CN105389453A - 一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法，该方法按以下步骤进行：步骤一：获取流域特征值；步骤二：获取计算参数；步骤三：入库设计洪水计算；步骤四：入库设计洪水过程线计算。本发明的获取入库设计洪水方法全面考虑了回水末端、库区周边、库区降水产生入库洪水的因素，方法理论严谨。从贵州省水利水电工程现有设计洪水计算方法理论而言，充分利用广泛使用的《贵州省暴雨洪水计算实用手册（修订本）》公式，发明填补入库设计洪水计算方法和理论的空白。

Description

一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法

技术领域

本发明涉及获取水利水电工程入库设计洪水的方法，特别是涉及一种适用于贵州地区的气候和地理环境下的入库设计洪水获取方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

坝址洪水指流达坝址断面的洪水。入库洪水包括入库断面洪水、入库区间洪水两部分。入库断面洪水为水库回水末端附近干支流河道水文测站的测流断面，或某个计算断面以上的洪水。入库区间洪水又可分为陆面洪水和库面洪水。陆面洪水为入库断面以下，至水库周边以上的区间陆面面积所产生的洪水；库面洪水即库面降雨直接转为径流所产生的洪水。

对于入库设计洪水的推求：1、合成流量法。干支流在入库点附近和坝址处均有较长的同步流量观测系列。2、水量平衡法。具有库水位及水库出流资料。3、峰量关系法。这是一个粗略估算方法。一般来说，入库洪水的洪量与坝址洪量相差无几，近似认为相等。Q2＝1.2×Q1即认为入库洪峰约比坝址洪峰大20％。当然20％是经验值。

贵州省现状在水利水电工程设计洪水计算中，以坝址洪水代表入库洪水，目前没有适合贵州省的入库设计洪水计算方法及理论。在有水文站实测流量资料地区坝址设计洪水采用水文站实测资料进行面积比拟计算，在无水文站流量资料地区坝址设计洪水一般采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》中公式进行计算。

《贵州省暴雨洪水计算实用手册》1983年由原贵州省水利电力厅编制，1998年2月贵州省水文总站对原手册中集水面积小于300km²，且流域几何特征值小于30的公式进行了修订，编制了《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》。按照手册中公式和推导过程，可以推导处设计断面处洪水三要素(洪峰流量、洪量、洪水过程线)，被广泛使用。

“手册”中总共涉及以下公式：

$\begin{array}{c}{Q}_p=0.674{\mathrm{\&gamma;}}^{0.922}\&CenterDot;f^{0.125}\&CenterDot;J^{0.082}\&CenterDot;F^{0.723}\&CenterDot;{(C\&CenterDot;K_p{\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{24h})}^{1.23}\\ (300\&le;F<1000{\mathrm{km}}^2)\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}Qp=0.357{\mathrm{\&gamma;}}^{0.922}\&CenterDot;f^{0.125}\&CenterDot;J^{0.082}\&CenterDot;F^{0.834}\&CenterDot;{(C\&CenterDot;K_p{\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{24h})}^{1.23}\\ (25\&le;F<300{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}>30)\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{Q}_p=0.234{\mathrm{\&gamma;}}^{0.848}\&CenterDot;f^{0.331}\&CenterDot;J^{0.221}\&CenterDot;F^{0.834}\&CenterDot;{\left({\mathrm{CK}}_p{\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{24h}\right)}^{1.212}\\ (10{\mathrm{km}}^2\&le;F<25{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}>30)\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}Qp=0.481{\mathrm{\&gamma;}}^{0.571}\&CenterDot;f^{0.223}\&CenterDot;J^{0.149}\&CenterDot;F^{0.89}{\&lsqb;C\&CenterDot;Sp\&rsqb;}^{1.143}\\ (F<10{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}>30)\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}Qp=0.357{{\mathrm{\&gamma;}}_1}^{0.922}\&CenterDot;f^{0.360}\&CenterDot;J^{0.240}\&CenterDot;F^{0.716}\&CenterDot;{(C\&CenterDot;K_p{\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{24h})}^{1.23}\\ (25\&le;F<300{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}<30)\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}{Q}_p=0.254{{\mathrm{\&gamma;}}_1}^{0.022}\&CenterDot;f^{0.360}\&CenterDot;J^{0.240}\&CenterDot;F^{0.819}\&CenterDot;{\left({\mathrm{CK}}_p{\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{24h}\right)}^{1.23}\\ (10{\mathrm{km}}^2\&le;F<25{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}<30)\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}Qp=0.481{{\mathrm{\&gamma;}}_1}^{0.571}\&CenterDot;f^{0.223}\&CenterDot;J^{0.149}\&CenterDot;F^{0.89}{\&lsqb;C\&CenterDot;Sp\&rsqb;}^{1.143}\\ (F<10{\mathrm{km}}^2,\mathrm{\&theta;}<30)\end{array}---\left(7\right)$

