水保水文分析与洪水计算

1、第四章 水文分析与水利计算4.1. 概述水文水利计算是淤地坝工程设计最重要的工作过程之一，计算成果的准确与否直接关系到工程规模、工程投资及工程的正常运行，通过水文水利计算就可以确定淤地坝工程诸如坝高、溢洪道尺寸等工程规模。4.1.1. 水文水利计算的任务和内容淤地坝工程水文水利计算的任务就是根据已有的水文资料，预估未来工程运行期间可能发生的洪水特征值。洪水的特征值是指洪水的洪峰、洪量、洪水过程线及输沙量等。根据国家有关规范及淤地坝工程特点，淤地坝工程水文水利计算的主要内容包括：（1）设计、校核标准洪水的洪峰、洪量及过程线；（2）工程断面多年平均输沙量计算。设计标准洪水是指按工程规模，国家规范规

2、定的以一定频率出现的洪水，在该洪水条件下，淤地坝工程应能正常运行；校核标准洪水是比设计洪水还要大的一定频率的洪水，在该洪水来临的时候，淤地坝工程主体如大坝、溢洪道等不应破坏，但附属建筑物如工作桥等可以破坏。设计标准洪水与校核标准洪水的频率取多大，视工程规模、重要程度等按国家相关规范确定，淤地坝一般大多属于或等工程，主要建筑物的大坝、溢洪道等工程级别为4或5级。4.1.2. 水文水利计算时应注意的事项水文水利计算要以实测资料、历史洪水调查资料为基础，以统计、相关、频率分析等为主要手段，推求洪水、泥沙的特征值为主要目标。在资料的收集、分析、计算时应注意以下问题：（1）基本资料的收集、整理、采用要慎

3、重，对资料来源、可靠性、代表性、一致性等要重点审查，特别是调查历史洪水不能盲目采用，要看其可信度。（2）对于一些流域虽有部分洪水、泥沙资料，但资料系列较短，代表性差，应通过相关展延等手段延长资料系列，增强资料的代表性。（3）对洪水、泥沙特征值计算，一般宜采用多种方法计算，经分析、论证后，根据具体情况选用。（4）当流域特征、下垫面条件等影响计算的一些重要因素无法准确确定时，计算参数的选择宜选对工程运行偏于安全（对工程不利）的参数。4.2. 水文调查淤地坝工程多修建在小的河沟、河槽内，一般在附近没有水文站，甚至没有雨量站，因此，水文水利计算所需的资料就要通过水文调查等手段取得。淤地坝工程设计前，水

4、文水利计算收集的资料主要包括两类：一是拟建工程控制断面以上流域的地形特征参数，如流域面积、流域长度、流域平均宽度、河道纵坡、植被条件、流域地貌、地质等；二是通过各种途径收集暴雨、洪水、泥沙等资料。4.2.1. 流域主要特征（1）流域面积（也称集水面积）是指河流某断面以上的集水面积。即凡降落在该集水面积上的降雨形成的地表径流，一定通过该断面流出。当不指明断面时，流域面积就是该河流总的流域面积。流域的周边称为分水线，每个流域的分水线通常由流域四周的山脊线（分水岭）和工程控制断面围成。在不致引起混淆时，有时对河流流域面积和工程控制流域面积不加区分，通称流域面积（或集水面积）。（2）流域长度和平均宽度

5、流域的长度就是流域的轴长，即以流域出口断面为中心，作一系列的同心圆，交于流域分水线并将交点相联作割线，一直做到流域最远分水线并与最远分水线相切，各割线中点连线（最远点连到切点）的长度就是流域长度。流域面积与流域长度的比值称流域的平均宽度。（3）流域纵坡是指流域最远点分水岭到流域出口断面的平均坡度。不可与河流的纵坡混淆，河流纵坡是指河道纵坡，即从河源到流域出口的河道平均坡度。以上流域特征参数是水文水利计算的关键参数，必须保证有足够的精度。这些特征参数通常采用实地测量地形图的方法，在地形图上勾画出分水线，然后用求积仪或数方格的办法量出流域面积。流域长度用上述方法在图中量出，流域平均宽度按定义算出。

