水文学第6章青岛理工剖析

1、2022-4-112022-4-12会利用资料对暴雨损失及流域汇流进行分析会利用资料对暴雨损失及流域汇流进行分析理解理解水科院水文研究所水科院水文研究所及及铁一院两所铁一院两所对暴雨对暴雨洪峰流量的推理公式洪峰流量的推理公式2022-4-131 1、小流域暴雨洪水计算意义、小流域暴雨洪水计算意义 小流域设计洪水是规化设计中小型水利工小流域设计洪水是规化设计中小型水利工程、铁路及公路、桥涵、城市厂矿防洪设施等程、铁路及公路、桥涵、城市厂矿防洪设施等的基本依据。的基本依据。 6 61 1 小流域暴雨洪水计算的特点小流域暴雨洪水计算的特点小流域面积小流域面积1 1 地形平坦：地形平坦：3003005

2、00500KmKm2 22 2 地形复杂：地形复杂：101030 30 KmKm2 22022-4-14（1 1）一般无实测的流量资料。若有实测的暴雨资料，）一般无实测的流量资料。若有实测的暴雨资料， 可通过其间接推算。可通过其间接推算。 （2 2）重点是设计洪峰流量的推求。）重点是设计洪峰流量的推求。 但在我国，实际上绝大多数的小流域无水文但在我国，实际上绝大多数的小流域无水文站，缺乏自记暴雨资料及径流资料，故小流域设站，缺乏自记暴雨资料及径流资料，故小流域设计洪水是在缺乏资料情况下，如何估算设计洪水计洪水是在缺乏资料情况下，如何估算设计洪水的问题。的问题。2 2、特点、特点2022-4-1

3、53 3、推求方法、推求方法（1 1）推理公式）推理公式由设计暴雨推求设计洪水。以暴雨形成洪水由设计暴雨推求设计洪水。以暴雨形成洪水 的成因分析为基础，考虑影响洪峰流量的主的成因分析为基础，考虑影响洪峰流量的主 要因素，建立数学模型，再据实测资料推求要因素，建立数学模型，再据实测资料推求 参数。参数。2022-4-16综合分析本地区具有观测资料小流域设计洪综合分析本地区具有观测资料小流域设计洪 水成果，建立地区性经验公式，推求设计洪水成果，建立地区性经验公式，推求设计洪 峰流量。峰流量。（2 2）地区性经验公式）地区性经验公式4 4、推求公式时应重点分析的问题、推求公式时应重点分析的问题202

4、2-4-176 62 2 设计净雨量的推求设计净雨量的推求一、暴雨损失及分类一、暴雨损失及分类1 1、暴雨损失、暴雨损失指降雨过程中，由于植物截留、蒸发、填洼指降雨过程中，由于植物截留、蒸发、填洼 和下渗而损失的水量。和下渗而损失的水量。一次降雨的损失主要是下渗损失一次降雨的损失主要是下渗损失2022-4-18暴雨量减去损失量暴雨量减去损失量2 2、净雨量（地表径流量）、净雨量（地表径流量）3 3、损失分类、损失分类截留损失截留损失下渗损失下渗损失填洼损失填洼损失蒸发损失蒸发损失2022-4-19二、下渗二、下渗降落到地面的雨水从地面渗入到土壤的过程。降落到地面的雨水从地面渗入到土壤的过程。1

5、 1、下渗的物理过程、下渗的物理过程渗润阶段渗润阶段渗漏阶段渗漏阶段渗透阶段渗透阶段渗漏阶段渗漏阶段饱和水流稳定运动饱和水流稳定运动非饱和非饱和水稳定水稳定运动运动2022-4-1102 2、下渗曲线与下渗量累积曲线、下渗曲线与下渗量累积曲线（1 1）下渗曲线）下渗曲线下渗率与时间的关系曲线，也称下下渗率与时间的关系曲线，也称下 渗率过程线或下渗容量曲线。渗率过程线或下渗容量曲线。下下渗渗率率时间时间2022-4-111（1 1）下渗率（）下渗率（f f0 0） 单位时间内的下渗量（单位时间内的下渗量（mm/hmm/h）。）。是表示雨是表示雨水下渗快水下渗快慢的量慢的量B B、若供求充足，初始

