工程水文及水利計(jì)算第17講課件

工程水文及水利計(jì)算門寶輝可再生能源學(xué)院提綱第一章緒論第二章水循環(huán)及徑流形成第三章水文資料的觀測(cè)、收集與處理

第四章水文統(tǒng)計(jì)基本知識(shí)第五章設(shè)計(jì)年徑流及徑流隨機(jī)模擬（分3講）第六章由流量資料推求洪水（分3講）第七章流域產(chǎn)、匯流計(jì)算（分4講）第八章由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水（分3講）第九章水文預(yù)報(bào)第十章水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算（分2講）第十一章水電站的水能計(jì)算（分2講）第十二章水庫(kù)防洪計(jì)算（分2講）第八章目錄第八章由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水8-1概述8-2直接法推求設(shè)計(jì)面暴雨量8-3間接法推求設(shè)計(jì)面暴雨量8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水8-6小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

方法：典型暴雨同倍比放大法和同頻率放大法。有實(shí)測(cè)資料情況下

（1）要考慮所選典型暴雨的分配過程應(yīng)是設(shè)計(jì)條件下比較容易發(fā)生的；（2）要考慮是對(duì)工程不利的。1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

典型暴雨過程的選擇和概化

比較容易發(fā)生首先是從量上來考慮，應(yīng)使典型暴雨的雨量接近設(shè)計(jì)暴雨的雨量；其次是要使所選典型的雨峰個(gè)數(shù)、主雨峰位置和實(shí)際降雨時(shí)數(shù)是大暴雨中常見的情況，即這種雨型在大暴雨中出現(xiàn)的次數(shù)較多。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

所謂對(duì)工程不利一是指雨量比較集中，例如七天暴雨特別集中在三天，三天暴雨特別集中在一天等；二是指主雨峰比較靠后。這樣的降雨分配過程所形成的洪水洪峰較大且出現(xiàn)較遲，對(duì)水庫(kù)安全將是不利的。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

所謂對(duì)工程不利例如淮河上游1975年8月在河南發(fā)生的一場(chǎng)特大暴雨，簡(jiǎn)稱“75·8暴雨”，歷時(shí)5天，板橋站總雨量1451.0mm，其中3天為1422.4mm，雨量大而集中，且主峰在后，曾引起兩座大中型水庫(kù)和不少小型水庫(kù)失事。因此，該地區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算時(shí)，常選作暴雨典型。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

無實(shí)測(cè)資料情況下可借用鄰近暴雨特性相似流域的典型暴雨過程，或引用各?。▍^(qū)）暴雨洪水圖集中按地區(qū)綜合概化得出的典型概化雨型（一般以百分比表示）來推求設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

選定了典型暴雨過程后，就可用同頻率設(shè)計(jì)暴雨量控制方法，對(duì)典型暴雨分段進(jìn)行縮放。不同時(shí)段控制放大時(shí)，控制時(shí)段劃分不宜過細(xì)，一般以1、3、7d控制。對(duì)暴雨核心部分24h暴雨的時(shí)程分配，時(shí)段劃分視流域大小及匯流計(jì)算所用的時(shí)段而定，一般取2、4、6、12、24h控制。

設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配計(jì)算

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

1、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配的計(jì)算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設(shè)計(jì)暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對(duì)流域內(nèi)各次大暴雨資料分析比較后，選定暴雨核心部分出現(xiàn)較遲的1993年的一次大暴雨作為典型，其暴雨過程如表。按同頻率控制放大法推求設(shè)計(jì)暴雨過程。

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設(shè)計(jì)暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對(duì)流域內(nèi)各次大暴雨資料分析比較后，選定暴雨核心部分出現(xiàn)較遲的1993年的一次大暴雨作為典型，其暴雨過程如表。按同頻率控制放大法推求設(shè)計(jì)暴雨過程。

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設(shè)計(jì)暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對(duì)流域內(nèi)各次大暴雨資料分析比較后，選定暴雨核心部分出現(xiàn)較遲的1993年的一次大暴雨作為典型，其暴雨過程如表。按同頻率控制放大法推求設(shè)計(jì)暴雨過程。

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

[例題8—2]某流域百年一遇各種時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨量如表所示。

選定的典型暴雨日程分配和設(shè)計(jì)暴雨日程分配計(jì)算見下表。

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

選定的典型暴雨日程分配和設(shè)計(jì)暴雨日程分配計(jì)算見下表。8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

最大24h設(shè)計(jì)及典型暴雨的時(shí)程分配見下表。8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

在推求防洪斷面B以上流域的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，必須分成兩部分，一部分來自防洪水庫(kù)A以上流域的暴雨，另一部分來自AB區(qū)間上的暴雨。2、設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

