14第十章:设计洪水(三)_229707898

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P=300hpa
可降水 =80mm
可降水=80-26=54mm
1300m Td=200C
可降水=26mm
0.0m P=1000hpa Td =25 0C
10.4.2 当地暴雨放大法(典型暴雨法中的一种)
思路: 将本流域已发生过的典型大暴雨,通过
水汽和动力放大后,求到本流域的可能最大暴雨。
(1)水汽放大法求可能最大暴雨PMP 假设条件: PMP的天气形势、天气的系统

表10-5 永久性水工建筑物非常运用的标准 (校核标准)
不同坝型的 枢纽工程 土坝 堆石坝 混凝土坝 浆砌石坝 建筑物级别 2 3
1
4
5 300~ 200 200~ 100
防洪标准,即重现期(年) 可能最大洪水 5000~ 2000~ 1000~ 2000 1000 300 或10000 2000~ 1000~ 500~ 5000~2000 1000 500 200
m:最大可能降水效率因子。

Pm mWm t = P Wt
当所选的典型暴雨为稀遇特大暴雨时,则认
为其效率因子达到了最大值,即 = m
则上式可改写成:
Wm Pm P W
典型特大暴雨与 可能最大的暴雨 的动力条件相同
Wm 式中 , 称为水汽放大倍比,一般介于1.1-1.5。 W
该公式即为典型暴雨法按水汽放大法所采用的 公式。典型暴雨若取设计流域当地的特大暴雨,则 以上推求的PMP的方法即称当地暴雨法,问题转化 为求Wm和W。
若高度为dz、单位截面积为1cm2 ,则该空气 柱中水汽质量为:
dm V dz 1 ( g )
式中, V :水汽密度(g/cm3)。
当 高度 为 dz、 单 位 截 面 积 为 1cm2 的单元空气柱中的水汽全部 凝结成水并降落到地面,设水深 为dW, 则根据水量平衡原理得:
A=1cm2
【算例】已知:某测站高程为1300米,露点为200C
求:该站地面至300hpa高度的可降水
P=300hpa
解: 1) 将该站高程的露 点换算成1000hpa等压面 的露点(注:气象学中, 标 准 大 气 压 值 为 : 1000hpa=750mmHg 的 等 压面,即为海平面,高程 为零),可根据图10-4-1 的 假 绝 热 图 , 推 求 P=1000hpa的露点值。
V 1 P V W P dP W g P dP W g V 因为比湿 q
1
Pz
0 0 z
(10 4 3)
所以 若取W=1g/cm3 ,g=980cm/s2 则(10-29)可改写成:
由于水汽主要集中在对流层的下半部,故一般 只计算到300-200hpa(相当于海拔高9-11km的高度)。
W=80mm
3)查表(1000hpa地面到指定高度(高出地面数)间 饱和假绝热大气中的可降水量(mm)与1000 hpa 露点 ( 0 C)函数关系表),由已知P=1000hpa (露点=250C) 查到至高程=1300m的气柱内的可降水量为:
W=26mm
4) 推求地面高程1300m到P=300hpa高度气柱内的 可降水量:
以下介绍W和Wm的推求方法
a)选择典型暴雨:
典型暴雨应是实测中特大或较严重的暴雨,它 所形成的洪水在历史上是稀遇的。
典型暴雨的天气系统、天气形势、雨量时空分 布形式能较好地反映设计地区特大暴雨特征;
典型暴雨资料的精度较好。
b) 推求相应于典型暴雨的可降水W
可由地面露点来推求可降水W , 为了计算W,首 先要选择相应于典型暴雨的代表性露点Td。 一场暴雨的代表性地面露点Td是指在适当的地点 适当的时间选定的地面露点值。 该露点值 Td 所对应的可降水量应能反映典型暴 雨期间,输入到雨区水汽量的多少,这个地面露 点值称为典型暴雨代表性地面露点。
该方法的假定条件:
当发生大暴雨时,雨区附近暖湿气流一侧的气
柱从地面到高空,全部处于饱和状态,大气的露点 Td 随高度呈假绝热直减率变化,则在该假定下,某 一地点自地面到某一高度空气柱的可降水量W只是 该地面露点的单值函数。其值采用专门表进行查算。
P=200hPa
W = 1000~200hPa的可降水
W = 1000hPa~海拔高度h的可降水 P=1000hPa
可降水 (mm) 压力200 hpa 高度800(m) 高度1000(m) 高度1400(m) 1000 pha露点(oC) 0 8 3 4 5 2 10 4 4 6 4 12 4 5 7 6 15 5 6 6 8 18 6 7 9 10 21 7 8 10 12 25 8 9 13 14 30 9 10 15 16 36 10 12 17 18 44 11 13 20 20 52 13 15 23 22 62 14 17 25 24 74 16 20 29 26 88 18 22 33
由静力学方程得高度为z、单位底面上的大气压为:
P gz dP gdz 或 - dP dz g (10 4 2)
式中, P :大气压; :空气的密度; 方程中的负号表示气压随高度增加而减小.
将(10-4-2)代入(10-4-1),并以P0, Pz 分别代表地 面处和高空z高度处的气压,则得可降水W:
《水文学原理及应用》
第十章
设计洪水
(三)
清华大学水利水电工程系
2009年12月25日
为什么要求可能最大暴雨及可能最大洪水?
我国《防洪标准 GB 50201-94》水利工程设计 标准:土石坝一旦失事将对下游造成特别重大 的灾害时,如果混凝土坝和浆砌石坝发生洪水 漫顶将造成严重损失时,一级建筑物的校核防 洪标准,应采用可能最大洪水(PMF)或10000年 一遇的洪水。
水文气象法:采用半经验统计半理论分析方法估 算PMP。-目前行之有效的方法。
注意:可降水≠降水量
1) 形成大暴雨的主要物理条件 第一是水汽条件(水汽因子):水汽条件指要有源
源不断的水汽从洋面输入雨区(仅靠当地水汽量是不
够的),暴雨的水汽因子常用雨区边缘暖湿气流一侧 的可降水量W表示,可视为是地面露点的函数,由露 点来推求。
wk.baidu.com
最大降水量,式中P为t时段的典型暴雨量,
根据实测资料求到。
W
水汽放大化法求PMP小结
1、选择稀遇特大暴雨为典型暴雨,认为其动力因子 达到了最大值,即 =m ,故水汽放大化法求可 能最大暴雨PMP仅需进行水汽放大,而不必进行 动力放大。 2、水汽放大倍数=最大可降水Wm 与典型暴雨的可 降水W的比值;
选取的代表性露点Td要有一定的持续时间,因为大 暴雨必须是持续的高值水汽含量,一般采用典型暴 雨中实测的持续12h或24h的最大露点值。