6、的若供求充足，初始的 f f0 0 与土壤的土与土壤的土 质有关，也与土壤的干湿状况有关。质有关，也与土壤的干湿状况有关。C C、干燥土壤一般可达到干燥土壤一般可达到 70 7080 80 mm/hmm/h以上。以上。A A、下渗率随时间由大到小改变。下渗率随时间由大到小改变。2022-4-112（2 2）稳渗率（）稳渗率（f fc c）若土质的疏密程度与温度变化不大时，下渗率若土质的疏密程度与温度变化不大时，下渗率 比较稳定，趋于常数，此常数称稳渗率。比较稳定，趋于常数，此常数称稳渗率。 f fc c 只与土质有关，与初雨时土壤的干湿只与土质有关，与初雨时土壤的干湿程度无关。程度无关。黄粘土

7、：黄粘土：f fc c =1.0 =1.01.3 mm/h1.3 mm/h细砂：细砂：f fc c =7 =78 mm/h8 mm/h如如2022-4-113下渗量与时间的关系曲线。下渗量与时间的关系曲线。4 4、下渗曲线与下渗量累积曲线的关系、下渗曲线与下渗量累积曲线的关系图图613 3、下渗量累积曲线、下渗量累积曲线是微分与积分的关系，是微分与积分的关系， 前者随时间下前者随时间下 降，后者随时间上升。降，后者随时间上升。2022-4-114三、设计净雨量的推求三、设计净雨量的推求径流系数法径流系数法水量平衡法水量平衡法分阶段扣损法分阶段扣损法相关法相关法 分阶段扣损法是下渗曲线法的一种简

8、化法分阶段扣损法是下渗曲线法的一种简化法将一次降雨的损失过程分为初损和后损将一次降雨的损失过程分为初损和后损2022-4-1151 1、暴雨损失的两个阶段、暴雨损失的两个阶段从开始降雨到产生地面径流期间的损失。从开始降雨到产生地面径流期间的损失。（1 1）初期损失（初损）初期损失（初损）（2 2）后期损失（后损）后期损失（后损）产生地面径流以后的损失。产生地面径流以后的损失。 后期损失并非稳定下渗，而是由大到小趋于后期损失并非稳定下渗，而是由大到小趋于稳定变化，实际计算中常用一个常数来表示即平稳定变化，实际计算中常用一个常数来表示即平均下渗率均下渗率f2022-4-116降雨过程降雨过程损失过

9、损失过程程时间时间 t t降雨强度降雨强度i损失强度损失强度f初损初损后损后损2022-4-117后损过程中，单位时间平均下渗量。后损过程中，单位时间平均下渗量。3 3、一次暴雨总净雨量计算、一次暴雨总净雨量计算2 2、平均下渗率、平均下渗率fct fIPR0R R 总净雨量（总净雨量（mmmm）P P 总降雨量（总降雨量（mmmm）I I0 0初损量初损量( (mm)mm) t tc c净雨历时（产流历时）（净雨历时（产流历时）（h h）后损平均下渗率后损平均下渗率( (mm/h)mm/h) f2022-4-1186 63 3 流域汇流流域汇流一、暴雨洪水形成过程一、暴雨洪水形成过程 与地面

10、径流的形成过程相同。降雨开始后，与地面径流的形成过程相同。降雨开始后，除植物截留的一部分，其余产生下渗，当土壤达除植物截留的一部分，其余产生下渗，当土壤达到饱和后，开始产生地面径流，当广大流域均产到饱和后，开始产生地面径流，当广大流域均产生径流时，水量逐渐增大，沿途汇入河网的流量生径流时，水量逐渐增大，沿途汇入河网的流量不断加强，从而形成洪水。不断加强，从而形成洪水。2022-4-119二、等流时线原理二、等流时线原理 流域上各处在不同时间所形成的径流汇集到流域上各处在不同时间所形成的径流汇集到出口断面的过程，可用等流时线原理加以解释。出口断面的过程，可用等流时线原理加以解释。1 1、流域汇流

11、过程、流域汇流过程将将坡地漫流坡地漫流与与河槽集流河槽集流两个相继发生的地两个相继发生的地 面径流汇集过程作为一个整体分析，将其面径流汇集过程作为一个整体分析，将其 统称为汇流过程。统称为汇流过程。2022-4-120设想将流域划分为若干集流面积，如果落在线设想将流域划分为若干集流面积，如果落在线 上的净降雨通过坡地与河槽流到出口断面所需上的净降雨通过坡地与河槽流到出口断面所需 时间都相等，则此界线称为等流时线。时间都相等，则此界线称为等流时线。2 2、等流时线、等流时线3 3、共时径流面积、共时径流面积 f fi i等流时线与流域分水线所构成的面积。等流时线与流域分水线所构成的面积。2022

