工程水文学 第7章 由暴雨资料推求设计洪水Word文件下载.docx
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(1)推求设计暴雨。
根据实测资料,用统计分析和典型放大法求得。
(2)推求设计洪水过程线。
由求得的设计暴雨,利用产流方案推求设计净雨过程,利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程。
由暴雨资料推求设计洪水,其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的。
但这一假定在很多情况下并不成立。
本章将着重介绍适用于不同流域的、由暴雨资料推求设计洪水的方法,以及小流域设计洪水计算的一些特殊方法。
第二节直接法推求设计面暴雨量
一、暴雨资料的收集、审查与统计选样
1.暴雨资料的收集
暴雨资料的主要来源是国家水文、气象部门所刊印的雨量站网观测资料,但也要注意收集有关部门专用雨量站和社队群众雨量站的观测资料。
强度特大的暴雨中心点雨量,往往不易为雨量站测到,因此必须结合调查收集暴雨中心范围和历史上特大暴雨资料,了解当时雨情,尽可能估计出调查地点的暴雨量。
2.暴雨资料的审查
我国暴雨资料按其观测方法及规测次数的不同,分为日雨量资料、自记雨量资料和分段雨量资料三种。
日雨量资料一般是指当天8:
00到次日8:
00所记录的雨量资料。
自记雨量资料是以分钟为单位记录的雨量过程资料。
分段雨量资料一般以1、3、6、12h等不同的时间间隔记录的雨量资料。
暴雨资料应进行可靠性审查,重点审查特大或特小雨量观测记录是否真实,有无错记或漏测情况,必要时可结合实际调查,予以纠正,检查自记雨量资料有无仪器故障的影响,并与相应定时段雨量观测记录比较,尽可能审定其准确性。
暴雨资料的代表性分析,可通过与邻近地区长系列雨量或其他水文资料,以及本流域或邻近流域实际大洪水资料进行对比分析,注意所选用暴雨资料系列是否有偏丰或偏枯等情况。
暴雨资料一致性审查,对于按年最大值选样的情况,理应加以考虑,但实际上有困难。
对于求分期设计暴雨时,要注意暴雨资料的一致性,不同类型暴雨特性是不一样的,如我国南方地区的梅雨与台风雨,宜分别考虑。
3.统计选样
在收集流域内和附近雨量站的资料并进行分析审查的基础上,先根据当地雨量站的分布情况,选定推求流域平均(面)雨量的计算方法(如算术平均法、泰森多边形法或等雨量线图法等),计算每年各次大暴雨的逐日面雨量。
然后选定不同的统计时段,按独立选样的原则,统计逐年不同时段的年最大面雨量。
对于大、中流域的暴雨统计时段,一般取1、3、7、15、30日,其中1、3、7日暴雨是一次暴雨的核心部分,是直接形成所求的设计洪水部分;
而统计更长时段的雨量则是为了分析暴雨核心部分起始时刻流域的蓄水状况。
某流域有3个雨量站,分布均匀,可按算术平均法计算面雨量。
选择结果为:
最大1日面雨量x1日=129.9mm(7月4日),最大3日面雨量x3日=166.5mm(8月22-24日),最大7日面雨量x7日=234.0mm(7月1-7日),1、3、7日的最大面雨量选自两场暴雨。
详见表7-1。
表7-1最大1、3、7日面雨量统计(1986年)
时间(月日)
点雨量
面平均雨 量
最大1、3、7日雨量及起讫日期
A站
B站
C站
6.30
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
...
