辽宁省无资料地区设计暴雨洪水计算方法的研究

辽宁省无资料地区设计暴雨洪水计算方法的研究辽宁省无资料地区设~1-暴雨洪水~1-算75-法的研究唐继业吴俊秀单丽（辽宁省水文水资源勘测局）江秋兰（辽宁省水文水资源勘测局抚顺分局116000）【摘要】本文针对辽宁省水工程设计中的实际情况，在认真总结经验的基础上，对流域特大暴雨重现期进行了探讨;根据不同地区的产流特点，提出了分层扣损的饱卸产漉及非饱和流模型;建立了辽宁中部平厚区的三水”转亿摸型;提出了综台经验单位线转换为瞬时单位线的流计算方法；在小流域设计洪永计算上，建立了推理公式辽宁击和概化过程发法.形成一垂适合辽宁特点的无资料地区设计暴雨洪水计算方法•【关键词】重现期模型单位巍无资料地区暴雨洪水计算问题，一直是国内外水学科专家学者在不断探索和研究的课题.《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》一书经过3年的工作编制完成•该书通过对大量水文气象资料分析•全面阐述了辽宁省暴雨，洪水时空变化规律，探人分析了暴雨洪水相关参数，提供出设计洪水计算的新理论，新方法和一系列新图件基础资料详实可靠，计算方法先进，综合成果符合部颁档计洪水计算规范》要求.l基本资料与系列代表性分析1.1基本资料车成果分析暴雨资料的选用时段为最大10rai n,lh,6h,24h,3d等5个时段.资料系列取自有资料以来截止到1995 年选用站数达306站,年限在25〜9O年之间，共有12857 站年•系列最长的站是沈阳，大连，营口，均为91年,起讫时间为1905—1995 年.1.2亲列代表性分析首先从定性上开始，绘制各次实测大暴雨等值线图，了解气象成因与天气系统组合；绘制3d,24h暴雨各站历年实测最高记录图；综合各次大暴雨等值线图，将历次笼罩范围用不同颜色标在一张图上；综合各河洪水调查成果，绘制历史大洪水笼罩范围用不同颜色标在一张图上；通过绘制长系列站正倒累进均值,,刀（一1）等分析图，识别丰枯水的交替变化规律，判别代表性较好的时段和站别•在此基础上,又做了定量分析：长短系列对比分析，典型站改正以及暴雨重现期怙算.1.3暴雨重现期估算此方法基本假定：雨洪长系列中特大，次大的个数是相应的;中小流域特大雨洪同次出现的机率基本一致；气候地形一致区的暴雨可以移置.基于以上假定后基本做法为：选取某测站以上流域内有特大暴雨和相应洪水的年份，根据洪水调查和历史文献的考证,先确定洪水的重现期，再作流域内均匀雨量点不考虑重现期的点雨量理论频率计算，求出各雨量点的均值及cv值的流域平均值•又在流域平均附近，假设一组cv 值，在频率格纸上点绘K 一N线,用各点求出的K值•在图上查出不同cv值相应该次暴雨各点值的重现期jv,将各个值相应的重现期相加求算术平均值，取与同攻洪水重现期相等或接近的值，则流域内暴雨中心点雨量的重现期即为所求.2产流计算方法在总结经验的基础上，应用填洼，下渗和水动力学原理，分析全省东部湿润或半湿润，西部干旱或半干旱和中部平原区的产流特点，提出适应不同地区的产流模型.2.1东部，北部饱和产流模型辽宁省东部，北部地区属于湿润或半湿润地区，特别是东部地区年降水量较大，植被好，土壤覆盖层的下渗能力较大，在流域内的大部分土地上，当土壤缺水量尚未满足时，所有降雨都被土壤所吸收，不宜超渗产流•这部分地区采用饱和产流模型，即辽宁饱和产流数学模型•蓄水容量曲线采用指数曲线型，产流面积公式为：Fotz.O=l —e 一(1)5式中——产流面积，k;F――流域面积.k;P_——降雨量,mln;•—一流域特征参数.产流计算公式为：,1,R=P—1 一D}(1 —e){2), 口,式中R ----- 径流量,rain;o----- 流域韧始蓄水量,mm.根据已有资料，优选出参数.蒸发采用双层扣损法. 2.2西部非饱和产流模型辽宁省西部为干旱半干早地区，年降水量偏少，土壤下43..渗能力较差，降雨后产流与否与流域包气带缺水量无关.主要取决于雨强与下渗率的关系.根据霍顿下渗公式及其物理意义,结合分析该地区的产流特点，模拟出非饱和产流模型下渗率在流域上分布是不均匀的，可用指数曲线来模拟下渗率在流域空间分布特征，产流面积公式为：=1 —e(3)式中b——流域参数，它反映流域下渗率的分配特征产一下渗率，mm/h.