12、-4-121f1f2f3f4 等流时线等流时线共时径流面积共时径流面积注意：注意：等流时线不是固定不变的，而是随汇流速等流时线不是固定不变的，而是随汇流速 度变化，计算中，位置不变的等流时线只度变化，计算中，位置不变的等流时线只 是相当于流域平均汇流速度时的等值线。是相当于流域平均汇流速度时的等值线。2022-4-1224 4、流域平均汇流速度、流域平均汇流速度LV L L主河槽长度主河槽长度最大汇流时间最大汇流时间5 5、径流形成过程、径流形成过程见下页见下页2022-4-123t降雨强度降雨强度 i下渗率下渗率 fit流量流量 Qt3t2t1t4tct1 降雨开始；降雨开始；t2净雨终止；

13、净雨终止；t3径流开始；径流开始；t4径流终止；径流终止； 流域最大汇流时间；流域最大汇流时间；= t4t2tc净雨历时净雨历时2022-4-124三、不同净雨历时情况下的径流过程三、不同净雨历时情况下的径流过程 据净雨历时据净雨历时 t tc c 与汇流时间与汇流时间 的关系的关系可分为三种情况：可分为三种情况：1 1、t tc c 1 不均匀降雨时：不均匀降雨时：2 2 均匀降雨时：均匀降雨时：)(41322314tfRfRfRfRkQmkiFFtRkQmR R 1 1 ，R R 2 2，R R 3 3 ，R R 4 4 四个时段对应的净雨量。四个时段对应的净雨量。具体计算见表具体计算见表

14、6.16.12022-4-127如图如图6 66 6径流过程线（径流过程线（c c）3 3、t tc c 洪峰流量同洪峰流量同 t tc c= 时的情况，只不过时的情况，只不过Q Qm m将持将持续续 t= tt= tc c- - 时段，曲线呈梯形。时段，曲线呈梯形。 按上述不同历时求得的径流过程线与地面按上述不同历时求得的径流过程线与地面实际径流过程线有一定的差别，这是因为用等流实际径流过程线有一定的差别，这是因为用等流时线原理计算汇流过程的假定引起的，故应据实时线原理计算汇流过程的假定引起的，故应据实测值对其进行修正，以提高计算精度。测值对其进行修正，以提高计算精度。2022-4-128四

15、、暴雨洪峰流量公式四、暴雨洪峰流量公式1 1、部分汇流、部分汇流（t tc c）f ikQmm部分汇流的情况下，最部分汇流的情况下，最 大洪峰流量大洪峰流量Q Qm m的大小及出的大小及出现时间与流域形状有关。现时间与流域形状有关。f fm m最大共时径流面积。最大共时径流面积。i i平均暴雨强度。平均暴雨强度。2022-4-129FikQm2 2、全面汇流、全面汇流（t tc c）总的地面径流历时：总的地面径流历时：td = tc +2022-4-1306 64 4 暴雨洪峰流量的推理公式暴雨洪峰流量的推理公式 此推理公式是利用暴雨资料推求洪峰流量的一种此推理公式是利用暴雨资料推求洪峰流量的

16、一种方法。此法认为流域出口处形成的最大流量，是降落方法。此法认为流域出口处形成的最大流量，是降落在流域上的暴雨经过产流与汇流两个阶段演变的结果。在流域上的暴雨经过产流与汇流两个阶段演变的结果。由于对暴雨、产流、汇流的处理方式不同，形成的推由于对暴雨、产流、汇流的处理方式不同，形成的推理公式也不尽相同。理公式也不尽相同。2022-4-131278.0FAQnmy一、水科院水文研究所推理公式一、水科院水文研究所推理公式1 1、洪峰流量基本计算式：、洪峰流量基本计算式：)/(3sm单位：单位：（1 1）多雨地区：）多雨地区：F 300F 300500 Km500 Km 2 2；（2 2）干旱地区：干