6、当没有实测地形图时，可根据1/10000比例的地形图在图中量测，极个别流域没有1/10000地形图时可以采用1/50000地形图量测，但后者量测的精度比较低。在图中量测流域特征参数时，要特别注意地形图的比例，以免比例换算错误导致成果错误。随着GPS全球定位系统技术的普及和应用，利用全球定位仪进行流域特征值测量，速度快、效果好、效率高。4.2.2. 资料的收集资料的收集除了上述流域特征参数的收集外，另一重点是水文数据、参数的收集。水文资料的收集途径主要有：附近水文站、雨量站的实测系列资料；通过实地调查得到的洪水、泥沙资料；通过省级或各地、市水文手册、暴雨洪水计算图集等查用相关数值与参数；邻近流域

7、水文站、雨量站的资料收集；邻近或相似流域洪水、泥沙资料或计算成果的收集。收集资料的项目主要有：不同时段暴雨、洪水的洪峰、洪量、蒸发强度、输沙量或流域泥沙侵蚀模数、已建工程淤积量调查等。4.2.3. 历史洪水调查（原稿35页4.2.338页表424内容） 表的编号为（41），公式编号为（41）、（42），例题编号为例41）4.3. 设计洪水洪峰流量计算流域上洪水的形成过程概括起来包括两个阶段，第一阶段称为产流阶段，第二阶段称为汇流阶段。当暴雨降落到地面后，一部分降雨渗入土壤，补充土壤水份，当地表土壤水份饱和以后，再降落的雨量满足土壤的稳定入渗后，其余部分形成地表径流，这些径流一部分可能填充流域坡

8、面上的洼地，最后剩下的雨量才是形成洪水的雨量，水文上也称为净雨，形成净雨的过程称为流域的产流过程。当流域坡面产生净雨后，这些净雨就会沿着坡面向附近小的沟道方向流动，流入各小沟道的水流汇集以后向流域出口断面处流动，在流域出口断面处形成洪水过程，这一过程称为流域的汇流过程。稳定渗入地下的降雨或消耗于以后的蒸发，或形成地下径流。反映洪水特征可以用洪水三要素来描述洪峰、洪量和历时。小流域面积上设计洪水洪峰流量计算方法主要有三种方法，一是推理公式法，二是地区经验公式法，三是水文比拟法。设计洪峰流量计算应从实际出发，深入调查，注重基本资料的可靠性；当有满足设计要求的实测洪水资料时，可以通过对实测资料的频率

9、分析，直接求取设计洪水的洪峰、洪量等；当无实测资料或虽然有实测资料，但资料系列短，代表性、可靠性不高，无法直接使用这些资料，这时应根据资料条件及工程设计要求，采用多种方法计算设计洪水洪峰流量，经论证后选用；当洪水资料缺乏时，也可利用同类地区或工程附近地区的水文站实测资料，或调查洪水，通过综合分析来计算设计洪水洪峰流量；计算时应根据当地或类似地区试验数值确定梯田、邻草地对洪水的影响；小型的淤地坝、塘坝、谷坊等沟道工程对设计洪水的影响一般可不予考虑。如果流域上的暴雨资料、流域几何参数如流域长度、平均宽度、流域纵坡、流域汇流参数等容易取得，一般推荐采用推理公式法。如果不具备上述详细资料，并且有适合当

