浅析设计暴雨洪水分析计算原理及方法
1 设计暴雨
平原区的沥涝问题一直是水利专家不断深入研究的课题,多年以来,河北省水利厅水利水电勘测设计研究院和水文总站的专家们在对河北省平原地区暴雨径流的研究中取得了多项成果,在平原除涝工作中发挥了很好的作用。一系列研究成果使平原除涝水文分析计算的理论越来越成熟,方法越来越完善。
上世纪末,根据河北平原区降雨产汇流现状情况,河北省水利水电勘测设计研究院对平原地区除涝水文计算再次做进一步分析研究工作。在原有资料和以往历次研究成果的基础上,又补充了现有的资料,并对设计雨期、暴雨径流关系及最大排水流量公式等三个主要环节进行了综合分析,提出了《河北省平原地区中小面积除涝水文修订报告》这一最新研究成果,成果于2000年3月通过专家审查,并在各流域防洪规划中采用。2000年编制的《河北省平原地区中小面积除涝水文修订报告》(2000年修订版),适用于推求流域面积小于等于2000km2,标准在20年一遇以下的设计沥水,20年一遇以下的设计沥水可在F~Qm关系图中直接查得,50年一遇的设计洪(沥)水则不能直接查得,可通过设计暴雨的途径进行分析。据统计,河北省平原地区一次暴雨历时多为一日到三日,故本次分析设计暴雨时段采用最大三日雨期控制。设计雨型为三日雨量分二次计算,一次为年最大24小时雨量,位于第三日占年最大三日雨量的80%;一次为年最大雨量的20%。
设计面雨量由设计点雨量通过定点定面折减系数折算。河北省平原地区暴雨点面折减系数如表1。
降雨径流关系采用P+Pa~R经验相关关系。降雨径流关系分区,根据《河北省平原地区中小面积除涝水文手册(2000年修订版)》中的“河北省平原地区水文分区图”确定。
将不同重现期的三日设计暴雨分为两次,分别计算净雨深及洪峰流量,按概化过程线分析计算洪水过程线,将两次洪水过程线迭加分析计算设计洪峰流量及设计洪水过程线。
设计暴雨所产生的地表径流,通过各排沥河道排泄入海,当产生的地表径流量大于排沥河道的排水能力时,就会发生积水,变电站的防洪重点就是考虑沥水滞留问题。
2 设计洪(沥)水流量
采用模数经验公式计算最大流量是目前普遍采用的方法,经验公式的一般形式如下:
M=k·Rm·Fn (1)
Q=M·F=k·Rm·Fn+1 (2)
式中:M——设计排水模数(m3/s·km2);
Q——设计排水流量(m3/s);
F——排水面积(km2);
R——设计暴雨产生的径流深(mm);
K——反映河网配套程度、排水河道坡度和流域形状等因素的综合系数;
m——峰量指数,反映洪峰与洪量关系的参数;
n——递减指数,反映模数与排水面积关系的参数。
上述经验公式结构简单,考虑了形成最大流量的主要因素R和F,使用方便,具有一定精度,因此,本次变电站设计洪水分析计算采用上述公式。
峰量指数m是反映流域滞蓄、河槽储蓄、河道排水能力等因素对排水流量影响的参数,当河道排水条件较好时,m值大,当排水河道排水条件较差时,m值小,河道开挖疏浚后排水条件得到改善,m值一般比开挖前要大。令m=k0Rm,在双对数纸上建立单站m~R关系,使m与R的对数成直线关系。结果显示,流域坡度较陡的河道,m值接近1.0,流域坡度较缓的,m值接近0.82。理论上讲,m值应小于1.0,考虑到治理后的m值应增大,困此,本次分析计算m值采用0.92。
在m=0.92的情况下,用同样的方法根据实测资料分析试算,可以得到k值和n值。根据k0=kFn关系式,已知k0和F,在双对数纸上点绘K0~F 关系图,初步定线后,再假定不同的n、k值,通过实测点据验算,优选误差率最小者,确定n、k值,然后进行综合分析计算,结果大清河以南各河n值为-0.2,k值为0.022,据此即可求得本次分析计算洪峰流量的经验公式:
Qmax=0.022R 0.92F 0.80 (3)
3 设计流量过程线
在设计暴雨过程中将三日暴雨分为二次,那么,两次暴雨将产生两次洪水过程,因此,先分别计算各次洪水的流量过程线,然后将其迭加为复合洪水过程线,该过程线的最大流量即为所求的最大设计流量。分析计算结果表明,洪峰流量主要由24小时降雨产生,第一次降雨可迭加的附加流量很小,20年一遇不超过2~3%。
设计流量过程线采用《河北省平原地区中小面积除涝水文修订报告》中介绍的方法,计算公式如下:
T=0.278 (4)
Qi=Y·Qmax (5)
Ti=X·T (6)
式中:X、Y——设计过程线横、纵坐标比例(%);见表2。
Qmax—— 一次洪水最大排水流量(m3/s);
R —— 次洪水径流深(mm);
F —— 流域面积(Km2);
——面积系数,不同面积 值见表3-2;
T——设计过程线总底宽;
Qi、Ti——设计过程线纵、横坐标值。