公式中：

Qp—设计频率为P的洪峰流量(m³/s)；

γ₁—汇流系数(F＜300km²，θ＜30)，可查汇流系数γ₁查用表；

γ—汇流系数(0＜F＜1000km²，θ＞30)，可查汇流系数γ查用表；

f—流域形状系数，f＝F/L²；

F—流域集水面积(km²)；

L—流域主河道河长(km)；

J—主河道坡降(m/m)；

C—洪峰径流系数；

—年最大24h点雨量均值(mm)；

Kp—设计频率为P的频率曲线模比系数；

Sp—设计雨力， $Sp={\stackrel{\&OverBar;}{H}}_{1h}\&times;Kp.$

由暴雨计算设计洪水，其设计洪量为时段洪量，是指某时段暴雨所产生的相应洪量。‘手册’采用时段为24h，其设计洪量W按24h流域设计面雨量H₂₄产生的相应径流深h₂₄计算，即W＝0.1×h₂₄F。

‘手册’采用扣损法计算径流深h₂₄，即设计面雨量H₂₄在τ时段内扣除稳定雨损H_s，τ～24h时段扣除附加雨损ΔH_s， ${\mathrm{\&Delta;H}}_s=\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}(24-\mathrm{\&tau;})=24-\mathrm{\&tau;},$ (其中， $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}=1.0mm/h$ )，则h₂₄＝H₂₄－(H_s+ΔH_s)。

对于计算汇流时间采用 $\mathrm{\&tau;}=0.278\frac{L}{V},V={\mathrm{mJ}}^{1/3}{Q}_m^{\mathrm{\&lambda;}}={\mathrm{mJ}}^{1/3}{Q}_m^{1/4}$ (取)，m＝γ·θ^β，(β＝0.73或0.22)计算而得。

‘手册’的洪水过程线，为20个节点的概化单峰型洪水过程线，表示一次降雨(24h)产生的一次洪水过程。在汇流分区的基础上，按洪水形状系数全省分为三级(σ＝0.30，0.25及0.20)进行地区综合，成果见‘手册’附表(十五)。

洪水过程线计算时，在计算出Q_P的基础上，利用下式计算τ：

$\mathrm{\&tau;}=0.278\&CenterDot;\frac{F^{0.32}}{\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;J^{0.09}\&CenterDot;f^{0.13}}\&CenterDot;\frac{1}{Q_P^{0.25}},$

洪峰径流深表示在最大24h降雨时段中，造成主峰的汇流时间τ内，最大降水量H_τ产生的最大径流深。

按‘手册’最大24h降雨产生的径流深h₂₄形成洪水总量，洪峰径流深h_τ形成矩形概化洪水过程线的洪量，Δh＝h₂₄-h_τ作为附加安全洪水径流深，附加于概化洪水过程的退水部分。其比例系数K为：

$K=1+\frac{\mathrm{\&Delta;}h}{(1-a_0)h\mathrm{\&tau;}}$

式中a₀为概化线涨水面积和总面积的比值。

应用时，在计算出h₂₄和h_τ的基础上，由汇流分区在‘手册’附表(十五)选定概化洪水过程及a₀，计算退水放大比例系数K，因T_m＝τ，可求出洪水过程线，时间为t＝[t/T_m]·τ，洪峰出现时间为t_Qm，退水部分流量为Q_t＝[Q_t/Q_m]·Q_P，其中的[t/T_m]、[Q_t/Q_m]为概化洪水过程线坐标值。

因此，传统方法的不足：(1)贵州省流域下垫面差别较大，干、支流洪水差别较大，常规的入库设计洪水推求方法在实际操作中有一定困难；(2)《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》上公式中参数可反映流域干、支流下垫面不同的参数，仅能计算坝址设计洪水，不能计算入库设计洪水。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法，以解决贵州地区入库设计洪水计算的技术领域。

本发明是这样一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法，该方法按以下步骤进行：

第一步，获取流域特征值；

(1)集水面积：坝址以上流域集水面积F_坝，水库回水末端断面以上流域集水面积F_回末，回水末端以下至水库周边流域集水面积F_{回末至库周}，库面集水面积F_库面。

F_坝＝F_回末+F_{回末至库周}+F_库面。

(2)主河道河长：坝址以上主河道长度L_坝，水库回水末端断面以上主河道长度L_回末，回水末端以下至水库周边主河道长度L_{回末至库周}，库面回水长度L_库面。

L_坝＝L_回末+L_库面。

(3)加权平均比降：坝址以上主河道加权平均比降J_坝，水库回水末端断面以上主河道加权平均比降J_回末，回水末端以下至水库周边流域主河道加权平均比降J_{回末至库周}，库区天然河道加权平均比降J_库面。

第二步，获取其它计算参数；

其它计算参数包括24h设计暴雨、1h设计暴雨和洪峰径流系数等，均可通过《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》查取和常规计算获得。

