由暴雨资料推求设计洪水

工程水文学内蒙古农业大学水建院资源环境系：李凤玲暴雨P（t）出口河网净雨R（t）Q（t）Q～t产流（扣损）两种产流方式汇流面暴雨第七章由暴雨资料推求设计洪水第一节概述一、原因：1.中小流域常常流量资料不足或代表性差，无法直接用流量资料推求设计洪水，需用暴雨资料。2.人类活动对径流的影响，破坏了洪水资料系列的一致性。3.为了对比论证设计成果的合理性。4.无资料地区小流域的设计洪水。5.可能最大降水/洪水。二、主要内容：1.推求设计暴雨根据实测暴雨资料，用统计分析和典型放大法求得。2.推求设计洪水过程线由求得的设计暴雨，利用产流方案推求设计净雨过程，利用流域汇流方案由设计净雨过程推求设计洪水过程。注意：由暴雨资料推求设计洪水，其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的。但这一假定在很多情况下并不成立。三、暴雨资料收集、审查与插补延长1、资料的收集来源：主要为站网观测资料。2.暴雨资料的审查日雨量资料、自记雨量资料、分段雨量资料。（订正）可靠性、代表性、一致性。3、插补延长基本同前。第二节设计面暴雨量的推求设计面暴雨量：指设计断面以上的流域的设计面暴雨量。（指定统计时段）一般有两种计算方法：1.直接法2.间接法资料要求：雨量站多、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面雨量。方法：直接选取每年指定统计时段的最大面暴雨量，进行频率计算求得设计面暴雨量。一、设计面暴雨量的直接计算1、暴雨资料的统计选样2、特大值的处理3、面雨量频率计算4、计算成果合理性检验设计面暴雨量的直接计算步骤：选定面雨量计算方法计算每年各次大暴雨的逐日面雨量选定不同统计时段统计逐年不同时段年最大面雨量固定时段年最大值法样本1、暴雨资料的统计选样时间（月、日）点雨量面平均雨量最大1、3、7日面雨量及起讫日期A站B站C站6.35.30.21.87月4日为年最大1日，X1日=128.8mm.8月22～8月24日8月为年最大3日，X3日=165.5mm，7月1日～7日为年最大7日，X7日=234.0mm。7.150.426.625.334.17.27.311.510.814.712.37.4134.8125.9124128.27.532.521.41021.37.65.610.54.76.97.735.525.227.629.47.83.77.11.44.17.911.15.89.78.9…………8.186.60.26.94.68.1922.72.45.410.28.20.08.218.2242.651.754.849.78.2360.168.653.560.78.2481.854.132.356.18.252.310.11.1例7-1：某流域有3个雨量站，分布均匀，可按算术平均法计算面雨量，统计不同时段雨量。对于大、中流域的暴雨统计时段：我国一般取1、3、7、15、30日，其中1、3、7日暴雨是一次暴雨的核心部分，直接形成所求的设计洪水部分，而统计更长是为了分析起始时刻的流域蓄水情况。2、特大值的处理系列中是否含有特大暴雨直接影响系列的代表性。一般暴雨变幅不很大，若不出现特大暴雨，统计参数均值、Cv往往会偏小，但加入特大暴雨，未作特大暴雨处理，又会使统计参数偏大。例7-2：福建长汀县四都站，根据1972年以前最大一日雨量，据此求得:。vsvCCCmmx5.3,35.0,1021日mmxp332%01.0（1）特大值的判断经验频率点据明显偏离曲线。模比系数的大小，暴雨的量级是否突出。（2）暴雨调查移用邻近流域已发生的特大暴雨资料。（3）特大值重现期的确定一般认为，当流域面积较小时，流域平均面雨量的重现期与相应洪水重现期相近。3、面雨量频率计算适线法：经验频率（期望值公式）、线型（P-Ⅲ型）。Cv0.6，Cs≈3.0Cv；Cv0.45，Cs≈4.0Cv一般地区Cs≈3.5Cv。4、设计面暴雨量计算成果合理性检验1.比较统计参数，随面积增大而逐渐减小。2.直接法计算结果与间接法计算结果比较。3.与邻近地区的特大暴雨历时、面积、雨深资料比较。