代表性露点选取示意图
暴雨区
暖空气
所谓持续12小时最大露点值Td 是采用典型暴 雨中持续12小时露点观测值中的最大值。
【例】某典型暴雨为锋面雨,下列为暖侧雨区边缘
种方法:
由实测暴雨资料计算:
由式P=Wt 得相应的典型暴雨效率因子的计 P 算公式为: = Wt 式中可降水量W可由代表性露点推求,根据 实测的典型暴雨资料,指定降雨历时t和面积F, 这样对于同一历时t可算出相应的面雨量P,代入 上式则可求出相应的 。可选出多次大暴雨并分 别计算它们的 ,对于一定历时t可以点绘出 ~F 的关系曲线的上包线,即为历时为t的m~F的关系 曲线,根据设计流域的t和F,则可从相应的图上 查出所需的最大降雨效率因子m 。
实用上通常将气柱分层,上述的计算公式
( 改为差分形式: )
气压P Z (km) P=300-200 hpa
式中, qn, qn+1分别为在高 度Pn, Pn+1处的比湿值。
Pn+1 Pn
q(z)
比湿q (g/kg)
以上可降水计算需要高空的探测的气象资料 (P & q),不易获取,是一难点。故实际应用中, 求可降水的方法是采用地面露点值(水汽达到饱和 时的温度称为露点)来推求可降水。
典型暴雨代表性地面露点选择的条件:

当有明显锋面存在时,露点值应从锋面暖区的大雨 区边缘选择;
当无明显锋面存在时,露点值应从暖湿空气入流方 向的大雨区边缘选择; 对于台风,则应选择在暴雨中心附近或在台风前进 方向的右侧选取;



