水文学第6章青岛理工

2019/10/171小流域暴雨洪峰第六章流量的计算2019/10/172•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2019/10/1731、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。§6—1小流域暴雨洪水计算的特点小流域面积1地形平坦：300—500Km22地形复杂：10—30Km22019/10/174（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2019/10/1753、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。2019/10/176——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2019/10/177§6—2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2019/10/178——暴雨量减去损失量2、净雨量（地表径流量）3、损失分类截留损失下渗损失填洼损失蒸发损失2019/10/179二、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2019/10/17102、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2019/10/1711（1）下渗率（f0）——单位时间内的下渗量（mm/h）。是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70～80mm/h以上。A、下渗率随时间由大到小改变。2019/10/1712（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=1.0～1.3mm/h细砂：fc=7～8mm/h如2019/10/1713——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6—13、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。2019/10/1714三、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2019/10/17151、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f2019/10/1716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2019/10/1717——后损过程中，单位时间平均下渗量。3、一次暴雨总净雨量计算2、平均下渗率fctfIPR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)f2019/10/1718§6—3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。2019/10/1719二、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——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。2019/10/1720——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。2019/10/1721f1f2f3f4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。2019/10/17224、流域平均汇流速度LVL——主河槽长度τ——最大汇流时间5、径流形成过程见下页2019/10/1723t降雨强度i下渗率fift流量Qt3t2t1t4τtct1—降雨开始；t2—净雨终止；t3—径流开始；t4—径流终止；τ—流域最大汇流时间；τ=t4—t2tc—净雨历时2019/10/1724三、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τ的关系可分为三种情况：1、tcτ如图6—6径流过程线（a）洪峰流量：333fiktRfkQ2019/10/1725Q3——由最大汇流面积f3上的全部净降雨汇集而成。tRi——平均净雨强度。k——单位换算系数。若单位统一，则k=1。2019/10/17262、tc=τ如图6—6径流过程线（b）洪峰流量（全面积汇流）：1不均匀降雨时：2均匀降雨时：)(41322314tfRfRfRfRkQmkiFFtRkQmR1，R2，R3，R4——四个时段对应的净雨量。具体计算见表6.12019/10/1727如图6—6径流过程线（c）3、tcτ洪峰流量同tc=τ时的情况，只不过Qm将持续△t=tc-τ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。2019/10/1728四、暴雨洪峰流量公式1、部分汇流（tcτ）fikQmm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。fm——最大共时径流面积。i——平均暴雨强度。2019/10/1729FikQm2、全面汇流（tc≥τ）总的地面径流历时：td=tc+τF——全流域的面积2019/10/1730§6—4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。2019/10/1731278.0FAQnmy一、水科院水文研究所推理公式1、洪峰流量基本计算式：)/(3sm单位：（1）多雨地区：F300～500Km2；（2）干旱地区：F100～200Km2；（3）不可用于岩溶、泥石流及各种人为措施影响严重的地区。适用范围：2019/10/17322、各项参数的确定：（1）Ψ值：Ψ＝降雨量净雨量洪峰流量径流系数（6.12）（6.14）3查图6—10。可不必判断tc及τ的大小。2tcτ时：1tcτ时：nAfy1nctn1)(y2019/10/1733nnRnnRAnnf111)()1(6—15式损失系数即平均入渗率f值（2）可由此式制成图表6—8直接由曲线查找f2019/10/1734RR=αP246.16式RR——产生洪峰时的净雨量P24——24小时暴雨量α——24小时径流系数,表6—2.1无资料时2019/10/17352有资料时3如果tc24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2019/10/1736——（6.18）1vl278.0（3）τ值流域汇流时间计算式：n410y2——（6.24）3——（6.23）nnnAFLmS41443/1430)()(278.02019/10/1737计算洪峰流量必须确定τ和Ψ，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tc与τ关系的大小。应注意图（6.9）适用于Ψ=1时的情况（τ=τ0）2019/10/1738（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。特殊情况应作调整2019/10/1739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。1τ＞tc时：τ=Qm0.278RRF——（6.28）2τ≤tc时：τ=0.278RτFQm——（6.29）2019/10/1740)(tftRt278.0FQRm～tRtt可据实测资料求得关系曲线。在图上查找τ值。见图（6.11）Rtt产流强度因6.29式中Rτ是τ的函数，不能直接利用公式，可进行适当变换。——6.302019/10/1741（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勘测而得2019/10/17423、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。f2019/10/1743二、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与净雨强度i的乘积最大的时刻（图3的A点）。tftQf图（1）tQtQQmfi1~t图（3）ti1tQ净雨强度i1图（2）A2019/10/1744由此建立Qm的基本计算模型Qm——造峰流量tQ——造峰历时f——造峰面积。此时QttmfifiQ1max16.302019/10/17451PtQy278.0PFtAQnQm（2）计算式:式中的A、F、τ、n求解方法同水文研究所公式。6—33式6—34式P——造峰面积系数P1——造峰历时系数2019/10/17462、参数确定（1）暴雨点、面折减系数η——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100Km2的小流域。因暴雨公式测量的是雨量所在点的平均暴雨强度，且适用于较大流域。当用于面积小、降雨不均时，应修正。ntAi2019/10/1747用等雨量线法对实际暴雨进行点、面分析后所得。表6.916.0016.011Fh20PPFh6.376.38——面平均降雨量——点最大暴雨量FP0P2019/10/1748——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f11iRf2净雨强度fii16—39式6—40式)1(1111yntRA3径流系数6—43式将其有关数据做成表6—10查用。γ1——损失指数；R——损失系数；——产流期平均损失强度。f2019/10/1749（3）河槽汇流因子k1与山坡汇流因子k2见6—51式k1k2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）。τ=τ1+τ21汇流时间由水文模型知，汇流时间由此两部分组成。2019/10/1750其中：5.03/1225.05.02222278.0mQSAFLvL30.035.0111111278.0mQSALvL(6.46)—河槽汇流时间