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1、第五章 小流域及城市设计洪水,章节内容,第一节 小流域设计洪水计算特点,小流域设计洪水计算,小流域通常指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制。 小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有许多特点，并且广泛应用于铁路、公路的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。,？,小流域设计洪水计算方法的特点,（1）方法必须适用于无资料地区 （2）方法应简便易行 （3）方法可以着重推求设计洪峰,我国目前情况下，绝大多数小流域既没有流量资料，又缺乏暴雨记录，设计洪水的计算方法必须适应这种资料条件。,面广量大的农田水利工程和城市雨洪
2、排水工程，要求在一个短时期内给出相当量的设计成果，而且大多由基层负责规划设计，这就要求方法简便易行，便于掌握。,一般小型水库的蓄水库容较小，设计标准低，对洪水的调蓄能力有限，设计洪峰对水库设计影响较大，洪水过程线形状的影响较小。,计算基本方法,小流域设计洪水的计算方法概括起来有4种： 推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法、综合单位线法 其中应用最广泛的是推理公式法和综合瞬时单位线法。它们的思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨设计净雨设计洪水的顺序进行计算。,第二节 小流域设计暴雨,小流域设计洪水计算，大多数采用由暴雨推求洪水的方法，因此，首先需要推求设计暴雨,设计暴雨
3、： 具有某一规定频率的一定时段的暴雨量或平均暴雨强度。,基本假定： 暴雨与其所形成洪峰流量或洪量具有相同的频率,小流域暴雨特点,（1）历时短，一般从几十分钟到若干小时； （2）缺乏实际观测资料 （3）面积小，可以忽略暴雨在地区上的分布不均匀性,把流域中心点雨量作为流域面雨量，无需考虑点面雨量折算 由最大1日设计雨量X1日,p推求历时t的设计雨量Xt,p,设计暴雨推求常用步骤：,根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如暴雨径流查算图表）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出统计历时的流域设计雨量，如24h设计暴雨量等； 将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量； 按分区概化雨型或移
4、用的暴雨典型同频率控制放大，得设计暴雨过程。,暴雨公式,暴雨公式及参数的推求,暴雨公式在一定频率情况下时段平均暴雨强度i与历时t的关系式，称为暴雨公式。,S单位历时的暴雨平均强度，又称为雨力， 随地区和重现期而变， 如果t以小时计，s就是t=1小时的暴雨强度 n暴雨递减指数，随地区及历时长短而变,对公式两边取对数：,上式为一直线方程式，lgs为截距，n为斜率，若从平均暴雨强度历时曲线上将同频率各种历时的暴雨强度i读下，在双对数坐标格纸上以i为纵坐标，t为横坐标，可点汇出一组近乎平行的直线，在线上量取t=1小时的纵坐标值和斜率值，即为s和n值。,（1）当t=1小时时，转折点的纵坐标即为s； （2
5、）当t1时，取n=n2；,水文手册查n值分区图,由24小时设计暴雨量转换为历时t的设计雨量,24小时设计暴雨量推求,由年最大一日设计暴雨量间接推求,K一般在1.11.2之间，常取k=1.15,当1ht24h时，n=n2,当t1h时，n=n1,设计暴雨的时程分配,根据典型暴雨过程各控制时段降雨量百分比进行分配。,小流域设计暴雨的最长时段一般不超过24小时，最大3小时或6小时雨量对小流域洪峰流量的影响较大，暴雨时程分配一般采用3小时、6小时、24小时作为控制时段。,设计净雨过程,由暴雨推求设计洪水，一般分产流和汇流两个阶段。 产流由降雨过程求净雨过程 产流由净雨过程求流量过程,利用损失参数值的地区
6、 综合规律计算设计净雨法,损失参数是指产流历时tc内的平均损失强度,设计净雨过程,（1）i时，降雨全耗于损失，不产生净雨； （2）i 时，损失按值进行，超渗部分即为净雨。,当设计暴雨和值确定后，即可求出任何一历时的净雨量及平均净雨强度S。,值的确定,为了便于小流域设计洪水计算，各省区水利水文部门在分析大量暴雨洪水资料之后，提出了决定值的简便方法。参阅各地区的水文手册可确定的取值。,第三节 计算洪峰流量的推理公式,推理公式又称合理化公式，已有100多年历史，是历来小流域由暴雨推求洪峰流量的一种比较常用的方法。,（1）采用平均净雨强度，其历时等于汇流历时 ； （2）暴雨与洪水同频率 （3）流域的净
7、雨强度在时间上和空间上都是不变的,基本假定,推理公式的基本形式,推理公式可从线性汇流推导出来 从等流时线的概念出发，假定产流强度在时间、空间上都均匀的情况下，流域上的平均产流强度与一定面积的乘积即为出口断面的流量，当此乘积达到最大值时即出现最大流量。,（1）全面汇流情况,在充分供水条件下，即净雨历时大于汇流时间时，净雨产生后，每一时刻总有一部分面积上的净雨同时汇流到流域出口断面。此时流域出口断面的最大流量是由t时段的净雨在全流域面积上形成的，此种情况称为全面汇流。,平均降雨强度，mm/h； 平均下渗强度，mm/h； F流域面积，km2； K单位换算系数,（2）部分汇流情况,当供水不充分时，即净