为避免单站数据偶然性误差以及局地因素的影响, 可取若干个测站同期露点的平均值;
条件与指定流域典型大暴雨的天气形势、天气的 系统条件基本相同,二者差别在于水汽含量和空 气上升速度等条件不同。
假定t 小时典型暴雨量为:P = Wt 而t 小时可能最大的暴雨量PMP为:
Pm mWm t
式中,W :典型暴雨可降水量(mm);
:典型暴雨效率因子;
Wm:最大可能降水量(mm);
第二是动力条件(动力因子):暴雨的动力条件反
映外部向暴雨地区输入水汽的速度及气流辐合上升运
动的强弱程度。它把底层的水汽向上输送,产生动力
冷却,是水汽转化成水滴的主要机制。暴雨的动力条 件与当地的大气压、水汽含量及风速等气象条件有关, 常用暴雨效率表示(亦称作降水效率因子)。
2) 降雨量的计算公式
基本概念
可能最大暴雨(PMP, Probable Maximum
Precipitation):指在现代气候条件下,特定流域或 地区一定时段内气象上可能发生的最大降水量。
可能最大洪水(PMF, Probable Maximum Flood):
由可能最大暴雨生成的洪水称为可能最大洪水
计算可能最大暴雨:

根据Tdm 地理分布图选取Tdm,可从我国各省绘制 的最大露点图中查;

按海水温度控制。形成暴雨的暖湿气团来自海洋 面,故认为生成水汽源地海面水温确定了运行其上 的气团最大露点。

当地面代表性露点Td 和最大露点Tdm 确定 后,则可按前述由露点计算典型暴雨的可降水 W和最大可降水Wm 。 再由式 P Wm P 求t 时段内的可能 m
但反映水汽辐合和上升动力作用的 m 至今既 无经验方法也无理论方法可以定出,也难以直接 观测得到。
因此,实际工作中,一般不按上式直接计算 可能最大暴雨量,而是利用典型暴雨推求,称为 典型暴雨法。
10.4.1 大气可降水量的近似公式
可降水W (Precipitable water)
在流域或地区周界的空气柱内,某一定时段 内所输入的全部水汽都凝结为水滴,并降落到地 面的液态水深,称为可降水,其单位为g/cm2或mm, 即单位截面上整个空气柱中的水汽总量。
dm V dz 1 W dW 1
v
z
V 即 dW dz W
式中, W :水的密度(g/cm3)
v :水汽密度(g/cm3)
dW
dz
则,高度为z空气柱内可降水由上式从0 – z积分得到:
W dW
0
z
z
0
V dz W
(10 4 1)
每隔6h露点的观测值系列,求这个系列中连续12h 最大露点值。 22.1, 23.2, 23.8, 24.1, 23.6, 24.3, 23.2, 23.1, (0C) 可知该系列的连续12h最大露点为23.60C。 这样就可根据该露点值来推求相应的可降水。
c)计算最大可降水Wm
通过求相应于最大可降水Wm的露点Tdm来推求 Wm 。为了推求Wm首先要确定Tdm,通常有以下三 种选择方法: 选取历年露点中的最大值作为Tdm,一般认为在 30~50年记录中的持续最大露点相应的水汽含量接 近PMP时的水汽含量;
3、最大可降水Wm 与典型暴雨的可降水W分别通过 地面露点值来推求。
(2)水汽效率放大法求PMP:
Wm m 计算公式: Pm P W
式中, Wm:可能最大暴雨降水量(mm);
m :可能最大降水效率因子;
W :典型暴雨可降水量(mm)
:典型暴雨效率因子
注意: 该公式中所选的典型暴雨不是高效暴 雨的情况, m,故该方法要估算m,有以下几
设降雨量的大小与可降水W和降水效率因子 成正比,故在t 时段内的降水量P 近似地表示为如 下公式:
P Wt
式中,P ~ t 时段内的降水量(mm) W ~ 可降水量(mm) ~ 降水效率因子(1/h) t ~ 统计的时段(h)
P = Wt
在上式中,若和W都达到可能的极大值m和 Wm,则可按上式求到P就是可能的最大暴雨量。
可降水=?
1300m Td=200C 0.0m P=1000hpa
(海平面)
1300m
露点温度(0C)
20
25
图10-4-1 由测站高度换算到1000hpa露点温度 的假绝热图
2)查表(1000hpa地面到指定压力(hpa)间饱和假 绝热大气中的可降水量(mm)与1000hpa露点(0C)函 数关系表),由已知的P=1000hpa处露点=250C 查 到至P=300hpa的气柱内的可降水量为:
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