资料情况：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。方法：先求流域中心的设计点暴雨量，然后通过暴雨点面关系，求相应的设计面暴雨量。二、设计面暴雨量的间接计算点面1、设计点雨量的计算设计点雨量是要推求流域中心的设计点暴雨量。①如果流域中心或附近有雨量站，且有长系列观测资料，可采用频率计算方法直接计算。②实际上很少这种情况，一般是求出流域各站的设计点暴雨，绘制设计点暴雨量等值线图，插值出流域中心的设计点暴雨量。设计点雨量频率计算：选样：固定时段年最大值法。注意特大值的处理。统计参数：应符合地区变化规律，检查其合理性。缺乏资料时：可查各省区水文手册。2.设计面暴雨量的计算利用点面关系：定点定面关系、点动面关系。（1）定点定面关系固定点：长系列资料的雨量站（流域中心或附近）固定面：设计流域（比较多和分布均匀的雨量站）选若干次大暴雨，求出若干个某时段暴雨量的α0值，加以平均，作为点面折减系数。用所求得的各时段设计点暴雨量，乘以相应的点面折减系数，就可得出各种设计时段设计面暴雨量。（2）动点动面关系以暴雨中心点面关系代替定点定面关系，以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量。由于暴雨中心的位置和暴雨分布不尽相同，是变化的，所以称为动点动面关系。注意：由于大中流域点面雨量关系一般都很微弱，应尽可能的采用直接法计算设计面暴雨量。第三节设计暴雨时、空分配计算一、设计暴雨时程分配的计算方法：典型暴雨同频率控制缩放。(同频率法）1.典型暴雨的选择和概化条件：代表性——出现次数较多，分配形式接近多年平均和常遇情况，雨量大、强度大。对工程不利——暴雨核心部分偏后，形成的洪峰也偏后，对水库安全影响较大。在缺乏资料时，可引用水文手册中的概化的典型雨型。2.缩放典型过程，计算设计暴雨的时程分配例7-3：某流域百年一遇各种时段暴雨量如下表：选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨分配计算见下页表：各时段设计雨量时段（日）137设计面雨量X面P（mm)303394485暴雨日程分配（同频率法）1234567X1P303mm典型分配比100%设计雨量（mm)303X3P-X1P91mm典型分配比40%60%设计雨量（mm)3655X7P-X3P91mm典型分配比30%33%37%0%设计雨量（mm)2730340设计暴雨过程27303403630355面设计暴雨最大1日时程分配项目设计暴雨的时段(2h)雨量过程24h时段序号123456789101112全日雨量典型分配（%）2.93.43.95.210.544.18.76.1543.32.9100设计暴雨(mm)8.810.311.815.831.8133.626.418.515.212.110.08.8303最大24设计及典型暴雨的时程分配见下表：二、设计暴雨时的地区分布方法：（1）典型暴雨图法（略）（2）同频率控制法（略）降雨P(t)(扣除损失)净雨R(t)产流计算汇流计算数量相等流域出口断面径流过程Q(t)第四节设计净雨的推求一、径流系数法（略）二、暴雨径流相关图法（蓄满产流）三、初损后损法（超渗产流）二、暴雨径流相关图法（建立在蓄满产流基础上）（一）蓄满产流方式包气带饱水带蓄满产流方式示意图蓄满产流下的总径流深:)(aPWMPWPR下面RRR下R面R蓄满产流下的总径流深:)(aPWMPWPR下面RRR一般认为：产流量中有一部分按稳渗下渗，其下渗率为fc，下渗水量fct形成地下径流R下，超过稳渗强度部分形成地面径流R面。（二）暴雨径流相关图(P~Pa~R)的绘制每场降雨过程流域的面平均雨量相应产生的径流量影响径流形成的主要因素（Pa）相关分析，建立相关图在我国湿润和半湿润地区最常用的是P～Pa～R三变量相关图。P～Pa～R三变量相关图各变量计算:1.流域平均雨量计算：（1）算术平均法条件：流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大。（2）垂直平分法（泰森多边形法）条件：流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反映各站在计算流域平均雨量中的作用。