8.18
8.19
8.20
8.21
8.22
8.23
8.24
8.25
5.3
50.4
11.5
134.8
32.5
5.6
35.5
3.7
11.1
6.6
22.7
42.6
60.1
81.8
2.3
26.9
10.8
125.9
21.4
10.5
25.2
5.8
0.2
2.4
51.7
68.6
54.1
1.0
25.3
14.7
124.0
10.0
4.7
27.6
1.4
9.7
6.9
5.4
54.8
53.5
32.3
0.1
1.8
34.2
12.3
129.9
21.3
29.4
4.1
8.9
4.6
10.2
49.7
60.7
56.1
1.1
7月4日为年最大1日,x1日=129.9mm;
8月22-24日为年最大三日,x3日=165.5mm;
7月1-7日为年最大7日,x7日=234.0mm
二、面雨量资料的插补展延
在统计各年的面雨量资料时,经常遇到这样的情况:
设计流域内早期(如50年代以前及50年代初期)雨量站点稀少,近期雨量站点多、密度大,如图7-1所示。
一般来说,以多站雨量资料求得的流域平均雨量,其精度较少站雨量资料求得的为高。
为提高面雨量资料的精度,需设法插补展延较短系列的多站面雨量资料。
一般可利用近期的多站平均雨量x多与同期少站平均雨量x少建立关系。
若相关关系好,可利用相关线展延多站平均雨量作为流域面雨量。
若少站平均雨量计算采用流域内或附近均匀分布的二三个雨量站资料,则多站平均雨量与少站平均雨量的相关关系一般较好,这是因为两者具有相似的影响因素。
为了解决同期观测资料较短、相关点据较少的问题,在建立相关关系时,可利用一年多次法选样,以增添一些相关点据,更好地确定相关线。
图7-1雨量站位置和观测年限
三、特大值的处理
实践证明,暴雨资料系列的代表性与系列中是否包含有特大暴雨有直接关系。
一般的暴雨变幅不很大,若不出现特大暴雨,统计参数
、
往往会偏小。
若在短期资料系列中,一旦出现一次罕见的特大暴雨,就可以使原频率计算成果完全改观。
例如,福建长汀县四都站,根据1972年以前的最大一日雨量系列计算,其均值
=102mm,
=0.35,
=3.5
(频率曲线如图7-2中1线),据此计算求得万年一遇最大1日雨量为332mm。
而四都站,1973年出现一次特大暴雨,实测最大1日雨量达332mm,恰好相当于万年一遇的数值,在四都站年最大1日雨量的经验频率分布图上,1973年的暴雨量点据高悬于其他点据之上(特大值未作处理,适线后得出图8-2中3线),Cv值高达1.10,与周围各站的Cv相差县殊。
这些方面均说明,原参数值偏小,而1973年暴雨参加计算后,参数值又明显偏高,由此可见,特大值对统计参数
、Cv值影响很大,如果能够利用其他资料信息,正确估计出特大值的重现期,可以提高系列代表性,起到展延系列的作用。
图7-2福建四都站最大1日雨量频率曲线
判断大暴雨资料是否属特大值,一般可从经验频率点据偏离频率曲线的程度、模比系数Kp的大小、暴雨量级在地区上是否很突出,以及论证暴雨的重现期等方面进行分析判断。
近40年来,我国各地区出现过的特大暴雨,如河北省的“63.8”暴雨、河南省的“75.8”
暴雨、内蒙古的“77.8”暴雨等均可作特大值处理。
此外,国内外暴雨量历史最大值记录,也可供判断暴雨时参考。
若本流域没有特大暴雨资料,则可进行暴雨调查,或移用邻近流域已发生过的特大的暴雨资料。
移用时,要进行暴雨、天气资料的统计分析,当表明形成暴雨的气象因素基本一致,且地形的影响又不足以改变天气系统的性质时,才能把邻近流域的特大暴雨移用到设计流域,并在数量上加以修正。
特大值处理的关键是确定重现期。
对特大暴雨的重现期必须作深入细致的分析论证,若没有充分的依据,就不宜作特大值处理。
若误将一般大暴雨作为特大值处理,会使频率计算成果偏低,影响工程安全。
五、设计面暴雨量计算成果的合理性检查
以上计算成果可从下列各方面进行检查,分析比较其是否合理,而后确定设计面暴雨量。
(1)对各种历时的点面暴雨量统计参数,如均值、Cv值等进行分析比较,暴雨量的这些统计参数应随面积增大而逐渐减小。
