与相应洪水的重现期相近。,9.2.2 特大暴雨的处理,各样本系列选定后，即可按照一般程序进行频率计算，求出各种历时的设计暴雨量。注意特大暴雨的移置和处理,面暴雨量频率计算图,9.2.3 面暴雨量频率计算,(1)统计参数:T长,则 均值大,CV小,注意地区协调。(2)不同历时暴雨频率曲线的对比；(3)与实测大暴雨或邻近地区特大暴雨比较。,9.2.4 设计成果的合理性检查,9.3 间接法推求面设计暴雨量,内容提要：1、设计点暴雨量的计算 2、点面关系的含义及分类 3、动点动面关系包含的假定,学习要求：掌握定点定面关系和动点动面关系 的分 析综合和应用,选择点雨量代表站：点雨量代表站,一般选择流域中心点雨量站或常见暴雨中心的雨量站。选样方法：固定时段独立选取年最大值法。特大暴雨移置：特大暴雨处理与特大洪水处理方法相似。点暴雨频率计算成果合理性分析：点暴雨频率计算成果的合理性分析，除应把各统计历时的暴雨频率曲线绘在一张图上检查，将统计参数、设计值与邻近地区站的成果协调外，还需借助水文手册中的点暴雨参数等值线图、邻近地区发生的特大暴雨记录以及世界点最大暴雨记录进行分析。,9.3.1 设计点暴雨量的计算,当流域面积很小时，可直接把流域中心的设计点雨量作为流域的设计面雨量。对于较大面积的流域，必须研究点雨量与面雨量之间的关系，进而将设计点雨量转化为设计面雨量。（1）定点定面关系定点指流域中心点或其附近有长系列点雨量资料的雨量站，定面是把流域作为固定面，建立固定点雨量和固定面雨量之间的关系，称定点定面关系。对于一次暴雨某种时段的固定点雨量，有一个相应的面雨量，在定点定面条件下，点面折减系数为：a=xF/x0 式中：xF、x0分别为某种时段固定面和固定点的暴雨量。有了若干次某时段暴雨量，则可有若干个值，取其平均值，作为设计计算用的点面折减系数。同样的方法，可求得不同时段的点面折减系数。,9.3.2 设计面暴雨量的计算,（2）动点动面关系 在缺乏暴雨资料的流域上，常以动点动面暴雨点面关系代替定点定面关系。这种关系是按照各次暴雨的中心与暴雨等值线图计算求得，因各次暴雨的中心和暴雨分布都不尽相同，所以称为动点动面关系。动点动面关系的分析方法：在一个水文分区内选择若干次大暴雨资料；绘出各场暴雨各种历时的暴雨等雨深线图；作出各场暴雨的点面关系；取各场暴雨点面关系的平均线作为该区综合的点面关系线。,9.3.2 设计面暴雨量的计算,动点动面暴雨点面关系包含了三个假定:假定设计暴雨的中心一定发生在流域中心；假定设计暴雨的点面关系符合平均的点面关系；假定流域周界与设计暴雨的某一等雨深线相重合。,1、各次实测暴雨2、地区平均暴雨,9.4 设计暴雨时空分配的计算,内容提要：1、典型暴雨的选择原则和方法 2、设计暴雨时程分配的计算 3、设计暴雨的地区分布,学习要求：掌握典型暴雨选择、典型暴雨放大、设计暴雨地区分布的计算方法。,1、选择典型暴雨的原则“可能（代表性）”和“不利”典型暴雨的选取原则，首先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；其次，还要考虑是对工程不利的。所谓比较容易发生，首先是从量上来考虑，应使典型暴雨的雨量接近设计暴雨的雨量；其次是要使所选典型的雨峰个数、主雨峰位置和实际降雨时数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。,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,所谓对工程不利，主要是指两个方面:一是指雨量比较集中，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；二是指主雨峰比较靠后。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。为了简便，有时选择单站雨量过程作典型。例如淮河上游1975年8月在河南发生的一场特大暴雨，简称“758暴雨”，历时5天，板桥站总雨量1451.0mm，其中三天为 1422.4mm，雨量大而集中，且主峰在后，曾引起两座大中型水库和不少小型水库失事。因此，该地区进行设计暴雨计算时，常选作暴雨典型。,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,2、选择典型暴雨的方法(1)从设计流域年最大雨量过程中选择(2)资料不足时，可选用流域内或附近的点雨量过程(3)无资料时，可查水文手册或各省暴雨径流查算图表，选用地区综合概化的典型暴雨过程。,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,3、放大方法典型暴雨过程的缩放方法与设计洪水的典型过程缩放计算基本相同，一般均采用同频率放大法。