假设：流域各处的雨量可由与其距离最近的雨量站代表。（3）等雨量线法条件：当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，能结合地形变化绘制等雨量线时。该方法能考虑流域地形的变化绘制等雨量线，比较好地反映了降雨在流域上的变化，精度较高。但是绘制等雨量线需要较多站点的资料，且每次都要重绘，工作量大。2、径流深计算需要分割流量过程线。地面径流表层流径流地下径流前期洪水未退完的部分水量非本次降雨补给的深层地下径流本次洪水形成割除一次洪水流量过程BHI本次降雨形成径流过程ACEF前次洪水未退完的部分G深层地下径流（基本流量）t(h)DFQ(m3/s)过程线分割示意图:(1)基本流量的分割：取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割（ED线）。(2)流量过程线的分割及不同水源的划分（AF线和CD线)退水曲线法：退水曲线；流域需水量的消退过程线（取多次洪水的退水部分综合确定）。①作图法Q(m3/s)t(h)作图法示意图取多次洪水的退水部分绘于透明纸上，沿时间轴平移，使尾部重合，作外包线。Kg：地下水退水参数；Kg越大地下水退水越慢，反之则快。②计算法取平均值作为该流域值。tt+△tQ(m3/s)t(h)(3)径流量的计算兰色的面积（ABCDFA）：ABDEFHIGQ(m3/s)t(h)CC，D，D的面积与AEF大约相等ABCDFA≈ABCC，D，FEA'C本次降雨形成径流过程前次洪水未退完的部分深层地下径流（基流）'D实际径流量计算时：(4)水源的划分——斜线分割法上面从洪水过程中割除了基流和前期洪水的退水部分，得到本次洪水的径流过程。地面径流表层流径流地下径流直接径流（地表径流）本次洪水的径流过程ABCDEFHIG本次降雨形成径流过程深层地下径流（基流）Q(m3/s)t(h)直接径流'C'D'B地下径流3、前期影响雨量（土壤含水量）的计算降雨开始时，流域土壤的干湿程度（即土壤的含水量大小）是影响降雨形成径流过程的一个主要因素。如何来表示流域的土壤含水量？前期影响雨量Pa（降雨开始时的土壤含水量）。（1）前期影响雨量Pa的计算公式：如果第t日内有降雨Pt，但未产流，则：如果第t日内有降雨Pt并产生径流Rt，则：注意：Pa≤WM，若计算出PaWM，则取Pa=WM。K：0.8～0.94.流域最大蓄水量WM(Imax,Im)和消退系数K(1).流域最大蓄水量WM——流域蓄水容量(植物截留、填洼、包气带的蓄水容量）。采用实测雨洪（久旱无雨后一次降雨量较大且全流域产流）资料确定。取若干次洪水，其前期十分干旱（Pa≈0），降雨量相当大，达到全流域蓄满产流，取次洪水损失的最大值。流域实际蓄水量在0～WM之间变化。湿润地区80～140mm。（2）消退系数K消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。流域蒸散发取决于：1）流域蒸散发能力EM；2）流域供水条件，即流域蓄水量W、WM;第t日的流域蒸发量：若第t日无雨，则该日流域前期影响雨量的减少全部转化为流域蒸散发，故：又：代入：得：EM为流域蒸发能力，可用E601观测器观测的水面蒸发值作为近似值。例7-4：前期影响雨量Pa的计算P～Pa～R三变量相关图：两时段降雨：P1=49mmP2=81mm降雨开始时：Pa=60mm由P1=49mm,查得R1=20.0mm由P1+P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm则第二时段净雨为：R2=80-20=60mm（三）三变量相关图的应用：降雨相关图的规律：1）P相同，Pa越大，损失越小，R越大，故Pa等值线的数值自左向右增大。2）Pa相同时，P越大，损失相对于P越小，径流系数越大，P～R线的坡度随P的增大而减缓，但不应小于45°。降雨径流相关图也可简化为P+Pa～R关系：1、某流域最大土壤蓄水量WM=100mm，流域蓄水的日消退系数k=0.8，试根据下表数据计算5月16日～19日各日的