小流域设计洪水的计算.ppt

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1、山东农业大学林学院第五章第五章 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算 第一节第一节 小流域设计洪水特点小流域设计洪水特点第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法第三节第三节 小流域暴雨径流研究组公式小流域暴雨径流研究组公式本章重点：本章重点：水科院推理公式法的设计洪水计算水科院推理公式法的设计洪水计算山东农业大学林学院水土保持工作一般是水土保持工作一般是在在小流域小流域上进行的。上进行的。水土保持工程的规划水土保持工程的规划设计、测流建筑物的设计、测流建筑物的设计都需要研究工程设计都需要研究工程所在地点河流的水文所在地点河流的水文态势，态势，计算设计洪水。计算设计洪水。一、一、小流域

2、设计洪水的意义小流域设计洪水的意义第一节第一节 小流域设计洪水特点小流域设计洪水特点 二、二、小流域设计洪水的概念小流域设计洪水的概念（1）小流域）小流域集水面积集水面积:水文计算通水文计算通常不超过常不超过200-300km2。水保上指的水保上指的小流域，一小流域，一般在般在30km2以下，最多以下，最多不超过不超过50km2。（2）设）设计洪水计洪水:指符合指符合一定设一定设计标准计标准的洪水，的洪水，包括洪包括洪峰流量、峰流量、洪水总洪水总量和洪量和洪水过程水过程线三个线三个要素。要素。洪洪峰流量即峰流量即一次洪水一次洪水流量的最流量的最大值，用大值，用Qm表示。表示。洪水总量洪水总量为

3、一次洪为一次洪水流过程水流过程的总水量。的总水量。山东农业大学林学院（3）小流域设）小流域设计标准计标准:推求推求设计洪水时，设计洪水时，首先确定标准。首先确定标准。设计标准是指设计标准是指水工建筑物本水工建筑物本身防洪安全的身防洪安全的标准。它是水标准。它是水利水保工程规利水保工程规划设计的一个划设计的一个重要指标。重要指标。参阅参阅水利水利水电枢纽工程等水电枢纽工程等级划分设计标准级划分设计标准(SDJl2-78)及及水土保持治沟水土保持治沟骨干工程暂行技骨干工程暂行技术规范术规范(SDl75-86)的规定。的规定。第一节第一节 小流域设计洪水特点小流域设计洪水特点 一、一、小流域设计洪水

4、的意义小流域设计洪水的意义二、二、小流域设计洪水的概念小流域设计洪水的概念山东农业大学林学院（1）多数小流域没有多数小流域没有设站观测，缺乏实测流设站观测，缺乏实测流量和降雨资料。有的小量和降雨资料。有的小流域虽有短期资料，但流域虽有短期资料，但具有较多资料的流域很具有较多资料的流域很大，自然地理条件相差大，自然地理条件相差悬殊，短期资料也难以悬殊，短期资料也难以延展。延展。因此小流域设计因此小流域设计洪水计算是在缺乏资料洪水计算是在缺乏资料的条件下进行的。的条件下进行的。第一节第一节 小流域设计洪水特点小流域设计洪水特点 一、一、小流域设计洪水的意义小流域设计洪水的意义二、二、小流域设计洪水

5、的概念小流域设计洪水的概念三、三、小流域设计洪水的特点小流域设计洪水的特点（2）任务方面：任务方面：水保工程如水保工程如小型水库、淤地坝对洪水的调小型水库、淤地坝对洪水的调蓄作用较小，工程尺寸常取决蓄作用较小，工程尺寸常取决于设计洪峰流量，于设计洪峰流量，因此在设计因此在设计洪水计算中，主要是求设计洪洪水计算中，主要是求设计洪峰流量。峰流量。洪水总量与洪水过程洪水总量与洪水过程居于次要，可以简化。居于次要，可以简化。山东农业大学林学院（3）工程措施：工程措施：涉及的面广，数涉及的面广，数量多，又多是小量多，又多是小型，因此，型，因此，计算计算方法上要求方法方法上要求方法简便又能保证一简便又能保