时段径流深计算公式为：一R=AP—f(1 一亨)zit(4)f 一=f—t+f —z=()(,m—P+【一()㈤式中A 一时段降雨量,mm;, ---- 时段平均下渗率,mm/h;i----- 时段平均雨强.mm/h;L----- 流域最大蓄水量,mm;P. --- 蓄水量,mm.设计情况下，辽宁经过分析采用P.t=20ram,P.T二40111/33经验数据；, -- 稳定下渗率,mm/h.根据已知资料.优选出参数2.3中部平原区”三水”转化产漉模型辽宁省中部平原区是辽宁省心脏地区•该地区地势平坦，浅层土壤由亚沙土和亚粘土组成，土壤人渗能力较强，地表径流较小•地下水开采较频繁，地下水运动以垂直交换为主,水平运动微弱•该地区设有台安实验站，主要对天然流域和潜水动态进行实验研究，从平原区”三水转化的物理概念和转化规律出发，针对辽宁省平原区水资源特点，在实验研究的基础上，研制了适应于该区的”三水转化模型•这一模型将包气带土壤计算层分为上下两层，两层各有土壤张力水的蓄水容量（田问持水量）WUM,fiLM作为各自土壤含水量WUWL的上限.当流域的降水量到达地面，使上层土壤蓄满并满足蒸发后，剩余的降水量RC补给下层，它使下层土壤蓄满井满足土壤蒸发后剩余的水量RT称为总产水量•总产水量RT经过地下水库的调节，超出包气带重力水的蓄水能力的水量称为地表径流量，所剩余的水量RG（RG=RT—RS）为降雨人渗补给量.231甚产水量r的计算根据蓄满产流原理，流域的总产水量与土壤张力水的蓄水容量分布有关，流域蓄水容量分布可用指数型曲线描述，其产流面积公式为公式（1）,总产水量公式为公式（2）2.32地表径流量酌计算平原地区由于地势平坦，坡度小,河槽切割鞍浅,用上述计算公式所计算的总产水量不能全部流出，而是通过包气带重力水窖蓄人渗补蛤地下水库调节•水库的库容随地下水的埋深而定,地表径流量与水库容量有关.由于流域各点的重力水蓄水容量不同，可用抛物线型曲线来描述流域重力水容量分布特征，其产流面积公式为：44.Fo=1 一（1 一而VM）（6）式中吼f――流域平均最大重力水容量（吼f=iooov2.u, 其中z W为潜水极限埋深，m:为给水度）;最大点重力水容量.mm;经验参数.地表径流计算公式为RS 一（皿+皿（』一气）”十‘地下径流计算公式为：RG=RT—RS（8）式中--- 初始重力水容量，inla3;co 相应的最大点重力水容量.roll|.3汇流计算方法在对辽宁省气候和自然地理条件分析的基础上，采用了综台经验单位线法进行汇流计算，即分析单位时段内由单位深度（10m m）的平均分布净雨量所产生的地面过程线（单位线）•在此基础上对单位线的要素（洪峰流量，上涨历时）应用地区综台的方法与流域特征（流域面积，河长，比降）建立相关关系，求得经验公式•再借助瞬时单位线的理论公式，通过定形式的转换，利用S（z）曲线求出任意时段的单位线.3.1流域特性分析与经验公式在单位线形成过程中，流域自然地理因素影响有两千方面:一十是水文地质，植被覆盖；另一个是流域几何特征，在进行水文分区综台时，前一个因素可直接反映在经验公式系数里，而后一个因素正式向无资料地区外延的参数，直接和单位线峰值，上涨历时相关.在建立相关线时，根据每个几何特征的影响程度，经过优选，找出单位线峰值q 与』”.co 相应的最大点重力水容量.roll|. ,..F关系较密切（为流域面积,k;f=F/为流域形状系数;J为河道平均坡度，％0;L为河长,km);单位线上涨历时h与J关系较密切.(1) 综台经验单位线洪峰q公式(4=lh单位线峰值)：q=DM(9)式中M=J. —一,;Dg分别为相关线的截矩和斜率，各个水文分区取不同的值.(2) 综台经验单位线上涨历时z公式：z:A ' G(10)式中G=—=;A,b分别为相关线的截矩与斜率，各个水VJ文分区取不同的值.3.2综台经验单位线转换为瞬时单位线目前汇流计算大部分采用纳希(J.ENash)的瞬时单位线法，此方法的难点在于参数n,K的推求•我们趋向于摆脱纳希的求矩法，避免参数难以综台的缺点先按综合经验单位线法确定其峰值和上涨历时，通过一系列的变换，求得参数n,K和瞬时单位线，再通过s（l）曲线转换为任意时段的单位线4小流域（小于300km?】