工程水文及水利計算第17講課件

工程水文及水利計算門寶輝可再生能源學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、收集與處理

第四章水文統(tǒng)計基本知識第五章設計年徑流及徑流隨機模擬（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)、匯流計算（分4講）第八章由暴雨資料推求設計洪水（分3講）第九章水文預報第十章水庫興利調(diào)節(jié)計算（分2講）第十一章水電站的水能計算（分2講）第十二章水庫防洪計算（分2講）第八章目錄第八章由暴雨資料推求設計洪水8-1概述8-2直接法推求設計面暴雨量8-3間接法推求設計面暴雨量8-4設計暴雨時空分配的計算8-5由設計暴雨推求設計洪水8-6小流域設計洪水的計算

8-4設計暴雨時空分配的計算

方法：典型暴雨同倍比放大法和同頻率放大法。有實測資料情況下

（1）要考慮所選典型暴雨的分配過程應是設計條件下比較容易發(fā)生的；（2）要考慮是對工程不利的。1、設計暴雨時程分配的計算

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，應使典型暴雨的雨量接近設計暴雨的雨量；其次是要使所選典型的雨峰個數(shù)、主雨峰位置和實際降雨時數(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設計暴雨時空分配的計算

1、設計暴雨時程分配的計算

所謂對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，對水庫安全將是不利的。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設計暴雨時空分配的計算

1、設計暴雨時程分配的計算

所謂對工程不利例如淮河上游1975年8月在河南發(fā)生的一場特大暴雨，簡稱“75·8暴雨”，歷時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和不少小型水庫失事。因此，該地區(qū)進行設計暴雨計算時，常選作暴雨典型。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設計暴雨時空分配的計算

1、設計暴雨時程分配的計算

無實測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）來推求設計暴雨的時程分配。

典型暴雨過程的選擇和概化

8-4設計暴雨時空分配的計算

1、設計暴雨時程分配的計算

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

設計暴雨時程分配計算

8-4設計暴雨時空分配的計算

1、設計暴雨時程分配的計算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設計暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對流域內(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計暴雨過程。

8-4設計暴雨時空分配的計算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設計暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對流域內(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計暴雨過程。

8-4設計暴雨時空分配的計算

[例題8—1]已求得某流域百年一遇1d、3d、7d設計暴雨分別為108mm、182mm、270mm。經(jīng)對流域內(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計暴雨過程。

8-4設計暴雨時空分配的計算

[例題8—2]某流域百年一遇各種時段設計暴雨量如表所示。

選定的典型暴雨日程分配和設計暴雨日程分配計算見下表。

8-4設計暴雨時空分配的計算

選定的典型暴雨日程分配和設計暴雨日程分配計算見下表。8-4設計暴雨時空分配的計算

最大24h設計及典型暴雨的時程分配見下表。8-4設計暴雨時空分配的計算

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

8-4設計暴雨時空分配的計算

實際工作中，一般先對已有實測大暴雨資料的地區(qū)組成進行分析，了解暴雨中心經(jīng)常出現(xiàn)的位置，并統(tǒng)計A庫以上和區(qū)間暴雨所占的比重等，作為選擇設計暴雨地區(qū)分布的依據(jù)，再從工程規(guī)劃設計的安全與經(jīng)濟考慮，選定一種可能出現(xiàn)且偏于不利的暴雨面分布形式，進行設計暴雨的模擬放大。

2、設計暴雨的地區(qū)分布

8-4設計暴雨時空分配的計算

從實際資料中選擇暴雨量大的一個暴雨圖形（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，對防洪斷面B更為不利。

典型暴雨圖法

2、設計暴雨的地區(qū)分布

8-4設計暴雨時空分配的計算

同頻率控制法

對防洪斷面B以上流域的面雨量和區(qū)間AB面積上的面雨量分別進行頻率計算，求得各自的設計面雨量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的設計面暴雨量時，區(qū)間AB面積上也發(fā)生同頻率暴雨，水庫以上流域則為相應雨量（其頻率不定）

2、設計暴雨的地區(qū)分布

8-4設計暴雨時空分配的計算

8-5由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

經(jīng)驗方法設計暴雨發(fā)生時流域的土壤濕潤情況是未知的，可能很干（Pa=0），也可能很濕（Pa=Im），所以設計暴雨可與任何Pa值（0≤Pa≤Im）相遭遇，這是屬于隨機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計條件下的土壤含水量，即設計Pa。在濕潤地區(qū)，當設計標準較高，設計暴雨量較大，Pa的作用相對較小。由于雨水充沛土壤經(jīng)常保持濕潤情況，為了安全和簡化，可取Pa,p=Im。

經(jīng)驗方法因Pa變化在0～Im之間，設計情況下?。篜a,P=KIm式中：K=0～1.0，設計標準較高的濕潤地區(qū)K=1.0，一般K=0.5～0.8；設計標準較低的干旱地區(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由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