17、旱地区：F 100F 3 查图查图6 61010。 可不必判断可不必判断 t tc c 及及的大小。的大小。 22 t tc c 1 t tc c 时：时：nAfy1nctn1)(y2022-4-133nnRnnRAnnf111)()1 (损失系数即平均入渗率损失系数即平均入渗率f值值（2 2）可由此式制成可由此式制成图表图表6 68 8直接由曲直接由曲线查找线查找f2022-4-134RR=P246.16式式R RR R 产生洪峰时的净雨量产生洪峰时的净雨量P P24242424小时暴雨量小时暴雨量2424小时径流系数小时径流系数, ,表表6 62 2. .1 1 无资料时无资料时2022-

18、4-1352 2 有资料时有资料时3 3 如果如果 t tc c 2424小时可利用公式：小时可利用公式：6.17式式可由有关图表查找可由有关图表查找R RR R值也可利用当地综合分析所得的值值也可利用当地综合分析所得的值f24)1 (24Pf2022-4-136（6.16.18 8）1vl278. 0（3 3）值值流域汇流时间流域汇流时间计算式：计算式：n410y2（6.26.24 4）3 （6.26.23 3）nnnAFLmS41443/1430)()(278. 02022-4-137 计算洪峰流量必须确定计算洪峰流量必须确定和和，此二值的计算与此二值的计算与产流时间及汇流时间有关，应分别

19、计算。见式（产流时间及汇流时间有关，应分别计算。见式（A A）、）、（B B）( (p182p182) )，但因在运算中，无法事先判明是全流域但因在运算中，无法事先判明是全流域汇流还是部分流域汇流，故可查图（汇流还是部分流域汇流，故可查图（6.96.9）及）及(6.10)(6.10)，此法不必判定此法不必判定 t t c c与与关系的大小。关系的大小。 应注意应注意图（图（6.96.9）适用于）适用于=1 =1 时的情况（时的情况（=0 0）2022-4-138（4 4）m m 值值汇流参数汇流参数计算式：计算式：4/13/1278. 0mQsLm （6.26.27 7）与山坡及河槽的糙率、流

20、域长度及比降有关。与山坡及河槽的糙率、流域长度及比降有关。可利用暴雨资料求得可利用暴雨资料求得无暴雨资料时无暴雨资料时m m值可查表值可查表6.36.3估算。估算。特殊情况应作调整特殊情况应作调整2022-4-139利用暴雨资料确定利用暴雨资料确定m m时，必须首先确定时，必须首先确定流域为全面汇流还是部分汇流。流域为全面汇流还是部分汇流。1tc时：时：=Qm0.278 RR F（6.28）2tc时：时：=0.278 RFQm（6.29）2022-4-140)(tftRt278.0FQRm tR tt可据实测资料求得可据实测资料求得关系曲线。关系曲线。 在图上查找在图上查找值。值。见图（见图（

21、6.11）R tt产流强度产流强度 因因6.296.29式中式中 R R是是的函数，不能直接利用公式，可的函数，不能直接利用公式，可进行适当变换。进行适当变换。6.306.302022-4-141（5 5）F F、L L、s s流域特征参数值流域特征参数值F F出口断面以上的流域面积出口断面以上的流域面积L L流域长度流域长度S S 河槽平均比降河槽平均比降可由地形图可由地形图或实地勘测或实地勘测而得而得2022-4-1423 3、设计洪峰流量计算应具备的基本资料、设计洪峰流量计算应具备的基本资料应用水科院水文研究所公式应用水科院水文研究所公式1 1 流域地形图和流域情况说明。此可作为确定流域

22、特流域地形图和流域情况说明。此可作为确定流域特 征值和选定参数时的参考。征值和选定参数时的参考。2 2 流域暴雨统计资料或暴雨参数等值线图及频率查算流域暴雨统计资料或暴雨参数等值线图及频率查算 表。此可确定暴雨参数。表。此可确定暴雨参数。3 3 本地区综合分析所得本地区综合分析所得 m m、 值。若无此资料，在工值。若无此资料，在工 程允许下，可参照表程允许下，可参照表6.26.2和和6.36.3。f2022-4-143二、铁一院两所公式二、铁一院两所公式1 1、洪峰流量的物理模型和计算式、洪峰流量的物理模型和计算式（1 1）建立基本计算式的思路）建立基本计算式的思路由实验证明：共时径流面积随

