第五章小流域设计洪水的计算(gao)

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在水土保持工作一般是在小小 流域流域上进行的。水土保持上进行的。水土保持 工程的规划设计、测流建工程的规划设计、测流建 筑物的设计都需要研究工筑物的设计都需要研究工 程所在地点河流的水文态程所在地点河流的水文态 势，势，计算设计洪水。计算

2、设计洪水。 一一、小流域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）小流域集水面积）小流域集水面积: 水文计算水文计算 通常不超过通常不超过200-300km2。水保上。水保上 指的小流域，一般在指的小流域，一般在30km2以下，以下， 最多不超过最多不超过50km2。 （2）设计洪水）设计洪水: 指符合一定设计标准的洪水，包括洪峰流指符合一定设计标准的洪水，包括洪峰流 量、洪水总量和洪水过程线三个要素。量、洪水总量和洪水过程线三个要素。洪峰流量即一次洪水流洪峰流量即一次洪水流 量的最大值，用量的

3、最大值，用Qm表示。洪水总量为一次洪水流过程的总水量。表示。洪水总量为一次洪水流过程的总水量。 山东农业大学林学院 （3）小流域设计标准）小流域设计标准: 推求设计洪水时，首先确定标推求设计洪水时，首先确定标 准。准。设计标准是指水工建筑物本身防洪安全的标准。设计标准是指水工建筑物本身防洪安全的标准。 它是水利水保工程规划设计的一个重要指标。它是水利水保工程规划设计的一个重要指标。 参阅参阅水利水电枢纽工程等级划分设计标准水利水电枢纽工程等级划分设计标准(SDJl2-78)及及 水土保持治沟骨干工程暂行技术规范水土保持治沟骨干工程暂行技术规范(SDl75-86)的规定。的规定。 第一节第一节

4、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 山东农业大学林学院 （1）多数小流域没有设站观测，多数小流域没有设站观测， 缺乏实测流量和降雨资料。有的小缺乏实测流量和降雨资料。有的小 流域虽有短期资料，但具有较多资流域虽有短期资料，但具有较多资 料的流域很大，自然地理条件相差料的流域很大，自然地理条件相差 悬殊，短期资料也难以延展。悬殊，短期资料也难以延展。因此因此 小流域设计洪水计算是在缺乏资料小流域设计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

5、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 （2）任务方面：任务方面： 水保水保 工程如小型水库、淤地工程如小型水库、淤地 坝对洪水的调蓄作用较坝对洪水的调蓄作用较 小，工程尺寸常取决于小，工程尺寸常取决于 设计洪峰流量，设计洪峰流量，因此在因此在 设计洪水计算中，主要设计洪水计算中，主要 是求设计洪峰流量。是求设计洪峰流量。洪洪 水总量与洪水过程居于水总量与洪水过程居于 次要，可以简化。次要，可以简化。 山东农业大学林学院 （3）工程措施：工程措施：涉及的涉及的 面广，数量多，又多是面广

6、，数量多，又多是 小型，因此，小型，因此，计算方法计算方法 上要求方法简便又能保上要求方法简便又能保 证一定的精度。证一定的精度。 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 小流域设计洪水推求方法小流域设计洪水推求方法有有推理公式法，经验公式法，推理公式法，经验公式法， 综合瞬时单位线法，洪水调查法等。综合瞬时单位线法，洪水调查法等。 推理公式法推理公式法是从暴雨形成洪水的成因出发，即由是从

7、暴雨形成洪水的成因出发，即由暴雨推求流域暴雨推求流域 设计洪峰流量，设计洪峰流量，属于成因推理方法，是半理论半经验公式，是小流属于成因推理方法，是半理论半经验公式，是小流 域计算暴雨洪水的主要方法。重点介绍域计算暴雨洪水的主要方法。重点介绍水科院推理公式法水科院推理公式法和由铁道和由铁道 部、中科院地理所等提出的部、中科院地理所等提出的小流域暴雨径流研究组计算公式。小流域暴雨径流研究组计算公式。 山东农业大学林学院 （1）计算洪峰流量是以暴雨的设计频率作为设计洪峰流）计算洪峰流量是以暴雨的设计频率作为设计洪峰流 量的频率，量的频率，即认为暴雨和洪水是同频率的。即认为暴雨和洪水是同频率的。 （2

8、）暴雨和损失在时空上是均匀的，）暴雨和损失在时空上是均匀的，即净雨强度不随时即净雨强度不随时 间、地点变化，沿程的汇流速度不变。间、地点变化，沿程的汇流速度不变。 （3）把汇流面积概化为矩形，即汇流面积随时间的增长）把汇流面积概化为矩形，即汇流面积随时间的增长 率是一条直线，全流域面积汇流形成最大洪峰流量。率是一条直线，全流域面积汇流形成最大洪峰流量。 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 总降雨量减去降雨损失后称之为净雨。总降雨量减去降雨损失后称之为净雨。 第二节第二节 水科院推理公式