擴展暴雨過程法

在擬定設計暴雨過程時，加長暴雨歷時，增加暴雨的統(tǒng)計時段，把核心暴雨前面一段也包括在內(nèi)。例如，原設計暴雨采用1、3、7d3個統(tǒng)計時段，現(xiàn)增長到30d，即增加15、30d2個統(tǒng)計時段。8-5由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

當然30d設計暴雨過程開始時的Pa值（即初始值）如何定仍然是一個問題，不過初始Pa值假定不同，對后面的設計Pa值影響甚微，因為初始Pa值要經(jīng)過23d的演算，才到設計暴雨核心部分。一般可取Pa=1/2Im或Pa=Im。

擴展暴雨過程法

8-5由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

假如設計暴雨歷時為t日，分別對t日暴雨量xt系列和每次暴雨開始時的Pa與暴雨量xt之和即xt+Pa系列進行頻率計算，從而求得xtp和(xt+Pa)p，則與設計暴雨相應的設計Pa值可由兩者之差求得，即Pap=(xt+Pa)p－xtp當?shù)贸鯬ap>Im時，則取Pap=Im。

同頻率法

8-5由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

擴展暴雨過程法用得較多；經(jīng)驗法取Pa=Im方法僅適用于濕潤地區(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，常會出現(xiàn)一些不合理現(xiàn)象，例如設計Pa大于Im或設計Pa小于零。

方法的比較

8-5由設計暴雨推求設計洪水

1、設計Pa的計算

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應用

外延問題

設計暴雨屬于稀遇的大暴雨，往往超過實測的暴雨很多，在推求設計洪水時，必須外延有關的產(chǎn)流、匯流方案。

濕潤地區(qū)的產(chǎn)流方案常采用P+Pa~R形式的相關圖，其關系線上部的斜率dR/dP=1.0，即相關線為45°線，外延起來比較方便。干旱地區(qū)多采用初損后損法，就需要對有關相關圖在外延時必須考慮設計暴雨的雨強因素的影響。

8-5由設計暴雨推求設計洪水

目前采用的流域匯流方案都屬于“線性系統(tǒng)”。在實測暴雨范圍內(nèi)應用這些方案作匯流計算時，其誤差一般可以控制在容許范圍內(nèi)，當用于罕見的特大暴雨時，線性假定有可能導致相當大的誤差。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證，不為世人所普遍接受。

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應用

外延問題

8-5由設計暴雨推求設計洪水

在工程設計部門，一般注意匯流方案在特大暴雨條件下的適用性，盡量選用實測大洪水資料分析得到的匯流方案，以期與設計條件相近，避免外延過遠而擴大誤差。不少部門的實踐經(jīng)驗說明，注意與不注意這一點，會使設計成果出現(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計洪水，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20%左右。如果當?shù)厝狈Υ蠛樗Y料，只好參照有關匯流方案非線性處理的方法作適當修正，這時需要十分慎重和多方認證分析。

2、產(chǎn)流方案及匯流方案的應用

外延問題

8-5由設計暴雨推求設計洪水

如果設計流域缺乏實測降雨徑流資料，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，如山東省水文手冊上就有適用于不同地區(qū)的14條次降雨徑流相關線，供各個分區(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用

外延問題

8-5由設計暴雨推求設計洪水

[例題8—3]某中型水庫，集水面積為341km2，為了防洪復核，根據(jù)實測雨洪資料，擬采用暴雨資料來推求P=2%的設計洪水。解：（1）設計暴雨計算

根據(jù)本流域洪水漲落較快和水庫調(diào)洪能力不強的特點，設計暴雨的最長統(tǒng)計時段采用1d。通過點暴雨頻率計算及參數(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的設計點暴雨量為296mm，而通過動點動面的暴雨點面關系圖，用流域面積341km2查圖得暴雨點面折減系數(shù)為0.92，則P=2%的最大1日面設計暴雨量P面1p=296×0.92=272mm。8-5由設計暴雨推求設計洪水

解：（1）設計暴雨計算

[例題8—3]某中型水庫，集水面積為341km2，為了防洪復核，根據(jù)實測雨洪資料，擬采用暴雨資料來推求P=2%的設計洪水。8-5由設計暴雨推求設計洪水

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

[例題8—3]解：（2）設計凈雨過程的推求根據(jù)對實測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)定下滲強度為1.5mm/h。由設計凈雨過程中扣除地下凈雨（等于穩(wěn)滲強度乘以凈雨歷時）得地面凈雨過程（如下表）。其中第一時段的凈雨歷時tc=7.9/29.9×6=1.6h，地下凈雨h下=fctc=1.5×1.6=2.4mm，故第一時段地面凈雨為5.5mm，以此類推。8-5由設計暴雨推求設計洪水

解：（3）設計洪水過程的推求根據(jù)實測雨洪資料，分析得大洪水的單位線，如表8-6中的（3）欄。由設計地面凈雨過程通過單位線推求，得設計地面徑流過程，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，其總量等于設計地面徑流停止時刻（第13時段），地下徑流過程的底長為地面徑流底長的2倍，即T下=2×T面=2×13×6