6、证一定的精度。定的精度。第一节第一节 小流域设计洪水特点小流域设计洪水特点 一、一、小流域设计洪水的意义小流域设计洪水的意义二、二、小流域设计洪水的概念小流域设计洪水的概念三、三、小流域设计洪水的特点小流域设计洪水的特点四、四、小流域设计洪水推求方法小流域设计洪水推求方法小流域设计洪水小流域设计洪水推求方法推求方法有有推理推理公式法，经验公公式法，经验公式法，综合瞬时式法，综合瞬时单位线法，洪水单位线法，洪水调查法等。调查法等。推理公式法推理公式法是是从暴雨形成洪水的从暴雨形成洪水的成因出发，即由成因出发，即由暴暴雨推求流域设计洪雨推求流域设计洪峰流量，峰流量，属于成因属于成因推理方法，是半理

7、推理方法，是半理论半经验公式，是论半经验公式，是小流域计算暴雨洪小流域计算暴雨洪水的主要方法。重水的主要方法。重点介绍点介绍水科院推理水科院推理公式法公式法和由铁道部、和由铁道部、中科院地理所等提中科院地理所等提出的出的小流域暴雨径小流域暴雨径流研究组计算公式。流研究组计算公式。山东农业大学林学院（1）计算洪峰流量）计算洪峰流量是以暴雨的设计频是以暴雨的设计频率作为设计洪峰流率作为设计洪峰流量的频率，量的频率，即认为即认为暴雨和洪水是同频暴雨和洪水是同频率的。率的。（2）暴雨和损失在）暴雨和损失在时空上是均匀的，时空上是均匀的，即净雨强度不随时即净雨强度不随时间、地点变化，沿间、地点变化，沿程

8、的汇流速度不变。程的汇流速度不变。（3）把汇流面积概）把汇流面积概化为矩形，即汇流化为矩形，即汇流面积随时间的增长面积随时间的增长率是一条直线，全率是一条直线，全流域面积汇流形成流域面积汇流形成最大洪峰流量。最大洪峰流量。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 一、一、水科院推理公式法的假设条件水科院推理公式法的假设条件山东农业大学林学院1.净雨净雨总总降降雨雨量量减减去去降降雨雨损损失失后后称称之之为为净净雨。雨。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 二、二、水科院推理公式法的有关概念水科院推理公式法的有关概念2.汇流历时汇流历时()()净雨净雨从流从流域上域上某点某点流到

9、流到出口出口断面断面的时的时间即间即汇流汇流历时。历时。（见（见P76图图5-2）3.流域汇流历时流域汇流历时(m）流域流域最远最远点的点的净雨净雨流到流到出口出口断面断面的时的时间。间。4.等流时线等流时线具有具有相同相同汇流汇流时间时间的各的各点连点连线称线称为等为等流时流时线。线。山东农业大学林学院5.产流历时（产流历时（t tc c）径流径流开始开始产生产生到径到径流终流终止所止所经历经历的时的时间即间即产流产流历时，历时，又称又称为净为净雨历雨历时。时。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 二、二、水科院推理公式法的有关概念水科院推理公式法的有关概念6.全面汇流（全面汇流（

10、Q Qmm）全全部部流流域域面面积积上上的的净净雨雨汇汇集集而而成。成。7.部分汇流（部分汇流（Q Qmm）由由部部分分流流域域面面积积上上的的净净雨雨汇汇集集而而成。成。山东农业大学林学院 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 三、三、水科院推理公式法的有关公式水科院推理公式法的有关公式1全面汇流全面汇流 2部分汇流部分汇流 山东农业大学林学院根据水科院根据水科院推理公式计算小推理公式计算小流域设计洪峰流流域设计洪峰流量量Qm时，经过如时，经过如下三步骤：下三步骤：(P80)（一）设计暴雨（一）设计暴雨计算计算确定设确定设计暴雨强度计暴雨强度ip；（二）（二）产流计算产流计算确定确

11、定成峰径成峰径流系数流系数；（三）汇流计算（三）汇流计算确定流域汇确定流域汇流历时流历时。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤山东农业大学林学院（1）流域面积）流域面积（F）：）：在地形图上在地形图上勾出分水线后量得，勾出分水线后量得，在图上如看不清分在图上如看不清分水线时，应实地勘水线时，应实地勘测。测。（2）流域汇流长度）流域汇流长度（L）：）：包括坡面包括坡面和主河道长度。地和主河道长度。地形图上量取自出口形图上量取自出口断面沿主河道至分断面沿主河道至分水岭的最长距离。水岭的最长距离。（3）沿流程的平均）沿流程的平均