9、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()() 净雨从流域上某点流到出口断面的时间净雨从流域上某点流到出口断面的时间 即汇流历时。（见即汇流历时。（见P76图图5-2） 3.流域汇流历时流域汇流历时( (m） 流域最远点的净雨流到出口断流域最远点的净雨流到出口断 面的时间。面的时间。 4. 等流时线等流时线 具有相同汇流时间的各点连线称为等具有相同汇流时间的各点连线称为等 流时线。流时线。 山东农业大学林学院 5.产流历时（产流历时（t tc c） 径流开始产生到径流终止所经历的时径流开始产生到径流终止所经历的时 间即产流历时，又

10、称为净雨历时。间即产流历时，又称为净雨历时。 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（Q Qm m） ） 全部流域面积上的净雨汇集而成。全部流域面积上的净雨汇集而成。 7.部分汇流（部分汇流（Q Qm m） ） 由部分流域面积上的净雨汇集而成。由部分流域面积上的净雨汇集而成。 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 )( c t F S Q n p m 278. 0 n p c S nt 1

11、)1( n p S u 1 时， c t n时， c t 1/31/4 m JmQ 278L.0 2部分汇流部分汇流 c t n1c ) t (n F S Q n p m 278. 0 n p c S nt 1 )1( 1/31/4 m JmQ 278L.0 n p p S i 山东农业大学林学院 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，经过如下三步骤：时，经过如下三步骤：(P80) （一）设计暴雨计算（一）设计暴雨计算确定设计暴雨强度确定设计暴雨强度ip； （二）（二）产流计算产流计算确定确定成峰径流系数成峰径流系数； （三）汇流计算（三）汇

12、流计算确定流域汇流历时确定流域汇流历时。 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）：）：在地形图上勾出分水线后量得，在在地形图上勾出分水线后量得，在 图上如看不清分水线时，应实地勘测。图上如看不清分水线时，应实地勘测。 （2）流域汇流长度（）流域汇流长度（L）：）：包括坡面和主河道长度。地形包括坡面和主河道长度。地形 图上量取自出口断面沿主河道至分水岭的最长距离。图上量取自出口断面沿主河道至分水岭的最长距离。 （3） 沿流程的平均纵比降（沿流程的平均纵比降（J）：）：自出口

13、断面起根据沿流程比降自出口断面起根据沿流程比降 变化特征点高程及河长，利用公式计算。变化特征点高程及河长，利用公式计算。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 2 01221110 001221110 2)( )( 2 1 )( 2 1 )( 2 1 )( 2 1 L Lhlhhlhhlhh J LhJLhlhhlhhlhh nnn nnn ）（）（ 整理后得； 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

14、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 暴雨衰减指数暴雨衰减指数n随随 地区及历时长短而变。地区及历时长短而变。 常用的暴雨强度计算常用的暴雨强度计算 公式为：公式为： 该公式由水文所分析了我该公式由水文所分析了我 国国8 8个城市个城市( (北京、天津、北京、天津、 南京、上海、成都等南京、上海、成都等) )的的 暴雨资料制定的。暴雨资料制定的。 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

15、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 设计暴雨雨力设计暴雨雨力(Sp)：即：即 t=1 h的最大暴雨平均强度的最大暴雨平均强度(mm/ h)，随地区和重现期而变。，随地区和重现期而变。 可用水文手册中的可用水文手册中的Sp等等 值线图和值线图和n值分区图计算暴雨值分区图计算暴雨 强度。强度。 如缺如缺Sp等值线图，可根等值线图，可根 据各地区的水文手册查得设据各地区的水文手册查得设 计地区的暴雨统计参数计地区的暴雨统计参数H24、 Cv和和Cs，以，以t24h作为控制作为控制 时间即可求得时间即可求得Sp：P83 山东农业大

16、学林学院 产流计算的实质产流计算的实质是求成峰是求成峰 系数系数。成峰径流系数是汇流历成峰径流系数是汇流历 时内时内 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、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 求成峰系数求成峰系数的确定：的确定： n p S u 1 时， c t n时， c t 时 c t n1c ) t (n 1/31/4 m JmQ 278L.0 产流历时（产流历时（tc）的确定：）的确定： n p c S nt 1 )1( 山东农业大学林学院 u是产流期间内损失强

17、度的平是产流期间内损失强度的平 均值。反映了地面平均入渗能均值。反映了地面平均入渗能 力，力，它的大小与土壤的渗水性、它的大小与土壤的渗水性、 植被、地貌、暴雨特性、土壤植被、地貌、暴雨特性、土壤 前期含水量等有关前期含水量等有关。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（该公式（该公式 适合于适合于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、水科院推理公式法的计算步骤水科院推理公式法的计算步骤 平均入渗强度（平均入渗强度（u）的计算）的计算： 242424 HKHhh pppR 山东农业大学林学院 第二节第

18、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 要改用下要改用下 式计算下渗强度式计算下渗强度u： 各省、自治区各省、自治区水文水文 手册手册中一般都提出中一般都提出 了计算了计算u值的方法。值的方法。 山东农业大学林学院 汇流计算的目的汇流计算的目的是推求汇流历时是推求汇流历时 。计算公式如下：。计算公式如下： 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）

