水文学第6章青岛理工课件.ppt

1、2018/8/31 1 小流域暴雨洪峰小流域暴雨洪峰 第六章 流量的计算 2018/8/31 2?会利用资料对暴雨损失及流域汇流进行分析?理解水科院水文研究所及铁一院两所对暴雨 洪峰流量的推理公式 重点 2018/8/31 3 1、小流域暴雨洪水计算意义 小流域设计洪水是规化设计中小型水利工 程、铁路及公路、桥涵、城市厂矿防洪设施等 的基本依据。61 小流域暴雨洪水计算的特点 小流域面积 1 地形平坦：300500Km2 2 地形复杂：1030 Km2 2018/8/31 4（1）一般无实测的流量资料。若有实测的暴雨资料，可通过其间接推算。（2）重点是设计洪峰流量的推求。但在我国，实际上绝大多

2、数的小流域无水文 站，缺乏自记暴雨资料及径流资料，故小流域设 计洪水是在缺乏资料情况下，如何估算设计洪水 的问题。2、特点 2018/8/31 5 3、推求方法、推求方法（1）推理公式 由设计暴雨推求设计洪水。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，建立数学模型，再据实测资料推求 参数。2018/8/31 6 综合分析本地区具有观测资料小流域设计洪 水成果，建立地区性经验公式，推求设计洪 峰流量。（2）地区性经验公式 4、推求公式时应重点分析的问题 暴雨强度 流域汇流 暴雨损失 2018/8/31 7 62 设计净雨量的推求 一、暴雨损失及分类 1、暴雨损失 指降雨过程

3、中，由于植物截留、蒸发、填洼 和下渗而损失的水量。一次降雨的损失主要是下渗损失 2018/8/31 8 暴雨量减去损失量 2 2、净雨量（地表径流量）3 3、损失分类 截留损失 下渗损失 填洼损失 蒸发损失 2018/8/31 9 二、下渗 降落到地面的雨水从地面渗入到土壤的过程。1、下渗的物理过程 渗润阶段 渗漏阶段 渗透阶段 渗漏阶段 饱和水流稳定运动 非饱和水稳定运动 2018/8/31 10 2、下渗曲线与下渗量累积曲线（1）下渗曲线下渗率与时间的关系曲线，也称下 渗率过程线或下渗容量曲线。下 渗 率 时间 2018/8/31 11（1）下渗率（f0）单位时间内的下渗量（mm/h）。是

4、表示雨水下渗快慢的量 B、若供求充足，初始的 f0 与土壤的土 质有关，也与土壤的干湿状况有关。C、干燥土壤一般可达到 7080 mm/h以上。A、下渗率随时间由大到小改变。2018/8/31 12（2）稳渗率（fc）若土质的疏密程度与温度变化不大时，下渗率 比较稳定，趋于常数，此常数称稳渗率。fc 只与土质有关，与初雨时土壤的干湿 程度无关。黄粘土：fc=1.01.3 mm/h 细砂：fc=78 mm/h 如 2018/8/31 13 下渗量与时间的关系曲线。4、下渗曲线与下渗量累积曲线的关系 图 61 3、下渗量累积曲线 是微分与积分的关系，前者随时间下 降，后者随时间上升。2018/8/

5、31 14 三、设计净雨量的推求 径流系数法 水量平衡法 分阶段扣损法 相关法 推求 方法 分阶段扣损法是下渗曲线法的一种简化法 将一次降雨的损失过程分为初损和后损 2018/8/31 15 1、暴雨损失的两个阶段 从开始降雨到产生地面径流期间的损失。（1）初期损失（初损）（2）后期损失（后损）产生地面径流以后的损失。降雨的主 要损失 后期损失并非稳定下渗，而是由大到小趋于 稳定变化，实际计算中常用一个常数来表示即平 均下渗率 f2018/8/31 16 降雨过程降雨过程 损失过 程 时间 t 降雨强度 i 损失强度 f 初损 后损 2018/8/31 17 后损过程中，单位时间平均下渗量。3