12、纵比降（纵比降（J）：）：自出自出口断面起根据沿流口断面起根据沿流程比降变化特征点程比降变化特征点高程及河长，利用高程及河长，利用公式计算。公式计算。P16 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤1.流域特征参数（流域特征参数（F、L、J）确定）确定山东农业大学林学院 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤2.暴雨特性参数（暴雨特性参数（n、Sp）确定）确定暴雨衰减暴雨衰减指数指数

13、n随地区随地区及历时长短及历时长短而变。常用而变。常用的暴雨强度的暴雨强度计算公式为：计算公式为：该公式由水文该公式由水文所分析了我国所分析了我国8 8个城市个城市(北京、北京、天津、南京、天津、南京、上海、成都等上海、成都等)的暴雨资料的暴雨资料制定的。制定的。山东农业大学林学院 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤2.暴雨特性参数（暴雨特性参数（n、Sp）确定）确定设计暴设计暴雨雨力雨雨力(Sp)：即：即t=1h的最的最大暴雨平大暴雨平均强度均强度(mm/h)，随地区和随地区和重现

14、期而重现期而变。变。可用水文手册中的可用水文手册中的Sp等值线图和等值线图和n值分区图计算值分区图计算暴雨强度。暴雨强度。如缺如缺Sp等值线图，可等值线图，可根据各地区的水文手册查根据各地区的水文手册查得设计地区的暴雨统计参得设计地区的暴雨统计参数数H24、Cv和和Cs，以，以t24h作为控制时间即可求得作为控制时间即可求得Sp：P83山东农业大学林学院产流计产流计算的实质算的实质是是求成峰系数求成峰系数。成峰径成峰径流系数是汇流系数是汇流历时内流历时内净雨总量净雨总量h和暴雨总量和暴雨总量H的比值。的比值。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 （二）产流计算（二）产流计算 四、四、

15、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤 求求成成峰峰系系数数的的确确定：定：产产流流历历时时（tc）的的确确定：定：山东农业大学林学院u是产流期间内损失强度是产流期间内损失强度的平均值。反映了地面平的平均值。反映了地面平均入渗能力，均入渗能力，它的大小与它的大小与土壤的渗水性、植被、地土壤的渗水性、植被、地貌、暴雨特性、土壤前期貌、暴雨特性、土壤前期含水量等有关含水量等有关。陈家瑜等。陈家瑜等提出用下式计算提出用下式计算u值值（该（该公式适合于公式适合于tc24h的情况）的情况）。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 （二）产流计算（二）产流计算 四、四、水科院推理公式

16、法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤平平均均入入渗渗强强度度（u）的的计计算算：山东农业大学林学院 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（二）产流计算 当当tc24h要改要改用下用下式计式计算下算下渗强渗强度度u：各省、自各省、自治区治区水文水文手册手册中一中一般都提出般都提出了计算了计算u值的方法。值的方法。山东农业大学林学院汇流汇流计算计算的目的目的的是是推求推求汇流汇流历时历时 。计。计算公算公式如式如下：下：第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理

17、公式法的计算步骤（二）产流计算（二）产流计算 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 （三）汇流计算（三）汇流计算 1.汇流历时汇流历时的确定的确定山东农业大学林学院四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（二）产流计算 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 （三）汇流计算（三）汇流计算 1.汇流历时汇流历时的确定的确定 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 2.汇流参数汇流参数(m)的确定的确定 m的确定是汇流计的确定是汇流计算的关键，它是反算的关键，它是反映洪水汇流特征的映洪水汇流特征的参数，参数，与植被、地与植被、地形、河网分布、河形、河网分布、

18、河槽断面形状、河道槽断面形状、河道糙率等因素有关。糙率等因素有关。m值的计算公式为：值的计算公式为：许多省许多省(区区)水文水文手册都给手册都给出了本地出了本地区区m值值的经验公的经验公式，式，供设供设计时使用。计时使用。山东农业大学林学院全面汇流全面汇流 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 四、四、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤（二）产流计算（二）产流计算 （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算 （三）汇流计算（三）汇流计算 （四）（四）洪峰流量洪峰流量Qm计算计算 部分汇流部分汇流 公式计算存在公式计算存在两个困难：两个困难：1、在计算前在计算前是未知量，无