第三步，入库设计洪水计算；

入库设计洪水＝水库回水末端以上流域设计洪水+回水末端以下至水库周边流域设计洪水+库区降雨产生的设计洪水。

水库回水末端以上流域设计洪水根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》中相应公式结合F_回末、L_回末、J_回末等参数进行计算；回水末端以下至水库周边流域设计洪水根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》中相应公式结合F_{回末至库周}、L_{回末至库周}、J_{回末至库周}等参数进行计算；库区降雨产生的设计洪水为设计降水在库区产生的流量。

第四步，入库设计洪水过程线计算；

入库设计洪水过程线等于水库回水末端以上流域设计洪水过程、回水末端以下至水库周边流域设计洪水过程和库区降雨产生的设计洪水过程叠加。

水库回水末端以上流域设计洪水过程根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》中洪水过程线公式结合F_回末、L_回末、J_回末等参数进行计算；回水末端以下至水库周边流域设计洪水过程根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》中洪水过程线公式结合F_{回末至库周}、L_{回末至库周}、J_{回末至库周}等参数进行计算；库区降雨产生的设计洪水过程为设计降水在库区产生的流量过程。

与现有技术相比，本发明的获取入库设计洪水方法全面考虑了回水末端、库区周边、库区降水产生入库洪水的因素，方法理论严谨；从贵州省水利水电工程现有设计洪水计算方法理论而言，充分利用广泛使用的《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》公式，发明填补入库设计洪水计算方法和理论的空白。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

本实施例选取某个供水水库对频率P＝0.1％的坝址设计洪水和入库设计洪水计算作为实例进行说明，具体实现过程如下：

一、工程资料：

已知某流域集水面积82.0km²；设计24h暴雨均值为100mm，Cv＝0.5，Cs/Cv＝3.5；流域内地貌形态为山丘为主，中等或部分强岩溶，植被较差，因此产汇流分区定为Ⅰ1区(黔中地区)，暴雨衰减指数n₃＝0.80，Δn₃为Ⅳ区。

坝址以上流域集水面积82.0km²，坝址以上主河道河长16.7km，坝址以上主河道加权平均比降0.0137；回水末端断面以上流域集水面积59.0km²，回水末端断面以上主河道河长13.2km，回水末端断面以上主河道加权平均比降0.0162；回水末端以下至水库周边流域集水面积22.0km²，回水末端以下至水库周边主河道河长7.2km，回水末端以下至水库周边主河道加权平均比降0.093；库区水面面积1.0km²，库区回水长度3.5km。

二、获得其它参数：

其它参数的获得来自《贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)》相关附表。

三、入库设计洪水计算：

该水库坝址P＝0.1％设计洪水计算过程见下表坝址设计洪水(Ⅰ)，入库洪水计算过程分别见表1入库设计洪水(Ⅱ)、回水末端以上设计洪水(Ⅲ)、回水末端以下至水库周边设计洪水(Ⅳ)和库区降雨产生的设计洪水(Ⅴ)。

表1：

四，入库设计洪水过程线

在计算出设计暴雨(前表序号4)和汇流时间(前表序号16)的基础上，由汇流分区在‘手册’附表(十五)选定概化洪水过程及a₀，计算退水放大比例系数K。

因T_m＝τ；

可求出洪水过程线，时间为：

t＝[t/Tm]·τ；

洪峰出现时间为t_Qm，退水部分：

流量为：

Q_t＝[Q_t/Q_m]·Q_P；

其中的[t/T_m]、[Q_t/Q_m]为概化洪水过程线坐标值。P＝0.1％坝址设计洪水过程线和P＝0.1％入库设计洪水过程线见表2。

表2：

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种获取水利水电工程入库设计洪水的方法，该方法按以下步骤进行：

步骤一：获取流域特征值：

（1）集水面积：坝址以上流域集水面积F_坝，水库回水末端断面以上流域集水面积F_回末，回水末端以下至水库周边流域集水面积F_{回末至库周}，库面集水面积F_库面；F_坝=F_回末+F_{回末至库周}+F_库面；

（2）主河道河长：坝址以上主河道长度L_坝，水库回水末端断面以上主河道长度L_回末，回水末端以下至水库周边主河道长度L_{回末至库周}，库面回水长度L_库面；L_坝=L_回末+L_库面；

（3）加权平均比降：坝址以上主河道加权平均比降J_坝，水库回水末端断面以上主河道加权平均比降J_回末，回水末端以下至水库周边流域主河道加权平均比降J_{回末至库周}，库区天然河道加权平均比降J_库面；

步骤二：获取计算参数：

计算参数包括24h设计暴雨、1h设计暴雨和洪峰径流系数；

步骤三：入库设计洪水计算：

入库设计洪水=水库回水末端以上流域设计洪水+回水末端以下至水库周边流域设计洪水+库区降雨产生的设计洪水；

步骤四：入库设计洪水过程线计算：

入库设计洪水过程线等于水库回水末端以上流域设计洪水过程、回水末端以下至水库周边流域设计洪水过程和库区降雨产生的设计洪水过程叠加。