CN104615883A - 基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法：1.1、首先将一条河道的流域划分为若干个子汇水分区，并设定：1.1.1、从河道起点至终点对每个汇水分区进行编号；1.1.2、划分每个汇水分区对应的出水口编号；1.1.3、对每个汇水分区进行面积、对应汇流时间和流量的计算；1.2、对于一条河道内的任意一个N号排口下游出现的两种可能的最大流量Q_N的情形，分别进行计算，并比较所述两种可能的最大流量的大小，取较大值作为该处河道洪峰流量。本发明基于降雨过程理论，采用对河道各排口流量进行错峰叠加计算城市内河洪峰，能准确计算设计标准下城市内河的实际流量。

Description

基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法

技术领域

本发明涉及市政工程技术领域，特别涉及一种基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法。

背景技术

当前城市河道流量的计算可采用水利部门和市政部门两个暴雨计算公式进行计算。水利部门计算公式是基于天然河流的降雨与地表径流关系推求的，由于城市化发展，带来了城区下垫面条件的急剧改变从而影响了城市雨水产流、汇流规律，使的水利部门的用于计算自然发育条件下河道洪峰流量的推理公式不能准确计算城区排洪河道的设计流量，其计算结果往往偏小。

市政部门采用短历时暴雨计算公式，该公式适用于汇水面积较小、集水时间较短的城镇的雨水管道或小型排洪沟渠的设计雨水流量。但若采用此公式直接计算城区排洪河道的设计洪峰流量，往往计算结果偏大。

因此，尚需开发一种能准确计算出实际洪峰流量的城市内河洪峰流量计算方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于降雨过程理论的能准确计算出城市内河实际洪峰流量的计算方法，其计算步骤如下：

1.1、首先将一条河道的流域划分为若干个子汇水分区，并设定：

1.1.1、从河道起点至终点对每个汇水分区进行编号分别为：1、2、3、……、n；

1.1.2、划分每个汇水分区对应的出水口编号分别为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……、N；

1.1.3、对每个汇水分区进行以下计算：

①每个汇水分区面积分别为F₁、F₂、F₃、……、Fn；

②每个汇水分区对应汇流时间t₁、t₂、t₃、……、t_n；

③每个汇水分区设计流量分别为：Q₁、Q₂、Q₃、……、Qn；

1.2、对于一条河道内的任意一个N号排口下游出现的两种可能的最大流量Q_N的情形，分别按以下步骤进行计算，并比较所述两种可能的最大流量的大小，取较大值作为该处河道洪峰流量：

1.2.1、设定：①每个出水口下游的河道设计峰值流量为Q_Ⅰ、Q_Ⅱ、Q_Ⅲ、……、Q_N；②对应的产生峰值时的时间为T_Ⅰ、T_Ⅱ、T_Ⅲ、……、T_N；以及③从上一个出水口至下一个出水口河道内洪水流行时间为T_Ⅰ～Ⅱ、T_Ⅱ～Ⅲ、……、T_N-1～N；

1.2.2、分两种情形计算所述任意一个N号排口下游出现的可能的雨水设计流量Q_N：

1.2.2.1、上游N-1号排口处的洪峰流量到达N号排口时，遭遇此时Fn汇水分区流量叠加，即：

1.2.2.2、当F_n汇水分区峰值流量到达N号排口时，遭遇上游F₁～F_n-1汇水分区此时的流量叠加，即：

1.2.3、采用雨水流量计算各分区雨水流量式中Q：雨水流量(L/s)；径流系数；F：汇水面积(ha)；q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；

采用短历时暴雨强度公式计算设计暴雨强度：

式中q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；t：降雨历时(min)；P：设计重现期(年)，根据当地排水规划确定；A₁，C，b，n：参数，根据当地暴雨强度计算公式确定；设A＝167A₁(1+C lg p)；

1.2.4、采用明渠均匀流公式计算河道内水流速度再采用T＝L/v计算洪水在河道内流行时间，

式中v：河道内水流速度(m/s)；R：水力半径(m)；I：水力坡降；n：粗糙系数；T：洪水在河道内流行时间(s)；L：河道长度(m)，其中，R、I、n均为计算参数。

在一些实施例中，在所述步骤1.2.2.1中，存在以下三种情形：

1.2.2.1.a)、当时，按计算结果取值；

1.2.2.1.b)、当时，取0；

1.2.2.1.c)、当时，取1。

在一些实施例中，在所述步骤1.2.2.2中，存在以下两种情形：

1.2.2.2.a)、当时，按计算结果取值；

1.2.2.2.b)、当时，取1。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的有益效果：本发明基于降雨过程理论，采用对河道各排口流量进行错峰叠加计算城市内河洪峰，能准确计算设计标准下城市内河的实际流量。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的河道内任一个N号排口下游出现的最大流量的计算流程图。