實(shí)際工作中，一般先對(duì)已有實(shí)測(cè)大暴雨資料的地區(qū)組成進(jìn)行分析，了解暴雨中心經(jīng)常出現(xiàn)的位置，并統(tǒng)計(jì)A庫(kù)以上和區(qū)間暴雨所占的比重等，作為選擇設(shè)計(jì)暴雨地區(qū)分布的依據(jù)，再?gòu)墓こ桃?guī)劃設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)考慮，選定一種可能出現(xiàn)且偏于不利的暴雨面分布形式，進(jìn)行設(shè)計(jì)暴雨的模擬放大。

2、設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

從實(shí)際資料中選擇暴雨量大的一個(gè)暴雨圖形（等雨量線圖）移置于流域上。為安全考慮，常把暴雨中心置放在AB區(qū)間，而不是置放在流域中心。這樣做使區(qū)間暴雨所占比例最大，對(duì)防洪斷面B更為不利。

典型暴雨圖法

2、設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

同頻率控制法

對(duì)防洪斷面B以上流域的面雨量和區(qū)間AB面積上的面雨量分別進(jìn)行頻率計(jì)算，求得各自的設(shè)計(jì)面雨量xBp、xABp。按同頻率原則考慮，采取防洪斷面B以上流域發(fā)生指定頻率p的設(shè)計(jì)面暴雨量時(shí)，區(qū)間AB面積上也發(fā)生同頻率暴雨，水庫(kù)以上流域則為相應(yīng)雨量（其頻率不定）

2、設(shè)計(jì)暴雨的地區(qū)分布

8-4設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)暴雨發(fā)生時(shí)流域的土壤濕潤(rùn)情況是未知的，可能很干（Pa=0），也可能很濕（Pa=Im），所以設(shè)計(jì)暴雨可與任何Pa值（0≤Pa≤Im）相遭遇，這是屬于隨機(jī)變量的遭遇組合問題。目前生產(chǎn)上常用下述三種方法求設(shè)計(jì)條件下的土壤含水量，即設(shè)計(jì)Pa。在濕潤(rùn)地區(qū)，當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，設(shè)計(jì)暴雨量較大，Pa的作用相對(duì)較小。由于雨水充沛土壤經(jīng)常保持濕潤(rùn)情況，為了安全和簡(jiǎn)化，可取Pa,p=Im。

經(jīng)驗(yàn)方法因Pa變化在0～I(xiàn)m之間，設(shè)計(jì)情況下取：Pa,P=KIm式中：K=0～1.0，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高的濕潤(rùn)地區(qū)K=1.0，一般K=0.5～0.8；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低的干旱地區(qū)K=0。例如黑龍江省取0.57～0.79，陜西省取0.23～0.67，湖北、湖南、浙江省取0.75。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

擴(kuò)展暴雨過程法

在擬定設(shè)計(jì)暴雨過程時(shí)，加長(zhǎng)暴雨歷時(shí)，增加暴雨的統(tǒng)計(jì)時(shí)段，把核心暴雨前面一段也包括在內(nèi)。例如，原設(shè)計(jì)暴雨采用1、3、7d3個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段，現(xiàn)增長(zhǎng)到30d，即增加15、30d2個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

當(dāng)然30d設(shè)計(jì)暴雨過程開始時(shí)的Pa值（即初始值）如何定仍然是一個(gè)問題，不過初始Pa值假定不同，對(duì)后面的設(shè)計(jì)Pa值影響甚微，因?yàn)槌跏糚a值要經(jīng)過23d的演算，才到設(shè)計(jì)暴雨核心部分。一般可取Pa=1/2Im或Pa=Im。

擴(kuò)展暴雨過程法

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

假如設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)為t日，分別對(duì)t日暴雨量xt系列和每次暴雨開始時(shí)的Pa與暴雨量xt之和即xt+Pa系列進(jìn)行頻率計(jì)算，從而求得xtp和(xt+Pa)p，則與設(shè)計(jì)暴雨相應(yīng)的設(shè)計(jì)Pa值可由兩者之差求得，即Pap=(xt+Pa)p－xtp當(dāng)?shù)贸鯬ap>Im時(shí)，則取Pap=Im。

同頻率法

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

擴(kuò)展暴雨過程法用得較多；經(jīng)驗(yàn)法取Pa=Im方法僅適用于濕潤(rùn)地區(qū)，在干旱地區(qū)包氣帶不易蓄滿，故不宜使用。同頻率法在理論上是合理的，但在實(shí)用上也存在一些問題，它需要由兩條頻率曲線的外延部分求差，其誤差往往很大，常會(huì)出現(xiàn)一些不合理現(xiàn)象，例如設(shè)計(jì)Pa大于Im或設(shè)計(jì)Pa小于零。

方法的比較

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1、設(shè)計(jì)Pa的計(jì)算

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應(yīng)用

外延問題

設(shè)計(jì)暴雨屬于稀遇的大暴雨，往往超過實(shí)測(cè)的暴雨很多，在推求設(shè)計(jì)洪水時(shí)，必須外延有關(guān)的產(chǎn)流、匯流方案。