设计洪水计算方法集水面积小于300km的设计洪水计算（下转第48页）表5溢流堰面灌浆前压水试验成果表区间（）0〜0.101—30满泵送水项目抬不起压力段旋9519频率（％）27.215.26累计（％）272424IG0表6检查孔透水率分布范围统计03 一l0l5监理棱准其单元工程合格率100%.17个单元工程被评为优良,2个单元被评为台格，优良率895%,分部工程台格率l呻％.优良率100%.7防渗标准值之探讨两年来的灌浆工程实践，发现设计防渗标准偏低，10Lu 的数值过大，不适台作为化学灌浆的防渗标准例如:15?坝段(0+3185)检查孔压水试验吸水量为10L,流量044L/rain,透水率为074Lu,虽然小于1.0Lu的防渗标准.但数值偏大:经监理决定对此检查孔进行灌浆试验，结果灌进约1L浆液，其原目标孔灌进3.3Lc 这说明水泥灌浆压水试验其透水率的台格标准不适台化学灌浆.根据对检查孔透水率分布范围的统计(见表6)可以看出检查孔透水率吕荣值小于0.01Lu的孔数有45孔，占总检查孔孔数的71%.小于0.1Lu 值的有55孔，占总检查孔孔数的87%.小于03Lu值的有58孔，占总检查孔孔数的92%.实践证明化学灌浆压水试验透水率的肪渗标准应选择0.1 —0.3Lu为宜.8效果评价日•灌浆封闭区域灌浆效果良好h灌浆前压水试验进水量尢的孔及缝眯灌人的浆液都较多.c. 从溢流面和观测廊道灌浆前后的外观查看，灌浆前渗蔼不止，灌浆后缝面干爽，堵漏效果显着.d. 从检查孔压水试验资料看出，进水量大大小于灌浆前的压水试验进水量；透水率在00.74LU之间，明显小于灌浆前的透水率，且符台防渗设计标准.△［作者简介］陈三湘，男，监理工程师崔在旭，男，技术员,监理员（上接第44页）方法，是采用经验相关与成因推理相结合的途径4.1设计洪峰流亦式Q=0.278ip '【F1Ji=(12)77:fl ' 1(13),J式中Q ----- 设计洪峰流量，m3/s;设计洪峰径流系数；ie ---- 相当于汇流时间的设计面暴雨强度,mm/h;F——集水面积,kmz;广一定频率下T历时的设计面雨量.nun; r――汇流历时.h; L ----- 河流长度.km;J――河道平均坡度,%.;X,卜一地区汇流参数4.2设计洪■^式=01a' ' F(14J式中n——洪量径流系数4.3设计洪水过程采用概化三角形和流域形状系数法推求过程•前锋用概化三角形法，主峰用形状系数法•计算形状系数公式：东部地区:7=115)西部地区:=(J6)式中W----- 最大24h设计洪水总量，:48..Q ---- 设计洪峰流量,m' /s5设计洪水的检查与验证收集了大量集水面积在2000km以下.有水文资料的站（库）点的设计洪水对本成果进行了较全面检查与验证 a.运用1995年实际出现的特大暴雨洪水资料，验证辽宁省的产汇流模型精度•大伙房水库：实测径流深2832mm,本方法推求的径流深为2643mm,误差6.7%;柴河水库:实测径流深247.2mm本方法推求的径流深250.9mm,误差1.5%;清河水库:实测径流深2466tam本方法推求的径流深246.7mm误差0;东洲站:实测径流深405.7mm本方法推求的径流深382.0mm,误差5.8%;太东山堡站：宴测径流深392.2mm本方法推求的径流深388.1mm误差1.0% b.收集设计院作的11个站（库）点的洪峰频率计算设计成果，与车方法计算的结果相对照，误差均在允许范围之内.收集1985年的观音阉水库和1996年的白石水库的初设以及三查三定时的”水库特性汇总成果，结台豇河规划的有关设计材料，从中选择具有水文资料的48个站（库）点，与已有成果进行比较，其检验的精度为：东部鸭绿江流域:洪峰平均误差8.9%,洪量平均误差6.3%冲部辽，浑，太丑东南沿海:洪峰平均误差8.0%,洪量平均误差8.7%;西部大小凌河及饶阳河流域：洪峰平均误差7.5%,洪峰平均误差7.8%6结语《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》在分析暴雨资料的基础上，编制出各种历时暴雨参数等值线图，时面深关系和设计雨型；增加了超短历时（最大10rain）暴雨等值线图丑10—60rain的暴雨衰减指数等参数，为超小流域设计暴雨提供了科学依据.盛。