(2)将直接法计算的面暴雨量与间接法计算的结果进行比较。
(3)将邻近地区已出现的特大暴雨的历时、面积、雨深资料与设计面暴雨量进行比较。
第三节 间接法推求设计面暴雨量
一、设计点暴雨量的计算
推求设计点暴雨量,此点最好在流域的形心处,如果流域形心处或附近有一观测资料系列较长的雨量站,则可利用该站的资料进行频率计算,推求设计暴雨量。
若长系列的站不在流域中心或其附近,这时,可先求出流域内各测站的设计点暴雨量,然后绘制设计暴雨量等值线图,用地理插值法推求流域中心站的设计暴雨量。
进行点暴雨系列的统计时,一般采用定时段年最大法选样。
暴雨时段长的选取与面暴雨量情况一样。
如样本系列中缺少大暴雨资料,则系列的代表性不足,频率计算成果的稳定性差,应尽可能延长系列,可将气象一致区内的暴雨移置于设计地点,同时要估计特大暴雨的重现期,以便合理计算其经验频率。
由于暴雨的局地性,点暴雨资料一般不宜采用相关法插补。
设计洪水规范建议采用以下方法插补展延。
(1)距离较近时,可直接借用邻站某些年份的资料。
(2)一般年份,当相邻地区测站雨量相差不大时,可采用邻近各站的平均值插补。
(3)大水年份,当邻近地区测站较多时,可绘制次暴雨或年最大值等值线图进行插补。
(4)大水年份缺测,用其他方法插补较困难,而邻近地区已出现特大暴雨,且从气象条件分析有可能发生在本地区时,可移用该特大暴雨资料。
(5)如与洪水的峰量关系较好,可建立暴雨和洪水峰或量的相关关系,插补大水年份缺测的暴雨资料。
绘制设计暴雨等值线时,应考虑暴雨特性与地形的关系。
进行插值推求流域中心设计暴雨时,亦应尽可能考虑地区暴雨特性,在直线内插的基础上可以适当调整。
在暴雨资料十分缺乏的地区,可利用各地区的水文手册中的各时段年最大暴雨量的均值及Cv等值线图,以查找流域中心处的均值及Cv值,然后取Cs为Cv的固定倍比,确定Cs值,即可由此统计参数对应的频率曲线推求设计暴雨值。
二、设计面暴雨量的计算
流域中心设计点暴雨求得后,要用点面关系折算成设计面暴雨量。
量雨的点面关系在设计计算中,又有以下两种区别和用法:
1.定点定面关系
如流域中心或附近有长系列资料的雨量站,流域内有一定数量且分布比较均匀的其他雨量站资料时,可以用长系列站作为固定点,以设计流域作为固定面,根据同期观测资料,建立各种时段暴雨的点面关系。
也就是,对于一次暴雨某种时段的固定暴雨量,有一个相应的固定面暴量,则在定点定面条件下的点面折减系数α0:
α0=xF/x0
式中xF、x0——分别为某种时段固定面及固定点的暴雨量。
有了若干次某时段暴雨量,则可有若干个α0值。
对于不同时段暴雨量,则又有不同的α0值。
于是,可按设计时段选几次大暴雨的α0值,加以平均,作为设计计算用的点面折减系数。
将前面所求得的各时段设计点暴雨量,乘以相应的点面折减系数,就可得出各种时段设计面暴雨量。
应该指出,在设计计算情况下,理应用设计频率的α0值,但由于暴雨量资料不多,作α0的频率分析有困难,因而近似地用大暴雨的α0平均值,这样算出的设计面暴雨量与实际要求是有一定出入的。
如果邻近地区有较长系列的资料,则可用邻近地区固定点和固定流域的或地区综合的同频率点面折减系数。
但应注意,流域面积、地形条件、暴雨特性等要基本接近,否则不宜采用。
2.动点动面关系
在缺乏暴雨资料的流域上求设计面暴雨量时,以暴雨中心点面关系代替定点定面关系,即以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量。
这种暴雨中心点面关系(见图7-3)是按照各次暴雨的中心与暴雨分布等值线图求得的,各次暴雨的中心的位置和暴雨分布不尽相同,所以说是动点动面关系。
图7-3某地区3天暴雨点面关系图
显然,这个方法包含了3个假定:
①设计暴雨中心与流域中心重合;
②设计暴雨的点面关系符合平均的点面关系;
③假定流域的边界与某条等雨量线重合。
这些假定,在理论上是缺乏足够根据的,使用时,应分析几个与设计流域面积相近的流域或对地区的定点定面关系作验证,如差异较大,应作一定修正。