图2为本发明河道汇水分区示意图。

具体实施方式

下面举几个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法，结合城区降雨产流、汇流的过程，对河道各排口流量进行错峰叠加，进而准确地计算城市内河洪峰流量。

降雨过程理论即降雨极限强度理论，其主要包括两个内容：1、当汇水面积上最远点的雨水到达集流点时，全面积产生汇流，雨水管渠的设计流量最大；2、当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水到达集流点的集流时间，雨水管渠的设计流量最大。针对任一汇水区降雨初期时随着降雨时间的增加雨水流量逐渐增大，当达到最大流量后，雨水流量随着降雨时间的增加而逐渐减小。对于流域面积较大的河道，其汇水区一般由若干个子汇水区组成，每个子汇水区均有一个排口连接至河道。基于降雨过程理论可知，河道任一排口下游河道流量为该排口及其上游各子汇水分区流量叠加，由于各子汇水分区出现峰值流量的时间不一致，且各子汇水分区的峰值流量到达该排口的时间也不一致，所以该排口处河道的流量随着降雨过程的进行在不断发生着变化，当到达某一时刻点时流量达到峰值，随后流量开始下降。这一时刻存在两种可能性，(1)该排口对应的子汇水分区最远点的雨水到达该排口时，此时河道的流量为该排口的子汇水分区的峰值流量与此刻上游所有子汇水分区流经此处的流量叠加；(2)该排口上游第一个排口处的河道峰值流量到达该排口时。此时的河道流量为该排口上游第一个排口处的河道峰值流量与此刻该排口的子汇水分区的流量叠加。比较以上两种错峰叠加情况下的流量，较大者即为该排口下游河道洪峰流量。

基于此，对于河道内的任意一个N号排口下游的出现最大流量计算流程图如图1所示：

汛期时城区河道的洪水均由通往河道的各个排口排入，对于一条河道内的任意一个N号排口下游出现最大流量时，有两种可能：

一、上游N-1号排口处洪峰流量到达N号排口时，遭遇此时Fn汇水分区流量叠加；

二、F_n汇水分区峰值流量到达N号排口时，遭遇上游F₁～F_n-1汇水分区此时的流量叠加。

任意一个N号排口下游的出现最大流量时两种可能流量并比较其大小，取较大值作为该处河道洪峰流量。

首先将一条河道的流域由若干个子汇水分区，

从河道起点至终点对每个汇水分区进行编号分别为1、2、3、……、n；

每个汇水分区面积分别为F₁、F₂、F₃、……、Fn；

每个汇水分区对应汇流时间t₁、t₂、t₃、……、t_n；

每个汇水分区设计流量分别为：Q₁、Q₂、Q₃、……、Qn；

每个汇水分区对应的出水口编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……、N；

每个出水口下游的河道设计流量为Q_Ⅰ、Q_Ⅱ、Q_Ⅲ、……、Q_N；

对应的产生峰值时的时间为T_Ⅰ、T_Ⅱ、T_Ⅲ、……、T_N；

从上一个出水口至下一个出水口河道内洪水流行时间为T_Ⅰ～Ⅱ、T_Ⅱ～Ⅲ、……、T_N-1～N；

采用短历时暴雨强度计算公式计算设计暴雨强度。

上式中q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；t：降雨历时(min)；P：设计重现期(年)，根据当地排水规划确定；A₁，C，b，n：参数，根据当地暴雨强度计算公式确定。

为简化计算公式，设A＝167A₁(1+C lg p)。

雨水流量计算公式采用

式中Q：雨水设计流量(L/s)；q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；径流系数；F：汇水面积(ha)。

河道内水流速度采用明渠均匀流公式计算，T＝L/v；

式中v：流速(m/s)；R：水力半径(m)；I：水力坡降；n：粗糙系数；T：洪水在河道内流行时间(s)；L：河道长度(m)。

另外，河道流量计算需沿河道上游排口依次计算河道流量，不能跳过上游排口直接计算下游排口；

其中，在图1中，F₁～F_n-1汇水分区在t_n时刻到达N号排口的流量；

N号汇水分区在T_N-1+T _N-1～N时刻到达N号排口的流量；

当时，按计算结果取值；

当 $\frac{t_n-T_{X~N}}{t_x}<0$ 时，取0；

当 $1<\frac{t_n-T_{X~N}}{t_x}$ 时，取1。

当时，按计算结果取值；

当 $1<\frac{T_{N-1}+T_{N-1~N}}{t_n}$ 时，取1。

下面根据图1所示的河道流量计算流程，以位于城市开发区内某河道的洪峰计算为例，来具体地说明本发明的计算方法：

假设某河道位于城市开发区内，该河道原为该区域一条主要排水冲沟，周边开发建设后将该渠道改造为区域主要排水河道，河道与多条市政道路相交，片区雨水均通过道路下市政雨水管道排入该河道，河道全长约4400m，流域面积7.6km²，流域范围内均为城市建设用地，该河道已演变为典型的城区排洪河道。河道自起点至终点共有14个汇水分区、14个排口。