19、汇流计算（三）汇流计算 1.汇流历时汇流历时的确定的确定 1/31/4 m mQ 278L.0 J V L 278. 0 3 1 4 1 JmQV m 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 的确定是汇流计算的关键，的确定是汇流计算的关键， 它是反映洪水汇流特征的参它是反映洪水汇流特征的参 数，数，与植被、地形、河网分与植被、地形、

20、河网分 布、河槽断面形状、河道糙布、河槽断面形状、河道糙 率等因素有关。率等因素有关。 m 值的计值的计 算公式为：算公式为： 许多省许多省(区区)水文手册都给出了水文手册都给出了 本地区本地区 m 值的经验公式，值的经验公式，供供 设计时使用。设计时使用。 山东农业大学林学院 全面汇流全面汇流 )( c t F S Q n p m 278. 0 n p c S nt 1 )1( n p S u 1 时， c t n时， c t 1/31/4 m JmQ 278L.0 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（

21、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 c t n1c ) t (n F S Q n p m 278. 0 n p c S nt 1 )1( 1/31/4 m JmQ 278L. 0 公式计算存在两个困难：公式计算存在两个困难： 1、在计算前是未知量，无法判断是属在计算前是未知量，无法判断是属 于全面汇流还是部分汇流。于全面汇流还是部分汇流。 2、方程中不能将已知量和未知量分开，、方程中不能将已知量和未知量分开， 不能采用代入法求解。不能采用代入法求解。试算法！试算法！ 山东农业大学林学院

22、 1确定确定7个参数，个参数，即流域特征参数即流域特征参数F、L、J；暴雨特；暴雨特 性参数性参数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，代入公式计算 ，代入公式计算。 。 4. 将将与与tc比较比较，判断是全面汇流还是部分汇流，选，判断是全面汇流还是部分汇流，选 定出计算定出计算的的公式，公式，计算出计算出。 5将将和和代入求代入求Qm的公式，计算的公式，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，重新假设 是否相等，如不相等，重新假设Qm设 设 ，再试 ，再试 算，直至相近。算，直至相近。 第

23、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 黄河下游某流域拟建一小水库，坝址处流域面积黄河下游某流域拟建一小水库，坝址处流域面积F=92km2， L=29km，J=2.02%，H24,1%=343mm，n=0.588，m=1.07， =4.9mm/h，利用试算法求，利用试算法求Qm,1% 第二节第二节 水科院推理公式法水科院推理公式法 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 859. 029. 5 61.92 9 . 4 1 S u

24、 1 588. 0n p 86. 026. 5 61.92 9 . 4 1 S u 1 588. 0n p 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 0 3. 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

25、，利用公式计算Qm。 公式基本形式一样，差别在公式基本形式一样，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水保工程中的小型水 库、淤地坝等要考虑库、淤地坝等要考虑 调洪作用，以便确定调洪作用，以便确定 溢洪道尺寸。溢洪道尺寸。因此设因此设 计洪峰流量推求后，计洪峰流量推求后， 还要推求设计洪水总还要推求设计洪水总 量和洪水过程线。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设计净雨深或

26、径流深设计净雨深或径流深(mm)； h24p相应于频率相应于频率P的的24h的暴雨量的暴雨量H24 p的径流深 的径流深(mm)； a24降雨历时等于降雨历时等于24h的径流系数；的径流系数； h24P查地区查地区H24Ph24P关系曲线图。关系曲线图。 m Fh10W 3 R 3 P ）（ Fh10F10aHW 24p 33 2424PP 山东农业大学林学院 小流域多采用三角形过程线，由实小流域多采用三角形过程线，由实 测洪水过程线概化而成。测洪水过程线概化而成。 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

27、程线总历时设计洪水过程线总历时(h)； t1涨洪历时，即汇流历时涨洪历时，即汇流历时 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：铁道部第一铁道部第一 设计院、中科院地理所等设计院、中科院地理所等 组成的小流域暴雨径流研组成的小流域暴雨径流

28、研 究组提出的究组提出的计算洪峰流量计算洪峰流量 的简化公式。的简化公式。 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 Z 21m CCQ， 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组法法认认 为为： （1）流域的汇流面积随时间）流域的汇流面积随时间 增长率为一条曲线。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域最大洪峰流量是由部分流域 面积汇流形成。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、研究组公式的特点：、研究组公式的特点： (1)考虑到暴雨损失与暴雨强度的关系，公式推导采用考虑到暴雨损失与暴雨强度的关系，公式推导采用 变动的洪峰径流系数。变动的洪峰径流系数。 (2)为适应小流域为适应小流域(特别是特别是100km2以下的小流域以下的小流域)山坡汇山坡汇 流所占比重较大的情况，流域汇流时间采用河槽与山流所占比重较大的情况，流域汇流时间采用河槽与山 坡汇流时间的代数和。坡汇流时间的代数和。 (3)计算参数除暴雨及与其有关参数外，所有计算参数计算参数除暴雨及与其有