计算设计面雨量时,由于大中流域点面雨量关系一般都很微弱,所以通过点面关系间接推求设计暴雨的偶然误差必然较大,在有条件的地区应尽可能采用直接法。
第四节设计暴雨时空分配的计算
一、设计暴雨时程分配的计算
一般采用典型暴雨同频率控制缩放
1.典型暴雨的选择和概化
典型暴雨过程应在暴雨特性一致的气候区内选择有代表性的面雨量过程,若资料不足也可由点暴雨量过程来代替。
所谓有代表性是指典型暴雨特征能够反映设计地区情况,符合设计要求,如该类型出现次数较多,分配形式接近多年平均和常遇情况,雨量大,强度也大,且对工程安全较不利的暴雨过程,如暴雨核心部分出现在后期,形成洪水的洪峰出现较迟,对水库安全影响较大。
在缺乏资料时,可以引用各省(区)水文手册中按地区综合概化的典型雨型(一般以百分数表示)。
2.缩放典型过程,计算设计暴雨的时程分配
选定了典型暴雨过程后,就可用同频率设计暴雨量控制方法,对典型暴雨分段进行缩放。
不同时段控制放大时,控制时段划分不宜过细,一般以1、3、7日控制。
对暴雨核心部分24h暴雨的时程分配,时段划分视流域大小及汇流计算所用的时段而定,一般取1、3、6、12、24h控制。
3.算例
a、某流域百年一遇各种时段设计暴雨量如表7-2所示。
表7-2各时段设计暴雨量
时段(日)
1
3
7
设计面雨量x面P(mm)
303
394
485
b、选定的典型暴雨日程分配和设计暴雨日程分配计算见表7-3。
表7-3暴雨日程分配(同频率法)
雨量及分配比\日程
2
4
5
6
x1p
303mm
典型分配比
100%
设计雨量(mm)
x3p-x1p
91mm
40%
36
x7p-x3p
30%
33%
37%
0%
27
30
34
设计暴雨过程(mm)
55
c、最大24h设计及典型暴雨的时程分配见表7-4。
表7-4面设计暴雨量大1日的时程分配(同倍比法)
项目
设计暴雨的时段(2h)雨量过程
24h
时段序号
8
9
10
11
12
全日
雨量
典型分配
(%)
2.9
3.4
3.9
5.2
44.1
8.7
6.1
5.0
4.0
3.3
100
设计暴雨
8.8
10.3
11.7
15.8
31.8
133.6
26.4
18.5
15.2
12.1
二、设计暴雨的地区分布
梯级水库或水库承担下游防洪任务时,需要拟定流域上各部分的洪水过程,因此需给出设计暴雨量在面上的分布。
其计算方法与设计洪水的地区组成计算方法相似。
如图7-4所示,在推求防洪断面B以上流域的设计暴雨量时,必须分成两部分,一部分来自防洪水库A以上流域的暴雨,另一部分来自水库A以下至防洪断面B这一区间面积上的暴雨。
在实际工作中,常采用以下两种地区分布方法。
第五节由设计暴雨推求设计洪水
求得设计暴雨后,进行流域产流、汇流计算,可求得相应的洪水过程。
有关产流、汇流分析计算的原理和方法已在前面章节阐明。
本节主要介绍在设计条件如暴雨强度及总量较大、当地雨量、流量资料不足等情况下,计算中应注意的问题。
一、设计Pa的计算
设计暴雨发生时流域的土壤湿润情况是未知的,可能很干(Pa=0),也可能很湿(Pa=Im),所以设计暴雨可与任何值(0≤Pa≤Im)相遭遇,这是属于随机变量的遭遇组合问题。
目前生产上常用下述三种方法求设计条件下的土壤含水量,即设计Pa。
1.取设计Pa=Im
在湿润地区,当设计标准较高,设计暴雨量较大,Pa的作用相对较小。
由于雨水充沛土壤经常保持湿润情况,为了安全和简化,可取Pa=Im。
2.扩展暴雨过程法
在拟定设计暴雨过程时,加长暴雨历时,增加暴雨的统计时段,把核心暴雨前面一段也包括在内。
例如,原设计暴雨采用1、3、7日3个统计时段,现增长到30日,即增加15、30日2个统计时段。
分别作上述各时段雨量频率曲线,选暴雨核心偏在后面的30日降雨过程作为典型,而后用同频率分段控制缩放得7日以外30日以内的设计暴雨过程(如图7-5)。
后面7日为原先缩放好的设计暴雨核心部分,是推求设计洪水用的。
前面23日的设计暴雨过程用来计算7日设计暴雨发生时的Pa值,即设计Pa。