濕潤(rùn)地區(qū)的產(chǎn)流方案常采用P+Pa~R形式的相關(guān)圖，其關(guān)系線上部的斜率dR/dP=1.0，即相關(guān)線為45°線，外延起來比較方便。干旱地區(qū)多采用初損后損法，就需要對(duì)有關(guān)相關(guān)圖在外延時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)暴雨的雨強(qiáng)因素的影響。

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

目前采用的流域匯流方案都屬于“線性系統(tǒng)”。在實(shí)測(cè)暴雨范圍內(nèi)應(yīng)用這些方案作匯流計(jì)算時(shí)，其誤差一般可以控制在容許范圍內(nèi)，當(dāng)用于罕見的特大暴雨時(shí)，線性假定有可能導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。雖然有些人提出了不少的“非線性系統(tǒng)”，但由于受到資料所限，這些方案都還未得到充分認(rèn)證，不為世人所普遍接受。

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應(yīng)用

外延問題

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

在工程設(shè)計(jì)部門，一般注意匯流方案在特大暴雨條件下的適用性，盡量選用實(shí)測(cè)大洪水資料分析得到的匯流方案，以期與設(shè)計(jì)條件相近，避免外延過遠(yuǎn)而擴(kuò)大誤差。不少部門的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明，注意與不注意這一點(diǎn)，會(huì)使設(shè)計(jì)成果出現(xiàn)較大的變化。用一般常遇洪水分析得出的單位線來推算設(shè)計(jì)洪水，與由特大洪水資料分析的單位線推流，成果可能相差很大，其差值可達(dá)20%左右。如果當(dāng)?shù)厝狈Υ蠛樗Y料，只好參照有關(guān)匯流方案非線性處理的方法作適當(dāng)修正，這時(shí)需要十分慎重和多方認(rèn)證分析。

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應(yīng)用

外延問題

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

如果設(shè)計(jì)流域缺乏實(shí)測(cè)降雨徑流資料，無法直接分析產(chǎn)流、匯流方案，就得解決移用問題。產(chǎn)流方案一般采用分區(qū)綜合方法，如山東省水文手冊(cè)上就有適用于不同地區(qū)的14條次降雨徑流相關(guān)線，供各個(gè)分區(qū)查用，匯流方案一般采用單位線的結(jié)合成果。

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應(yīng)用

外延問題

8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

[例題8—3]某中型水庫(kù)，集水面積為341km2，為了防洪復(fù)核，根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料，擬采用暴雨資料來推求P=2%的設(shè)計(jì)洪水。解：（1）設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

根據(jù)本流域洪水漲落較快和水庫(kù)調(diào)洪能力不強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)暴雨的最長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)時(shí)段采用1d。通過點(diǎn)暴雨頻率計(jì)算及參數(shù)的地區(qū)協(xié)調(diào)，得mm，Cv=0.58、Cs=3.5Cv，求得P=2%的最大1d的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量為296mm，而通過動(dòng)點(diǎn)動(dòng)面的暴雨點(diǎn)面關(guān)系圖，用流域面積341km2查圖得暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)為0.92，則P=2%的最大1日面設(shè)計(jì)暴雨量P面1p=296×0.92=272mm。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

解：（1）設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

[例題8—3]某中型水庫(kù)，集水面積為341km2，為了防洪復(fù)核，根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料，擬采用暴雨資料來推求P=2%的設(shè)計(jì)洪水。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

解：（2）設(shè)計(jì)凈雨過程的推求用同頻率法求得設(shè)計(jì)Pap值為78mm，本流域的Im=100mm，降雨損失22mm，求得設(shè)計(jì)凈雨過程如下表所示。[例題8—3]某中型水庫(kù)，集水面積為341km2，為了防洪復(fù)核，根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料，擬采用暴雨資料來推求P=2%的設(shè)計(jì)洪水。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

[例題8—3]解：（2）設(shè)計(jì)凈雨過程的推求根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)洪水資料分割得來的地下徑流過程和凈雨過程的分析，求得本流域的穩(wěn)定下滲強(qiáng)度為1.5mm/h。由設(shè)計(jì)凈雨過程中扣除地下凈雨（等于穩(wěn)滲強(qiáng)度乘以凈雨歷時(shí)）得地面凈雨過程（如下表）。其中第一時(shí)段的凈雨歷時(shí)tc=7.9/29.9×6=1.6h，地下凈雨h下=fctc=1.5×1.6=2.4mm，故第一時(shí)段地面凈雨為5.5mm，以此類推。8-5由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

解：（3）設(shè)計(jì)洪水過程的推求根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料，分析得大洪水的單位線，如表8-6中的（3）欄。由設(shè)計(jì)地面凈雨過程通過單位線推求，得設(shè)計(jì)地面徑流過程，成果如表8-6中（5）欄所示。把地下徑流過程化成等腰三角形出流，其總量等于設(shè)計(jì)地面徑流停止時(shí)刻（第13時(shí)段），地下徑流過程的底長(zhǎng)為地面徑流底長(zhǎng)的2倍，即T下=2×T面=2×13×6