,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,例：已求得某流域百年一遇1d、3d、7d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，其暴雨过程如下表。按同频率控制放大法推求设计暴雨过程。,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,9.4.1 设计暴雨时程分配的计算,水库或梯级水库承担下游防洪任务时，需要拟定流域上各分区的洪水过程，因此需要给出设计暴雨在流域上的分布。其计算方法与设计洪水的地区组成计算方法相似。,9.4.2 设计暴雨的地区分布,在推求防洪断面B以上流域的设计暴雨时，必须分成两部分，一部分来自防洪水库A以上流域的暴雨，另一部分来自AB区间上的暴雨。实际工作中，一般先对已有实测大暴雨资料的地区组成进行分析，了解暴雨中心经常出现的位置，并统计A库以上和区间暴雨所占的比重等，作为选择设计暴雨地区分布的依据，再从工程规划设计的安全与经济考虑，选定一种可能出现且偏于不利的暴雨面分布形式，进行设计暴雨的模拟放大。,9.4.2 设计暴雨的地区分布,9.5 由设计暴雨推求设计洪水,内容提要：1、由设计暴雨推求设计净雨 2、由设计净雨推求设计洪水 3、设计暴雨的前期流域蓄水量W 或前期影响雨量Pa计算,学习要求：掌握设计情况下产汇流计算方案的拟定、前期影响雨量Pa计算和流域汇流计算。,1、拟定产流计算方案 设计流域到底应选择什么样的产流计算方法，应根据本流域的特点、资料情况、过去的经验和设计上的要求等进行考虑。例如对于南方湿润多雨地区，多采用前期流域蓄水量为参数的降雨径流相关图法。为了容易向设计条件外延，多采用蓄满产流模型。但也有不少单位应用初损后损法，认为该法能保证设计的精度。（1）流域水文模型（2）暴雨径流相关图法（3）初损后损法,9.5.1 由设计暴雨推求设计净雨,2、确定设计暴雨的前期流域蓄水量W或前期影响雨量Pa（1）经验法 因Pa变化在0Im之间，设计情况下取：Pa,P=KIm 式中：K=01.0，设计标准较高的湿润地区K=1.0，一般K=0.50.8；设计标准较低的干旱地区K=0。例如黑龙江省取0.570.79，陕西省取0.230.67，湖北、湖南、浙江省取0.75。,9.5.1 由设计暴雨推求设计净雨,（2）扩展设计暴雨过程法 在拟定设计暴雨过程时，加长暴雨历时，增加暴雨的统计时段，把核心暴雨前面一段也包括在内。例如，原设计暴雨采用1、3、7日3个统计时段，现增长到30日，即增加15、30日2个统计时段。分别作上述各时段雨量频率曲线，选暴雨核心偏在后面的30日降雨过程作为典型，而后用同频率分段控制缩放得到7日以外30以内的设计暴雨过程。后面7日为原先缩放好的设计暴雨核心部分，是推求设计洪水用的。前面23日的设计暴雨过程用来计算7时设计暴雨发生时的Pa值。,9.5.1 由设计暴雨推求设计净雨,（3）同频率法 对于某统计历时，在从实测暴雨资料摘录年最大暴雨量x时，还同时计算x的前期影响雨量Pa，并求出(x+Pa)，于是有x和(x+Pa)两个系列，通过频率计算，由前者求得设计暴雨量P，由后者求得同频率的(x+Pa)P，则设计暴雨相应的Pa，为对以蓄满产流为主的湿润地区，同频率法和扩展设计暴雨法都比较好，但计算工作量都很大。Im折算法最简便，经验性强，有不少单位使用。,9.5.1 由设计暴雨推求设计净雨,3、推求设计净雨过程 根据设计的Pa,p和拟定好的产流计算方案，便可像由实际暴雨推求净雨一样，将设计暴雨过程转化为设计净雨过程。但必须注意:设计暴雨，尤其是可能最大暴雨往往比实测的暴雨大得多，因此应用降雨地面径流相关图法和初损后损法时，将有一个向设计条件外延的问题。此时应结合产流机制和本地区的实测特大暴雨洪水资料进行分析，将产流方案外延到设计暴雨或可能最大暴雨的情况，然后再求设计地面净雨或可能最大地面净雨。若应用蓄满产流计算方案则无此问题。,9.5.1 由设计暴雨推求设计净雨,将设计净雨转化为设计洪水的步骤大体是（1)拟定地面汇流计算方案，一般采用单位线法作汇流计算。（2)按拟定的地面汇流计算方案，计算设计地面净雨的地面径流过程，R(t)Q(t)（3)选定地下径流汇流计算方案，计算设计地下净雨的地下径流过程，Rg(t)Qg(t)（4)将设计的地面径流过程与设计的地下径流过程迭加，即得设计洪水过程线。Q(t)=Q(t)+Qg(t),9.5.2 由设计净雨推求设计洪水,例题：某流域集水面积F=3360km，为解决下游灌溉、防洪问题，拟在流域出口处建一大型水库，为此，需要推求该处百年一遇设计洪水。根据该流域实测资料情况，不可能由流量资料直接推求设计洪水。