10、地的水文手册、暴雨洪水计算手册等，可以考虑采用地区经验公式法。如果仅知道流域面积等基本参数，但邻近流域或相似流域有资料或洪水计算成果，则可以考虑采用水文比拟法。无论采用哪一种方法，首先需进行暴雨的分析计算，然后利用暴雨计算成果计算洪峰流量。通常认为，暴雨和洪水具有同频率特性，即如果一场暴雨经分析计算其频率为2，那么它所产生的洪峰流量的频率也是2。4.3.1. 推理公式法推理公式又称合理化公式，公式是从线形汇流理论出发，即假定暴雨在流域上的产流强度在时间上、空间上分布是均匀的，流域上平均产流强度与一定面积的乘积即为流域出口断面的流量，其最大值就是洪峰流量。洪峰流量计算公式见式（43）： （43）

11、 （44）式中的常数0.278为单位换算常数；Qp频率为p的洪峰流量，m3/s；洪峰径流系数，反映流域内降雨损失大小的一个参数，其意义是暴雨转变成洪水，需进行折减。它的大小与地形、地貌、植被、水土保持情况等下垫面因素有关，其大小通常在0.90.95间。下垫面条件越差，一般选值越大。Sp频率为p的1h暴雨，也称雨力，mm/h。如果有1h暴雨的长系列资料，可以通过对其进行频率分析，求得不同频率的雨力值。如果没有长系列资料，可以查阅省、地市水文手册，按各水文手册中提供的参数、公式进行计算得出。流域汇流时间， h。L流域长度，也叫流程。即沿主沟道从流域出口断面至分水岭的最长距离，km。V流域平均汇流速

12、度，需通过试算确定，一般可以取经验值1.02.0m/s，流域地形平缓时取小值，反之取大值。n暴雨递减指数，随地区不同而变化，可以从省或当地水文手册查用。F流域面积，也称集水面积，km2。（例42，见原稿45页例题）4.3.2. 地区经验公式法地区经验公式是根据该地区河道上已有的水文站、雨量站等实测的暴雨、洪水、流域特征、流域下垫面等资料，经分析、计算总结出来的一套适合在本地区使用的洪峰流量计算的公式和参数，由于地区差异，这些公式及参数不经过严格论证，不能推广或移用到其他地区。该方法的思路是先进行不同频率的暴雨分析，然后在地形图上或实地量测流域的几何特征参数，如流域面积、流域长度、河道纵坡等，然

13、后利用公式进行设计洪峰流量的计算。一般的洪峰流量计算公式分为单因素公式和多因素公式。单因素计算公式的一般形式如下： （45）所谓单因素公式，是认为洪峰流量主要与流域面积有关，式中的Cp是随地区和频率而变化的综合系数，n是经验系数。由于该公式仅考虑流域面积一个因素，无法考虑地区暴雨、河道特征等的影响，该公式有一定的局限性，故现在一般不常用。目前多采用多因素公式，常用的公式形式如下： （46）或 （47）式（46）考虑了工程控制流域面积、不同频率暴雨对洪峰流量的影响，式（47）除了考虑工程控制流域面积、暴雨外，还考虑了流域形状系数f和流域上产流分布影响系数，考虑因素较全面，是目前常用公式。还有一些

14、形式的公式考虑因素更多，但工程实际及理论研究均表明，并非考虑因素越多，公式计算结果就越准确、可靠。上式中的f为流域形状系数，其中F为工程控制流域面积，以km2计；L为流域长度，以km计；为面积折减系数，含义是流域面积越大，暴雨在流域上分布大小差异就越大，面积越大，折减系数应选小值，该系数可按当地水文手册提供的曲线、公式等求得。需要注意的是地区经验公式使用的范围和条件，流域面积太小将导致计算结果误差较大，因此，使用这类公式时要注意公式的使用条件。山西省不同地区水文手册采用的公式略有不同，但不外乎上述两种多因素公式。需要说明的一点是，这些水文手册编制时间较早，大多编于70年代，随着人类活动的增加，