19、是未知量，无法判断是属于法判断是属于全面汇流还是全面汇流还是部分汇流。部分汇流。2、方程中不能、方程中不能将已知量和未将已知量和未知量分开，不知量分开，不能采用代入法能采用代入法求解。求解。试算法！试算法！山东农业大学林学院1确定确定7个参数，个参数，即流域特征即流域特征参数参数F、L、J；暴雨特性参数；暴雨特性参数Sp、n；经验性参数；经验性参数u、m。2求产流历时求产流历时tc。3假定一个假定一个Qm设设，代入公式，代入公式计算计算。4.将将与与tc比较比较，判断是全面汇，判断是全面汇流还是部分汇流，选定出计算流还是部分汇流，选定出计算的的公式，公式，计算出计算出。5将将和和代入求代入求Q

20、m的公式，的公式，计算计算Qm计计，并比较，并比较Qm计计和和Qm设设是否相等，如不相等，重新是否相等，如不相等，重新假设假设Qm设设，再试算，直至相，再试算，直至相近。近。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 五、五、水科院推理公式水科院推理公式试算法试算法的计算过程的计算过程 山东农业大学林学院试算法例题试算法例题黄河下游黄河下游某流域拟某流域拟建一小水建一小水库，坝址库，坝址处流域面处流域面积积F=92km2，L=29km，J=2.02%，H24,1%=343mm，n=0.588，m=1.07，=4.9mm/h，利用，利用试算法求试算法求Qm,1%第二节第二节 水科院推理公式法

21、水科院推理公式法 山东农业大学林学院 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 试算法例题试算法例题山东农业大学林学院为解决上述方程求解设计最大洪峰流量时的两个为解决上述方程求解设计最大洪峰流量时的两个困难，可制成诺模图求解困难，可制成诺模图求解和和0。步骤如下：步骤如下：1.计算计算n、Sp、u、m、tc（同（同试算法试算法）2.求求03.求求及及根据图根据图5-13p88页，页，诺模图，可得出诺模图，可得出/0，利用公式，利用公式求得求得4.根据根据与与tc比较，判断是全面比较，判断是全面汇流还是部分汇流，利用公式计算汇流还是部分汇流，利用公式计算Qm。公式基本形式一样，差别在公式基

22、本形式一样，差别在上。上。诺模图法例题诺模图法例题 第二节第二节 水科院公式法水科院公式法 山东农业大学林学院水保工程中的小型水库、水保工程中的小型水库、淤地坝等要考虑调洪作淤地坝等要考虑调洪作用，以便确定溢洪道尺用，以便确定溢洪道尺寸。寸。因此设计洪峰流量因此设计洪峰流量推求后，还要推求设计推求后，还要推求设计洪水总量和洪水过程线。洪水总量和洪水过程线。第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 六、六、设计洪水量及洪水过程线设计洪水量及洪水过程线（一）设计洪水总量（一）设计洪水总量Wp的推求的推求hR设计净雨设计净雨深或径流深深或径流深(mm)；h24p相应于相应于频率频率P的的24h

23、的暴的暴雨量雨量H24p的径流的径流深深(mm)；a24降雨历时降雨历时等于等于24h的径流的径流系数；系数；h24P查地区查地区H24Ph24P关系关系曲线图。曲线图。山东农业大学林学院小流域多采用三角形过小流域多采用三角形过程线，由实测洪水过程程线，由实测洪水过程线概化而成。线概化而成。T=t1+t2=2Wp/Qm式中式中Wp设计洪量设计洪量(m3)；Qm设计洪蜂流量设计洪蜂流量(m3/s)；T设计洪水过程线总历设计洪水过程线总历时时(h)；t1涨洪历时，即汇流历涨洪历时，即汇流历时时t2退洪历时。退洪历时。t2/t1=，一般一般为为1-3，最高达，最高达10。第二节第二节 水科院推理公式