8、雨历时小于汇流时间，流域出口断面的最大流量由全部降雨、部分流域面积形成，此部分流域面积称为共时径流面积，此种情况称为部分汇流。,F共时径流面积，km2；,推理公式的基本形式,洪峰径流系数，等于形成洪峰的净雨量与降雨量之比 共时径流面积系数， =F/F,水科院推理公式,1958年陈家琦等人提出了水科院推理公式，在我国设计洪水计算中得到广泛应用。,Qm洪峰流量，m3/s； 洪峰径流系数； i平均降雨强度， mm/h； F流域面积，km2,暴雨公式,当t= 时,5个参数， 洪峰径流系数、平均雨强S、 汇流时间、暴雨指数n、流域面积F。 平均雨强S可通过公式计算 暴雨指数n查地区等值线图得出 流域面积
9、F从地形图上量出,洪峰径流系数,汇流时间,洪峰径流系数的确定,反映流域内降雨形峰过程的一种损失。 假定在流域平均降雨强度大于地面平均入渗能力的情况下，地面才能产生径流，此时产流部分内的降雨损失决定于地面下渗能力的大小，不产流部分的损失则是该部分所有降雨量。,全面汇流,部分汇流,全面汇流 tc时,出口断面处的洪峰流量是由相当于汇流时间内的最大净雨h 在全流域面积上形成的，洪峰径流系数是时段的最大净雨量h 与同时段的降雨量P 之比。,部分汇流 tc时,出口断面处的最大流量是由相当于产流历时tc内的最大净雨h R在部分流域面积上形成的，洪峰径流系数是tc时段的最大净雨量h R与时段的降雨量P 之比。
10、,流域汇流时间的计算,流域汇流过程按水力特性的不同，可分为坡面汇流和河槽汇流两个阶段。水科院采用平均的流域汇流速度来概括描述径流在坡面和河槽内的运动。,L流域最远流程长度，km v 沿流程L的流域平均汇流速度，m/s 流域汇流时间，h,流域平均汇流速度可近似计算：,m汇流参数； J沿流程的平均纵比降； Qm待求的最大流量，m3/s 、反映沿流程水力特性的经验指数，对一般山区河道， =1/3，=1/4，则,汇流参数m是汇流速度公式中的经验参数，它与流域地形、地貌、植被、河王分布、河道糙率、断面形状以及暴雨的时空分布有关。 80年代初期各省区水文部门在编制暴雨径流查算图标时，选用了能反映流域大小和
11、地形条件的流域特征因素与m建立相关关系，对m值进行地区综合。,汇流参数表m,损失参数,损失参数是产流历时内的平均下渗率，它与流域地表的透水能力、降雨量大小及其分配、降雨开始时的土壤含水量有着密切的关系。在设计条件下可以用下式估算：,hR为设计净雨量，一般可根据设计暴雨量从地区暴雨径流相关图中查出,设计洪峰流量的计算,tc,tc,试算法,已知：,第四节 计算洪峰流量的地区经验公式,计算洪峰流量的地区经验公式是根据一个地区各河流的实测洪水和调查洪水资料，找出洪峰流量与流域特征、降雨特性之间的相互关系，建立起来的关系方程式。这些方程都是根据某一地区的实测经验数据指定的，只适用于该地区，所以称为地区经
12、验公式。,包含降雨因素的多参数地区经验公式,第五节 设计洪水过程线的推求,应用推理公式或地区经验公式，只能算出设计洪峰流量，对于一些中小型水库，有时要求提供设计洪水过程线，以便分析水库的调洪能力和防洪效果，一般用水计算小流域设计洪水过程线的方法有概化过程线法和综合单位线法。,时段综合单位线,在有实测暴雨径流资料的流域上，利用单位线便可以由暴雨推求设计洪水过程，对于一般小流域，由于缺乏实测暴雨径流资料，往往不能直接求得单位线。此时，可根据附近地区从实测暴雨径流资料分析得出的单位线，建立单位线要素与流域特征之间的经验关系，从而求得单位线。上述经验线是根据地区的各种流域特征资料综合而来的，故称为综合
13、单位线。,概化过程线,概化过程线是根据实测洪水资料，经过综合分析和简化而得。概化的线型有三角形、五边形和综合概化过程线等，一般根据地区涨洪的情况选取。从概化过程线转换成设计洪水过程线，必须知道设计洪峰流量和设计洪水总量。,第六节 城市排水管网设计流量计算,管道设计流量计算,城市地区的排水主要是由地下排水管网完成的，在排水管网设计中，管道尺寸大小主要是根据设计流量来确定，应用推理公式推求管道设计流量一直是最为广泛应用的方式。,A、B、C、n暴雨公式参数 T重现期 流域汇流时间 ai、fi各分区的径流系数及面积,曼宁公式计算圆管管径,d设计圆管管径 n管道糙率 Qp指定频率设计洪峰流量 J0管道坡度,第七节 管渠排水系统设计流量过程线推求,设计雨量,设计暴雨过程拟定,均匀分配,典型分配,同频率分配,将设计雨量在降雨历时内平均分配,选用实际发生的暴雨过程作为典型，同倍比或同频率放大得设计过程,同频率分配,每一历时的雨量均满足设计频率,【例题】已知某暴雨强度公式为：,求2年一遇的设计暴雨过程,计算过程,（1）取计算时段为5分钟，得出12个历时的平均雨强i; （2）计算各历时降雨总量p=i*t； （3）由相邻历时的雨量之差求时段雨量p； （4）根据暴雨综合参数r确定雨峰位置，按单峰暴雨过程和对称原则确定时段雨强序号k，并按k的顺序位置分配相应时段雨量p，得设计暴雨过程。,the end,