15、流域下垫面条件发生较大变化，而目前使用的公式参数仍是依据原有的资料求出的，没有反映近些年的资料和情况变化，使用时要慎重，最好通过多种计算方法经分析比较后选用。以下将山西省部分地区洪峰流量计算经验公式及参数、算法给出，供参考。（下接原稿45页“地区经验公式法”内容）（表编号：（42）（45）（公式编号：（48）（411）4.3.3. 水文比拟法该方法的思路是：若本工程控制流域（以下简称设计流域）面积没有洪水资料或资料不可靠也或代表性不够时，可在邻近找一个相似流域，也称参证流域，如果该参证流域上有资料或者有经专家、有关部门等论证、审核或批复过的洪水成果，可以通过建立参证流域和设计流域的关系，用参证

16、流域的洪峰流量成果直接计算出设计流域上的设计洪水洪峰流量。当然有些时候邻近流域没有合适的参证流域，经充分论证后，也可以在其他类似地区选择参证流域，但这种参证流域的选择要充分论证、慎重选择。该方法的核心是寻找合适的参证流域，一般所选参证流域的气候特征，如降雨量、暴雨发生的时间等要与设计流域相近或同步，参证流域与设计流域的流域面积相差不多，两流域下垫面条件相近，如流域地形、地貌、植被等相近，这时候就可以用参证流域上的设计洪水洪峰成果求出设计流域的设计洪峰值。如果恰好参证流域与设计流域面积、暴雨特征、下垫面条件几乎完全相同，可以将参证流域上的洪水成果，包括洪水的洪峰、洪量等，直接搬过来使用，无需修正

17、，这种方法叫移植。如果参证流域与设计流域在某些主要特征上有差异，可以通过修正的办法来得到设计流域的洪峰。例如当两个流域的流域面积相差较多，暴雨基本一致时，主要对流域面积差异进行修正，计算公式为： （412）式中：设计流域频率为p的洪峰流量，m3/s；参证流域频率为p的洪峰流量，m3/s；F设设计流域的流域面积，km2；F参参证流域的流域面积，km2。如果参证流域与设计流域不同频率暴雨量差别大，流域面积相差不多，可以用下式进行修正： （413）式中：设计流域频率为p的洪峰流量，m3/s；参证流域频率为p的洪峰流量，m3/s；Hp设设计流域频率为p的时段暴雨（一般用1h或24h暴雨），mm；Fp参

18、参证流域频率为p的时段暴雨（一般用1h或24h暴雨），mm。如果流域面积和时段暴雨均有差异，可用下式修正： （414）式中各符号含义同前。水文比拟法使用时要注意，参证流域与设计流域的气候条件要一致，两流域的产、汇流条件、有关地理、地质、植被等下垫面相似，流域面积不能相差太大。例43：某小流域计划在沟道出口修建淤地坝工程，工程控制流域面积12km2，本流域没有任何水文实测资料，但相邻流域有资料，并且有设计洪水成果，该成果已经市水利局组织专家进行过审查并通过，该流域的流域面积为13.8km2，2设计洪峰流量为121.0m3/s，求设计流域的2设计洪水洪峰流量。根据已知数据及有关情况概述，可以采用水

19、文比拟法。 （415）4.3.4. 洪水调查法如果流域没有满足要求的暴雨资料，无法直接进行设计洪水计算，也没有合适的参证流域可以借用，但有若干历史大洪水的调查值，经论证认为可靠，则可以利用本方法。该方法思路是先进行调查洪水频率计算，然后利用频率与洪水的模比系数关系进行设计洪水的计算。4.1.1.1. 调查洪水的频率计算调查洪水的频率计算用式（416）计算： （416）式中：P调查洪水频率，也称经验频率； m在已调查的几次大洪水中由大到小的顺序位； n调查年份与洪水发生年份之间的年数。其中的调查年份应该是修建工程前进行水文分析时的年份。调查洪水的重现期N与频率的关系为： （417）4.1.1.2