现实可行的途径是采用由暴雨资料推求设计洪水。计算步骤：1、设计暴雨的推求 该流域降水资料充分，直接按面雨量系列计算1日和3日设计面雨量，然后按1993年暴雨典型同频率控制放大，得3日设计暴雨过程。,9.5.2 由设计净雨推求设计洪水,2、设计净雨的推求（1）由5年同期观测的降雨径流资料分析，得出该流域降雨地面径流相关图（x+Pa）RS，分析得流域平均蓄水容量Im=100mm，流域蓄水量日消退系数K=0.95。（2）设计Pa按Im用经验法确定。根据当地经验，取r=0.8，故百年一遇设计暴雨得Pa,1%=1000.8=80mm。（3）根据（x+Pa）RS相关图和设计暴雨得Pa,1%，计算设计净雨。,9.5.2 由设计净雨推求设计洪水,3、推求设计洪水过程线（1）选定地面汇流计算方案：根据5年同期降雨径流资料，分析得到9次大 暴雨的时段的线。最后按照设计净雨的大小及暴雨中心位置，从中选定用以推求设计洪水的12h10mm单位线。（2）计算地面径流过程：根据选定的单位线，按单位线倍比假定，求得各时段地面净于产生的地面径流过程。把同时刻的流量相加，得总得地面径流过程。（3）计算地下径流过程：根据过去实测洪水分析，基流所占比重不大，基流平均流量为80m3/s，以此作为设计洪水的地下径流过程。（4）计算设计洪水过程线：将总的地面径流过程河地下径流过程相加，得设计洪水过程线。,9.5.2 由设计净雨推求设计洪水,9.6 小流域设计洪水的计算,内容提要：1、小流域的定义及其特点 2、小流域设计暴雨的计算 3、小流域设计洪水计算方法,学习要求：掌握小流域设计暴雨的计算，推理公式法和经验公式法计算设计洪峰流量的方法。,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。小流域设计洪水计算，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问题进行研究。,9.6.1 概述,小流域设计洪水计算的主要特点是：绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没有。小流域面积小，自然地理条件趋于单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化的假定。例如假定短历时的设计暴雨时空分布均匀。小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，在保持一定精度的前提下，将力求简便，一般借助水文手册即可完成。小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因此对设计洪峰流量的要求，高于对洪水过程线的要求。,9.6.1 概述,小流域设计洪水的计算方法概括起来有4种：推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法和综合单位线法。其中应用最广泛的是推理公式法和经验公式法。它们的思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨设计净雨设计洪水的顺序进行计算。,9.6.1 概述,针对小流域资料缺乏的特点，设计暴雨推求常采用以下步骤：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）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24h设计暴雨量等；将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量；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。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,1、统计历时的设计暴雨计算 由各省区的暴雨径流查算图表和水文手册查取。例如广东省1988年印发的暴雨径流查算图表中，就提供了7d、3d、24h、6h、1h及10min的暴雨参数等值线图，Cs/Cv值全省统一用3.5。据此，便可由设计流域中心点位置查出那里的某统计历时暴雨的均值、Cv 及Cs/Cv，进而求得该统计历时设计频率的雨量。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,2、用暴雨公式计算任一历时的设计雨量 前面推求的设计暴雨量为特定历时（24、6、1h等）的设计暴雨，而推求设计洪峰流量时需要给出任一历时的设计平均雨强或雨量。