6、、一次暴雨总净雨量计算 2、平均下渗率 fct fIPR?0R 总净雨量（mm）P 总降雨量（mm）I0初损量(mm)tc净雨历时（产流历时）（h）后损平均下渗率(mm/h)f2018/8/31 18 63 流域汇流 一、暴雨洪水形成过程 与地面径流的形成过程相同。降雨开始后，除植物截留的一部分，其余产生下渗，当土壤达 到饱和后，开始产生地面径流，当广大流域均产 生径流时，水量逐渐增大，沿途汇入河网的流量 不断加强，从而形成洪水。2018/8/31 19 二、等流时线原理二、等流时线原理 流域上各处在不同时间所形成的径流汇集到 出口断面的过程，可用等流时线原理加以解释。1、流域汇流过程、流域汇

7、流过程 将坡地漫流与河槽集流两个相继发生的地 面径流汇集过程作为一个整体分析，将其 统称为汇流过程。2018/8/31 20 设想将流域划分为若干集流面积，如果落在线 上的净降雨通过坡地与河槽流到出口断面所需 时间都相等，则此界线称为等流时线。2、等流时线 3、共时径流面积 fi 等流时线与流域分水线所构成的面积。2018/8/31 21 f1 f2 f3 f4 等流时线 共时径流面积 注意：等流时线不是固定不变的，而是随汇流速 度变化，计算中，位置不变的等流时线只 是相当于流域平均汇流速度时的等值线。2018/8/31 22 4、流域平均汇流速度?LV?L主河槽长度 最大汇流时间 5、径流形

8、成过程 见下页 2018/8/31 23 t 降雨强度 i 下渗率 f i f t 流量 Q t3 t2 t1 t4 tc t1 降雨开始；t2净雨终止；t3径流开始；t4径流终止；流域最大汇流时间；=t4t2 tc净雨历时 2018/8/31 24 三、不同净雨历时情况下的径流过程 据净雨历时 tc 与汇流时间 的关系 可分为三种情况：1、tc 不均匀降雨时：2 均匀降雨时：)(41322314tfRfRfRfRkQm?kiFFtRkQm?R 1，R 2，R 3，R 4 四个时段对应的净雨量。具体计算见表6.1 2018/8/31 27 如图66径流过程线（c）3、tc 洪峰流量同 tc=时

9、的情况，只不过Qm将持 续 t=tc-时段，曲线呈梯形。按上述不同历时求得的径流过程线与地面 实际径流过程线有一定的差别，这是因为用等流 时线原理计算汇流过程的假定引起的，故应据实 测值对其进行修正，以提高计算精度。2018/8/31 28 四、暴雨洪峰流量公式四、暴雨洪峰流量公式 1、部分汇流、部分汇流（tc）f i k Q m m?部分汇流的情况下，最 大洪峰流量Qm的大小及出 现时间与流域形状有关。现时间与流域形状有关。fm最大共时径流面积。i平均暴雨强度。2018/8/31 29 F i k Q m?2 2、全面汇流、全面汇流（tc）总的地面径流历时：td =tc+F 全流域的 面积

10、2018/8/31 30 64 暴雨洪峰流量的推理公式 此推理公式是利用暴雨资料推求洪峰流量的一种 方法。此法认为流域出口处形成的最大流量，是降落 在流域上的暴雨经过产流与汇流两个阶段演变的结果。由于对暴雨、产流、汇流的处理方式不同，形成的推 理公式也不尽相同。2018/8/31 31 278.0 F A Q n m?y?一、水科院水文研究所推理公式一、水科院水文研究所推理公式 1、洪峰流量基本计算式：、洪峰流量基本计算式：)/(3 s m 单位：（1）多雨地区：F 300500 Km 2；（2）干旱地区：F 查图610。可不必判断 tc 及的大小。2 tc tc 时：nAf?y?1nctn?