20、. 设计洪峰流量计算（1）如果有一个洪水调查值，设计洪峰流量按下式计算： （418） （419）式中：最大流量系列的均值，m3/s；已知重现期的洪水调查值，m3/s相应于调查洪水频率的模比系数；可以通过查省及地、市水文手册中所附的kp表得到。频率为P的设计洪峰流量，m3/s；频率为P的模比系数，由省及各地、市水文手册中的所附Cv、Cs，通过皮尔逊型曲线Kp表中查得。（2）如果有两个洪水调查值，设计洪峰流量应按以下公式计算： （420） （421） （422）式中：两次调查洪水得设计洪峰流量均值，m3/s；已知重现期洪水调查值，m3/s；相应于调查洪水频率P1、P2的模比系数。（3）如果多于二个

21、洪水调查值，就可以用频率分析方法确定不同频率洪峰流量。以下举例说明。例44：某淤地坝工程计划在2003年建设，由于流域没有水文资料，也无可借鉴的参证流域，但通过大量的调查、考证，有4场历史大洪水认定为可靠，这4场大洪水发生的时间分别为1877年、1914年，1922年和1969年，对应的洪峰流量分别为2790m3/s、2130 m3/s、2630 m3/s和2180 m3/s，1969年以来，没有发生过大洪水，更没有发生超过以上调查洪水最小值的洪水。根据历史洪水洪峰的大小排队，按最早一场调查洪水作为起算时间，对每场洪水的频率进行计算，计算过程及结果见表46。表46 历史调查洪水频率、重现期计算

22、调查年份1877191419221969调查洪峰流量（m3/s）2630297026302180按洪峰大小排队（m3/s）2790263021802130序号1234计算公式，其中的n200318771127计算经验频率（）0.781.562.343.13重现期（年）1286443324.4. 设计洪水总量计算设计洪水总量是指一场洪水从开始到结束，流过工程控制断面的洪水总量，它是决定淤地坝工程防洪库容大小的重要依据。与上节洪峰流量计算相应，设计洪水总量计算也可以分为推理公式法和地区经验公式法。（1）推理公式法洪水总量按公式（423）计算： （423）式中：Wp设计洪水总量，104m3； 洪水总

23、量径流系数，可采用当地经验值； Hp频率为p的流域中心点24h雨量，mm。可以通过水文手册等查取；1/10为单位换算系数。 F工程控制流域面积，km2。表47是我省部分地类不同土质24h暴雨径流系数，可供查用。（原稿49页表451，编号（47）（2）如果采用地区经验公式，设计洪水总量按公式（424）计算： （424）式中：A、m洪水总量地理参数及指标，可由当地水文手册查用。其他符号含义同前。（例题49页例题，例题编号为45）4.5. 设计洪水过程线推求小流域大多无实测洪水过程线，由于小流域洪水涨落时间均较短，多为单峰洪水过程，一般将小流域洪水过程线简化为三角形洪水过程线，见图41。图41 概化

24、三角形洪水过程线三角形顶点为洪峰流量Qp，底边为洪水总历时T，三角形面积即为洪水总量Wp，t1为洪水上涨历时。洪水总历时可按公式（425）计算： （425）式中，Wp为洪水总量，104m3； T洪水总历时，h； Qp为洪峰流量，m3/s涨水历时可以按公式（426）计算： （426）式中，t1涨水历时，h； t1涨水历时系数，视洪水产、汇流条件而异，其取值变化范围在0.10.5之间，可根据当地流域特征、纵坡等情况选取； T洪水总历时，h。例46：某淤地坝工程，工程控制流域面积5.6km2，查当地水文手册得到20年一遇暴雨24h雨量为143mm，由推理公式法计算相应洪峰流量为49.3m3/s，查当