通常用暴雨公式，即暴雨的强度历时关系将年最大24h设计暴雨转化为所需历时的设计暴雨，目前水利部门采用：式中：at,P为历时为t、频率为P的平均暴雨强度，mm/h；SP为t=1h的平均雨强，俗称雨力，mm/h；n为暴雨参数或称暴雨递减指数；xt,P为频率为P、历时为t的暴雨量，mm。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,暴雨指数可通过图解法来确定。对上式两边取对数，在对数格纸上，lgat,p与lgt为直线关系，即lgat,p=lgSP-nlgt，参数n为直线的斜率，t=1h的纵坐标读数就是SP。该图在t=1h处出现明显的转折点，当t1h时，则n=n2。暴雨指数n对各历时的雨量转换成果影响较大，如有实测暴雨资料分析得出能代表本流域暴雨特性的n值最好。小流域多无实测暴雨资料，需要利用n值反应地区暴雨特征的性质，将本地区由实测资料分析得出的n(n1,n2)值进行地区综合，绘制n值分区图，供无资料流域使用。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,SP值可根据各地区的水文手册，查出设计流域的x24、Cv，计算出x24,P，然后利用上式得到。如地区水文手册已有SP等值线图，直接利用。SP和n值确定以后，即可用暴雨公式进行不同历时暴雨间的转换。24h雨量x24,P转换为th的雨量xt,P，可以先求1h雨量x1,P(SP)，再由SP转换为n h雨量。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,因为则,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,3.设计面雨量计算 按上述方法所求得的设计流域中心点的各种历时的点暴雨量，需要转换成流域平均暴雨量，即面暴雨量。各省（自治区、直辖市）的水文手册中，刊有不同历时暴雨的点面关系图或点面关系表，可供查用。4.设计暴雨的时程分配 在用综合单位线推求小流域设计洪水中，需要计算设计暴雨过程。这时常采用分区概化时程分配雨型来推求。,9.6.2 小流域设计暴雨的计算,推理公式法是基于暴雨形成洪水的基本原理推求设计洪水的一种方法 推理公式法的基本原理 推理公式法计算设计洪峰流量是联解如下一组方程,9.6.3 推理公式法计算设计洪峰流量,计算中涉及三类共7个参数，即流域特征参数F、L、J；暴雨特征参数SP、n；产汇流参数、m。为了推求设计洪峰值，首先需要根据资料情况分别确定有关参数。对于没有任何观测资料的流域，需查有关图集。从公式可知，洪峰流量Qm和汇流时间互为隐函数，而径流系数对于全面汇流和部分汇流公式又不同，因而需有试算法或图解法求解。,9.6.3 推理公式法计算设计洪峰流量,应用实例：江西省流域上需要建小水库一座，要求用推理公式法推求百年一遇设计洪峰流量。计算步骤如下：1、流域特征参数F、L、J的确定 F=104km2，L=26km，J=8.75 2、设计暴雨特征参数n和SP的确定 暴雨衰减指数n由各省（区）实测暴雨资料分析定量，查当地水文手册即可获得，一般n的数值以定点雨量资料代替面雨量资料，不作修正。,9.6.3 推理公式法计算设计洪峰流量,从江西省水文手册中查得设计流域最大1日雨量得统计参数为：,9.6.3 推理公式法计算设计洪峰流量,3、产汇流参数、m的确定 可查有关水文手册，本例查得的结果是=3.0mm/h、m=0.70。4、利用迭代法求设计洪峰流量（1）采用全面汇流公式计算，即假定tc。将有关参数代入下式（2）假定一个值，代入上式求出QmP值，再由QmP计算出第2个，比较两次所得到的值的差，如果绝对值差一定误差范围内，例如0.01内，则认为此时的即为所求。检验tc是否大于。此例中计算得到的Qmp=510m3/s，=10.55h。,9.6.3 推理公式法计算设计洪峰流量,根据一个地区内有水文站的小流域实测和调查的暴雨洪水资料，直接建立主要影响因素与洪峰流量间的经验相关方程。1、以流域面积为参数的地区经验公式 QmP=CPFn 式中：QmP为设计洪峰流量；F为流域面积；n为经验指数；CP为随地区和频率而变化的综合系数，可在各省区的水文手册中查到。,9.6.4 经验公式法计算设计洪峰流量,2、包含降雨因素的多参数地区经验公式 例如安徽省山丘区中小河流洪峰流量经验公式为 式中：R24，p为设计频率为p的24h净雨量，mm；C为地区经验系数。该省把山丘区分为4种类型，即深山区、浅山区、高丘区、低丘区，其C值分别为0.0541、0.0285、0.0239、0.0194。24h设计暴雨P24,p按等值线图查算，并通过点面关系折算而得。设计净雨按下式计算：深山区 R24,p=P24，p-30 浅山区、丘陵区 R24,p=P24,p-40,9.6.4 经验公式法计算设计洪峰流量,