24、法水科院推理公式法 六、六、设计洪水量及洪水过程线设计洪水量及洪水过程线（一）设计洪水总量（一）设计洪水总量Wp的推求的推求（二）（二）洪水过程线的推求洪水过程线的推求三角形过程线三角形过程线 山东农业大学林学院一、一、公式的基本形式与特点公式的基本形式与特点2、基本形式：、基本形式：铁道部第一设计铁道部第一设计院、中科院地理院、中科院地理所等组成的小流所等组成的小流域暴雨径流研究域暴雨径流研究组提出的组提出的计算洪计算洪峰流量的简化公峰流量的简化公式。式。第三节第三节 小流域暴雨径流研究组公式小流域暴雨径流研究组公式 式中：式中：C1产流因素产流因素,C2汇流因素汇流因素,Z由暴雨与汇流因素

25、而定的指数。由暴雨与汇流因素而定的指数。1、假设条件：、假设条件：小流域暴雨小流域暴雨径径流流研研究究组法法认为：（1）流域的汇流面积随时）流域的汇流面积随时间增长率为一条曲线。间增长率为一条曲线。（2）流域内降雨也不均匀，）流域内降雨也不均匀，最大洪峰流量是由部分流最大洪峰流量是由部分流域面积汇流形成。域面积汇流形成。山东农业大学林学院 第三节第三节 小流域暴雨径流研究组公式小流域暴雨径流研究组公式 3、研究组公式的、研究组公式的特点：特点：(1)考虑到暴雨损失与暴雨强度考虑到暴雨损失与暴雨强度的关系，公式推导采用变动的洪的关系，公式推导采用变动的洪峰径流系数。峰径流系数。(2)为适应小流域

26、为适应小流域(特别是特别是100km2以下的小流域以下的小流域)山坡汇流所占比山坡汇流所占比重较大的情况，流域汇流时间采重较大的情况，流域汇流时间采用河槽与山坡汇流时间的代数和。用河槽与山坡汇流时间的代数和。(3)计算参数除暴雨及与其有关计算参数除暴雨及与其有关参数外，所有计算参数均不带频参数外，所有计算参数均不带频率概念率概念,而取平均情况而取平均情况,即暴雨与即暴雨与流量同频率。流量同频率。(4)当流域面积当流域面积F10km2时，暴时，暴雨计算考虑了点面折减系数雨计算考虑了点面折减系数一、一、公式的基本形式与特点公式的基本形式与特点山东农业大学林学院 第三节第三节 小流域暴雨径流研究组公

27、式小流域暴雨径流研究组公式 二、研究组计算二、研究组计算Qm的基本计算公式的基本计算公式令令则则式中：式中：P：最大同时汇流面积系数，为形成洪峰最大同时汇：最大同时汇流面积系数，为形成洪峰最大同时汇流面积流面积f与全流域面积与全流域面积F的比值。即的比值。即Pf/F；C：径流系数；：径流系数；n暴雨衰减指数；暴雨衰减指数；S雨力，暴雨参数；雨力，暴雨参数；tQ形形成洪峰时间；成洪峰时间；P1形成洪峰历时系数，即时间系数。为形成洪峰时间形成洪峰历时系数，即时间系数。为形成洪峰时间tQ与与流域汇流时间流域汇流时间的比值，即的比值，即PltQ/。山东农业大学林学院本章复习题本章复习题1、设计洪水及设

28、计标准的含义？小流域设计洪水特点？、设计洪水及设计标准的含义？小流域设计洪水特点？2、什么是推理公式法？、什么是推理公式法？水科院法和小流域暴雨径流研究水科院法和小流域暴雨径流研究组法的特点及其二者的区别？组法的特点及其二者的区别？3、净雨、汇流历时净雨、汇流历时()、流域汇流历时（、流域汇流历时（m）、等流时）、等流时线、产流历时（线、产流历时（tc）、全面汇流和部分汇流（）、全面汇流和部分汇流（Qm）？）？4、根据水科院推理公式，计算小流域设计洪峰流量、根据水科院推理公式，计算小流域设计洪峰流量Qm时，时，必须确定那些内容？必须确定那些内容？5、根据小流域暴雨径流研究组公式，计算计算小流域设、根据小流域暴雨径流研究组公式，计算计算小流域设计洪峰流量计洪峰流量Qm时，需要确定哪些参数？时，需要确定哪些参数？思考题思考题谈谈小流域设计洪水推求的实践意义？谈谈小流域设计洪水推求的实践意义？第五章第五章 小流域设计洪水的计算小流域设计洪水的计算