25、地水文手册，洪水总量径流系数0.3，涨水历时系数取0.25，求20年一遇设计洪水的洪水总量和洪水过程线。解：根据式（425），洪水总量为：故收集流域频率为2的设计洪水总量为24×104m3，洪水总历时2.71h，洪水过程线见图42。图42 某淤地坝设计洪水过程线4.6. 淤地坝工程调洪演算设计洪水洪峰、洪量和过程线确定之后，就可以通过调洪演算确定淤地坝工程防洪库容、设计洪水位，校核洪水位以及溢洪道宽度等重要参数，从而确定了淤地坝的坝顶高程。淤地坝工程一般不设泄洪底孔，溢洪道也不设闸门，淤地坝工程只起滞洪作用，假定设计洪水来临的时候，淤地坝内的库水位与溢洪道堰顶齐平，调洪演算时的水位、

26、库容从溢洪道堰顶起算。4.6.1. 调洪计算的原理调洪计算的原理是以淤地坝水库时段水量平衡为基础，建立时段水量平衡方程，利用淤地坝水库水位与库容、水位与泄流量关系，逐时段求解。计算原理简图见图43。调洪计算中溢洪道泄流量用式（427）计算： （427）式中：q溢溢洪道泄流量，m3/s；M流量系数； B溢洪道进口净宽度，m； H水头，为堰顶以上库水位与堰顶高程差，m。公式中的流量系数M与堰的型式、堰进口形状等有关，淤地坝一般采用宽顶堰进口，可按表48中选用，有必要时视具体情况M值可以内插。表48 宽顶堰流量系数表堰进口水流条件进口边墩、隔墩及入口形状为极光滑的流线型入口边墩、隔墩等为圆形进口边墩

27、、隔墩有明显棱角的M1.651.551.48图 43 淤地坝洪水调节计算原理示意图假定在一个t时段内，时段初、末入库洪水流量分别为Q1、Q2，出库流量分别为q1、q2，时段初、末水库相应蓄水量为V1、V2，则可建立如式（428）的时段水量平衡方程： （428）求解时，先将入库洪水过程线划分为若干计算时段，具体划分多少时段合适，根据要求的精度而定。从第一个时段开始，逐时段计算。对于第一时段，q10，V10，式（428）中仅q2、V2未知，先假定q2为q21，即可通过公式（428）算出时段末水库蓄水量，假定算出的蓄水量为V21，然后通过水库水位、库容关系根据V21查得相应水位，再由该水位查取对应的

28、下泄量q22，如果q22q21，则假定成立，该时段末下泄量即为q2q22，否则重新假定q21，重复上述步骤，直到假定值与查算值相等为止。至此第一个时段计算结束。将第一个时段的时段末下泄流量作为第二个时段的时段初下泄流量、第一时段末的水库蓄水量作为第二个时段初的水库蓄水量，按照上述步骤重复计算，即可求出下泄过程，最终可以求出最大下泄量、水库的防洪库容等。该方法一般用于较大淤地坝工程的调节计算，详细计算步骤和方法参阅有关水文水利计算内容。淤地坝一般库容较小，通常可以将入库洪水过程线和出库洪水过程线均简化为三角形，然后利用几何关系求解。图44 概化三角形洪水调节计算原理图图中，Qm洪峰流量，m3/s

29、； qm最大下泄流量，m3/s。在图中，oaco包围的面积为入库洪水总量，obco为时段T内下泄的洪水总量，oabo为水库滞洪量，该值实质上就是防洪库容Vp。由上图几何关系得： （429）其中，W为该场洪水得洪水总量： （430） （431）式中W、Qm已知，给定qm，就可以求初所需要得防洪库容Vp。求解方法多采用图解法或试算法，其中以试算法简单，这里只介绍试算法，图解法等方法，请查阅相关资料。试算法步骤：先假定qm，用式（431）算出Vp，通过水库水位、库容关系查得对应水位，然后由该水位在水库的水位泄流关系曲线上查得一个下泄量qm，1，如果qmqm，1，则Vp就是所需要得防洪库容，反之重新假定qm，直到满足假定与查算的泄流量相等为止。（例题见原稿53页例题