图7-530日设计暴雨过程
当然30日设计暴雨过程开始时的Pa值(即初始值)如何定仍然是一个问题,不过初始Pa值假定不同,对后面的设计Pa值影响甚微,因为初始Pa值要经过23日的演算,才到设计暴雨核心部分。
一般可取
或
。
3.同频率法
假如设计暴雨历时为t日,分别对t日暴雨量xt系列和每次暴雨开始时的Pa与暴雨量xt之和即xt+Pa系列进行频率计算,从而求得xtp和(xt+Pa)p,则与设计暴雨相应的设计Pa值可由两者之差求得,即Pap=(xt+Pa)p-xtp
当得出Pap>
Im时,则取Pap=Im。
上述三种方法中,扩展暴雨过程法用得较多。
Pa=Im方法仅适用于湿润地区,在干旱地区包气带不易蓄满,故不宜使用。
同频率法在理论上是合理的,但在实用上也存在一些问题,它需要由两条频率曲线的外延部分求差,其误差往往很大,常会出现一些不合理现象,例如设计Pa大于Im或设计Pa小于零。
二、产流方案和汇流方案的应用
(一)外延问题
设计暴雨属于稀遇的大暴雨,往往超过实测的暴雨很多,在推求设计洪水时,必须外延有关的产流、汇流方案。
湿润地区的产流方案常采用x+Pa~y形式的相关图,其关系线上部的斜率
,即相关线为45。
线,外延起来比较方便。
干旱地区多采用初损后损法,就需要对有关相关图在外延时必须考虑设计暴雨的雨强因素的影响(如图7-6)。
图7-6Pa~i~I0 相关图
目前采用的流域汇流方案都属于“线性系统”。
在实测暴雨范围内应用这些方案作汇流计算时,其误差一般可以控制在容许范围内,当用于罕见的特大暴雨时,线性假定有可能导致相当大的误差。
虽然有些人提出了不少的“非线性系统”,但由于受到资料所限,这些方案都还未得到充分认证,不为世人所普遍接受。
在工程设计部门,一般注意汇流方案在特大暴雨条件下的适用性,尽量选用实测大洪水资料分析得到的汇流方案,以期与设计条件相近,避免外延过远而扩大误差。
不少部门的实践经验说明,注意与不注意这一点,会使设计成果出现较大的变化。
用一般常遇洪水分析得出的单位线来推算设计洪水,与由特大洪水资料分析的单位线推流,成果可能相差很大,其差值可达20%左右。
如果当地缺乏大洪水资料,只好参照有关汇流方案非线形处理的方法作适当修正,这时需要十分慎重和多方认证分析。
(二)移用问题
如果设计流域缺乏实测降雨径流资料,无法直接分析产流、汇流方案,就得解决移用问题。
产流方案一般采用分区综合方法,如山东省水文手册上就有适用于不同地区的14条次降雨径流相关线,供各个分区查用,汇流方案一般采用单位线的结合成果
三、算例
某中型水库,集水面积为341km2,为了防洪复核,根据实测雨洪资料,拟采用暴雨资料来推求P=2%的设计洪水,步骤如下:
1.设计暴雨计算
根据本流域洪水涨落较快和水库调洪能力不强的特点,设计暴雨的最长统计时段采用1日。
通过点暴雨频率计算及参数的地区协调,得
=110mm,Cv=0.58、Cs=3.5Cv,求得P=2%的最大1日的设计点暴雨量为296mm,而通过动点动面的暴雨点面关系图,用流域面积341km2查图得暴雨点面折减系数为0.92,则P=2%的最大1日面设计暴雨量x面1p=296×
0.92=272mm。
按该地区的暴雨时程分配,求得设计暴雨过程如表7-5所示。
表7-5P=5%设计暴雨时程分配
时段数(△t=6h)
合计
占最大1日的百分数(%)
63
17
设计暴雨(mm)
29.9
171.3
46.2
24.6
272
设计净雨(mm)
250
地下净雨(mm)
9.0
地面净雨(mm)
5.5
162.3
37.2
15.6
220.6
2.设计净雨过程的推求
用同频率法求得设计Pa值为78mm,本流域的Im=100mm,降雨损失22mm,求得设计净雨过程如表8-5所示。
根据对实测洪水资料分割得来的地下径流过程和净雨过程的分析,求得本流域的稳定下渗强度为1.5mm/h。
由设计净雨过程中扣除地下净雨(等于
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