河道流域范围内各排水分区划分详见图2。

采用河道所在区域的短历时暴雨强度计算公式计算暴雨强度；

式中q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；t：降雨历时(min)；P：设计重现期(年)，根据当地排水规划P＝3年；于是A＝3600(1+0.76lg 3)。

雨水流量计算公式式中Q：雨水设计流量(L/s)；q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；径流系数；F：汇水面积(ha)。

河道内水流速度采用明渠均匀流公式计算，T＝L/v；

式中v：流速(m/s)；R：水力半径(m)；I：水力坡降；n：粗糙系数；T：洪水在河道内流行时间(s)；L：河道长度(m)。

附表1 河道流量计算参数表

各汇水分区汇水面积Fn、设计峰值流量Qn及各排口对应的河道桩号详见下表2～3：

表2 各汇水分区参数表

附表3 河道流量计算表

根据图1及附表1～3，即可以准确计算出设计标准下的河道各区间的雨水设计流量。

本发明基于降雨过程理论，再采用对河道各排口流量进行错峰叠加计算城市内河洪峰，即能准确计算设计标准下城市内河的实际流量。

以上详细描述了本发明的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法，计算步骤如下：

1.1、首先将一条河道的流域划分为若干个子汇水分区，并设定：

1.1.1、从河道起点至终点对每个汇水分区进行编号分别为：1、2、3、……、n；

1.1.2、划分每个汇水分区对应的出水口编号分别为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……、N；

1.1.3、对每个汇水分区进行以下计算：

①每个汇水分区面积分别为F₁、F₂、F₃、……、Fn；

②每个汇水分区对应汇流时间t₁、t₂、t₃、……、t_n；

③每个汇水分区设计流量分别为：Q₁、Q₂、Q₃、……、Qn；

1.2、对于一条河道内的任意一个N号排口下游出现的两种可能的最大流量Q_N的情形，分别按以下步骤进行计算，并比较所述两种可能的最大流量的大小，取较大值作为该处河道洪峰流量：

1.2.1、设定：①每个出水口下游的河道设计峰值流量为Q_Ⅰ、Q_Ⅱ、Q_Ⅲ、……、Q_N；②对应的产生峰值时的时间为T_Ⅰ、T_Ⅱ、T_Ⅲ、……、T_N；以及③从上一个出水口至下一个出水口河道内洪水流行时间为T_Ⅰ～Ⅱ、T_Ⅱ～Ⅲ、……、T_N-1～N；

1.2.2、分两种情形计算所述任意一个N号排口下游出现的可能的雨水设计流量Q_N：

1.2.2.1、上游N-1号排口处的洪峰流量到达N号排口时，遭遇此时Fn汇水分区流量叠加，即：

1.2.2.2、当F_n汇水分区峰值流量到达N号排口时，遭遇上游F₁～F_n-1汇水分区此时的流量叠加，即：

1.2.3、采用雨水流量计算各分区雨水流量式中Q：雨水流量(L/s)；径流系数；F：汇水面积(ha)；q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；

采用短历时暴雨强度公式计算设计暴雨强度：

式中q：设计暴雨强度[L/(s·ha)]；t：降雨历时(min)；P：设计重现期(年)，根据当地排水规划确定；A₁，C，b，n：参数，根据当地暴雨强度计算公式确定；设A＝167A₁(1+C lg p)；

1.2.4、采用明渠均匀流公式计算河道内水流速度再采用T＝L/v计算洪水在河道内流行时间，

式中v：河道内水流速度(m/s)；R：水力半径(m)；I：水力坡降；n：粗糙系数；T：洪水在河道内流行时间(s)；L：河道长度(m)，其中，R、I、n均为计算参数。

2.如权利要求1所述的城市内河洪峰流量的计算方法，其特征在于，在所述步骤1.2.2.1中，存在以下三种情形：

1.2.2.1.a)、当时，按计算结果取值；

1.2.2.1.b)、当时，取0；

1.2.2.1.c)、当时，取1。

3.如权利要求1所述的城市内河洪峰流量的计算方法，其特征在于，在所述步骤1.2.2.2中，存在以下两种情形：

1.2.2.2.a)、当时，按计算结果取值；

1.2.2.2.b)、当时，取1。