11、1)(?y2018/8/31 33 nnRnnRAnnf?111)()1(615式 损失系数即平均入渗率 f值值（2）可由此式制成 图表68直接由曲 线查找 f2018/8/31 34 RR=P24 6.16式 RR 产生洪峰时的净雨量 P2424小时暴雨量 24小时径流系数,表62.1 1 无资料时无资料时 2018/8/31 35 2 2 有资料时 3 3 如果如果 tc 2424小时可利用公式：6.17 式 可由有关图表查找RR 值也可利用当地综合分析所得的值 f24)1(24Pf?2018/8/31 36（6.18）1 v l?278.0?（3）值值 流域汇流时间 计算式：n?4 1

12、0 y?2（6.24）3 （6.23）nnnAFLmS?41443/1430)()(278.0?2018/8/31 37 计算洪峰流量必须确定和，此二值的计算与产流时间及汇流时间有关，应分别计算。见式（A）、（B）(p182)，但因在运算中，无法事先判明是全流域汇流还是部分流域汇流，故可查图（6.9）及(6.10)，此法不必判定 t c与关系的大小。应注意 图（6.9）适用于=1 时的情况（=0）2018/8/31 38（4）m 值 汇流参数 计算式：?4/13/1278.0mQsLm?（6.27）与山坡及河槽的糙率、流域长度及比降有关。可利用暴雨资料求得 无暴雨资料时 m值可查表6.3估算。

13、特殊情况应作调整特殊情况应作调整 2018/8/31 39 利用暴雨资料确定m时，必须首先确定 流域为全面汇流还是部分汇流。1tc时：=Qm 0.278 RR F（6.28）2tc时：=0.278 RF Qm（6.29）2018/8/31 40)(t f t R t?278.0 F Q R m?t R t t 可据实测资料求得 关系曲线。在图上查找值。见图（6.11）R t t 产流强度 因6.29式中 R R是的函数，不能直接利用公式，可 进行适当变换。6.30 2018/8/31 41（5）F、L、s 流域特征参数值 F出口断面以上的流域面积 L流域长度 S 河槽平均比降 可由地形图或实地

14、勘测而得 2018/8/31 42 3 3、设计洪峰流量计算应具备的基本资料、设计洪峰流量计算应具备的基本资料 应用水科院水文研究所公式 1 流域地形图和流域情况说明。此可作为确定流域特 征值和选定参数时的参考。2 流域暴雨统计资料或暴雨参数等值线图及频率查算 表。此可确定暴雨参数。3 本地区综合分析所得 m、值。若无此资料，在工 程允许下，可参照表6.2和6.3。f2018/8/31 43 二、铁一院两所公式 1、洪峰流量的物理模型和计算式（1）建立基本计算式的思路 由实验证明：共时径流面积随时间的增长 并非常数（图1），净雨强度随时间也并非直线 改变（图2），故洪峰流量应发生在面积 f 与

15、 净雨强度i 的乘积最大的时刻（图3的A点）。t f tQ f 图（1）t Q tQ Qm f i1t 图（3）t i1 tQ 净雨强度 i1 图（2）A 2018/8/31 44 由此建立由此建立Q Qm m的基本计算模型的基本计算模型 Qm造峰流量 tQ 造峰历时 f f 造峰面积。造峰面积。此时此时?QttmfifiQ?1max16.30 6.30 2018/8/31 45?1 P t Q?y 278.0 PF t A Q n Q m?（2）计算式:式中的A、F、n 求解方法同水文研究 所公式。所公式。633式 634式 P造峰面积系数 P1造峰历时系数 2018/8/31 46 2、参