23、时间的增长由实验证明：共时径流面积随时间的增长并非常数（图并非常数（图1 1），净雨强度随时间也并非直线），净雨强度随时间也并非直线改变（图改变（图2 2），故洪峰流量应发生在面积），故洪峰流量应发生在面积 f f 与与净雨强度净雨强度i i 的乘积最大的时刻（图的乘积最大的时刻（图3 3的的A A点）。点）。tftQf图图 （1）tQtQQm图图 （3）ti1tQ净雨净雨强度强度i1图图 （2）A2022-4-144由此建立由此建立Q Qm m的基本计算模型的基本计算模型Q Qm m造峰流量造峰流量t tQ Q 造峰历时造峰历时f f 造峰面积。造峰面积。此时此时QttmfifiQ1max1

24、6.306.302022-4-1451PtQy278. 0PFtAQnQm（2 2）计算式）计算式: :式中的式中的A A、F F、 、n n 求解方法同水文研究求解方法同水文研究所公式。所公式。633式式634式式P造峰面积系数造峰面积系数P1造峰历时系数造峰历时系数2022-4-1462 2、参数确定、参数确定（1 1）暴雨点、面折减系数）暴雨点、面折减系数将点雨量换算成面雨量时的折减系数将点雨量换算成面雨量时的折减系数（3 3）适用范围）适用范围我国西北各省、区及流域面积我国西北各省、区及流域面积 100 6.0016.011Fh20PPFh6.376.376.386.38 面平均降雨量

25、面平均降雨量点最大暴雨量点最大暴雨量FP0P2022-4-148 暴雨损失不仅受流域自身条件的影响，在暴雨损失不仅受流域自身条件的影响，在 产流期还受暴雨强度的影响。产流期还受暴雨强度的影响。（2 2）暴雨损失）暴雨损失f111iRf 22 净雨强度净雨强度fii1639式式640式式)1(1111yntRA3 3 径流系数径流系数643式式将其有关数据做将其有关数据做成表成表6 61010查用。查用。1 1 损失指数；损失指数； R R损失系数；损失系数； 产流期平均损失强度。产流期平均损失强度。f2022-4-149（3 3）河槽汇流因子）河槽汇流因子k k1 1 与山坡汇流因子与山坡汇流

26、因子k k2 2见见6 65 51 1式式k1k2 流域汇流过程，按其流域汇流过程，按其水力特性的不同，可分为水力特性的不同，可分为坡面汇流与河槽汇流（小坡面汇流与河槽汇流（小流域汇流中坡面汇流的比流域汇流中坡面汇流的比重较大）。重较大）。=1+211汇流时间汇流时间2022-4-150其中：其中：5 . 03/1225 . 05 . 02222278. 0mQSAFLvL30. 035. 0111111278. 0mQSALvL(6.4(6.46)6)河槽汇流时间河槽汇流时间(6.4(6.49)9)坡面汇流时间坡面汇流时间A A1 1主河槽流速系数，查表主河槽流速系数，查表6.126.12A

27、 A2 2坡面流速系数，查表坡面流速系数，查表6.136.132022-4-1515 . 023 . 015 . 03/1225 . 05 . 023 . 035. 0111)(278. 0mmmmQkQkQSAFLQSAL 22计算式计算式650651式式（4 4）造峰历时系数）造峰历时系数 P P1 1 与造峰面积系数与造峰面积系数 P P 11共时径流面积共时径流面积 f f 的分配与相应汇流时间的分配与相应汇流时间 t t 的分配，呈抛物线关系。的分配，呈抛物线关系。关系式关系式)1 (1tFf2022-4-152=2.1(K1+K2 ) -0.06平均值平均值=1.52.5。反映流域

28、汇流的综合性指数。反映流域汇流的综合性指数。 在形成洪峰条件下，汇流时间在形成洪峰条件下，汇流时间 t= tt= tQ Q，相应共时径流面积相应共时径流面积 f = ff = f Q Q，则有：则有：)1 (1)1 (11ppFftQQ653式式2022-4-1532 2 造峰面积系数造峰面积系数 P P3 3 造峰历时系数造峰历时系数 P P1 144 P P1 1 与与 n n、 的关系式的关系式FfpQ655式式QtP 1656式式)1 (1)1 (1111PPPnCn658式式2022-4-154相关关系式相关关系式121RAk22111kkCn n/nCn其中：其中：Cn查表查表614； p1可据可据 n 、查图查图614； p据据 p1