16、数确定、参数确定（1）暴雨点、面折减系数 将点雨量换算成面雨量时的折减系数（3）适用范围 我国西北各省、区及流域面积 6.0 016.0 1 1 F?h 2 0PPF?h6.37 6.38 面平均降雨量 点最大暴雨量 FP0P2018/8/31 48 暴雨损失不仅受流域自身条件的影响，在 产流期还受暴雨强度的影响。（2）暴雨损失 f1 1?iRf?2 净雨强度 fii?1639式 640式)1(1111?y?ntRA3 径流系数 643式 将其有关数据做 成表610查用。1 损失指数；R损失系数；产流期平均损失强度。f2018/8/31 49（3）河槽汇流因子k1 与山坡汇流因子k2 见651

17、式 k1 k2 流域汇流过程，按其 水力特性的不同，可分为 坡面汇流与河槽汇流（小 流域汇流中坡面汇流的比 重较大）。=1+2 1汇流时间 由水文模型知，汇 流时间由此两部分 组成。2018/8/31 50 其中：5.0 3/1 2 2 5.0 5.0 2 2 2 2 278.0 m Q S A F L v L?30.0 35.0 1 1 1 1 1 1 278.0 m Q S A L v L?(6.46)河槽汇流时间(6.49)坡面汇流时间 A1主河槽流速系数，查表6.12 A2坡面流速系数，查表6.13 2018/8/31 51 5.023.015.03/1225.05.023.035.0

18、111)(278.0mmmmQkQkQSAFLQSAL?2计算式 650 651式（4）造峰历时系数 P1 与造峰面积系数 P 1共时径流面积 f 的分配与相应汇流时间 t 的分配，呈抛物线关系。关系式?)1(1tFf?652式 最大共时径流面 积分配曲线方程 2018/8/31 52=2.1(K1+K2)-0.06 平均值=1.52.5。反映流域汇流的综合性指数。在形成洪峰条件下，汇流时间 t=tQ，相应共时径流面积 f=f Q，则有：?)1(1)1(11ppFftQQ?653式 654 657式 2018/8/31 53 2 2 造峰面积系数造峰面积系数 P 3 造峰历时系数 P1 4 P

19、1 与 n、的关系式 FfpQ?655式?QtP?1656式?)1(1)1(1111PPPnCn?658式 2018/8/31 54 相关关系式 1 2 1?RA k 2 2 1 1 1?k k C n?n/nC n 其中：Cn查表614；p1可据 n 、查图614；p据 p1 与查图615 或 p=1(1p1)。659式 661式 660式 2018/8/31 55 3 3、设计洪峰流量计算的简化方法、设计洪峰流量计算的简化方法 )34.6()33.6(?1 P t Q?278.0 y t APF Q n Q m?洪峰流量基本公式：2018/8/31 56（1）通用公式变化、简化得：）通用公

20、式变化、简化得：)65.6(1 264.1 1 129.3 lg 5.0 5.0 2 1 2 1?K K K K y x K1+0.95 K2 (6.64)y 可由 查表6.15 k2 k1 ymQQxpt1?(6.66)2018/8/31 57（2）Qm简化式：Q=C1C2 Z（667）)(1 1 1 1 xP P k Q ny n m?y 667b 667a )(278.0 1 1 xP APF Q ny n m?y 1 2018/8/31 58 其中：C1产流因素 C1=k1=0.278AF C2汇流因素 C2=(xP1)n P Z 在1.11.5之间 2018/8/31 59 注：式（667）使用时是否合适，可用式（666）检验。若若 tQ1小时，可用长历时 n2。4、完成上述计算，需资料（1）流域地形图；（2）现场勘察资料；（3）编制好的各参数图表。5、举例 2018/8/31 60 65 地区性经验公式及 水文手册的应用 一、以流域面积为参数的地区性经验公式 Qm=KF n k、n 随地区及频率而变化的 系数和指数。见表616。668式 2018/8/31 61 669式 三、水文手册的应用 二、包含降雨参数的地区性经验公式 水利电力科学研究院经验公式。适用于 F 100km2。K查表6.17。简介 3/2KAFQm?