第八章工程水文学

第八章由流量资料推求设计洪水第八章由流量资料推求设计洪水第一节概述第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第三节设计洪水过程线的推求第四节分期设计洪水第五节入库设计洪水第六节设计洪水的地区组成设计洪水：为解决各类防洪问题，所提供的作为规划设计依据的各种设计标准的洪水。设计洪水——拦洪库容——设计洪水位；校核洪水——调洪库容——校核洪水位;水库泄洪——泄洪建筑物；第一节概述死水位Z死和死库容V死；正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴；防洪限制水位Z限和结合库容V结；防洪高水位Z防和防洪库容V防；设计洪水位Z设和拦洪库容V拦；校核洪水位Z校与调洪库容V调；水库总库容：V总=V死+V兴+V调-V结三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，100年一遇洪水位166.9m，设计洪水位（1000年一遇）175m，校核洪水位180.4m，坝顶高程185m。总库容393亿m3（175m以下），兴利库容165m3，防洪库容221.5m3，水库库面面积1084km2。一、水工建筑物的等级和防洪标准正常运用标准——设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种标准的洪水来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。非常运用标准——校核洪水：确定水库的校核洪水位。这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。防护对象的防洪标准：推求设计洪水采用3种方法：（1）历史最大洪水加成法以历史上发生过的最大洪水再加上一个安全值作为设计洪水。缺点：①对未来洪水超过历史最大洪水的可能性考虑不足，降低了工程的安全程度；②对大小不同，重要性不同的工程采用同一个标准，显然不合理。如葛洲坝工程，选用1788年洪水Qm=8600m3/s作为设计洪水，选用1870年洪水Qm=110000m3/s作为校核洪水。第一节概述（2）频率计算法以符合某一频率的洪水作为设计洪水，如百年一遇、千年一遇等。此法将洪水作为随机事件，根据概率理论由已发生的洪水来推估未来可能发生的符合某一频率标准的洪水作为设计洪水。此法克服了历史加成法存在的缺点，根据工程的重要性和工程规模选择不同的标准，适用面较宽，在我国水利、电力、交通设计中应用广泛。第一节概述（3）水文气象法因频率计算缺乏成因概念，如果资料太短，用于推求稀遇洪水根据就很不足。且近年来，我国一再出现超标准的特大洪水，设计标准一再提高。水文气象法从物理成因入手，根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下，可能发生的最大洪水作为设计洪水。第一节概述二、设计洪水计算的内容及方法设计洪水计算：（1）推求设计洪峰流量（2）不同时段设计洪水总量（3）设计洪水过程线方法：（1）由流量资料推求设计洪水（2）由暴雨资料推求设计洪水第一节概述第一节概述洪水三要素：洪水过程线、洪峰、洪量洪峰Qm（m3/s），为洪水过程线的最大流量。洪水总量W（m3），为洪水的径流总量，从起涨点A上涨，到达峰顶B后流量逐渐减小，到达C点退水结束，流量过程线ABC下的面积就是洪水总量W。洪水过程线，洪水从A到B点的时距t1为涨水历时，从B到C点的时距t2为退水历时，一般情况下，t2＞t1。T=t1＋t2，称为洪水历时。第一节概述年最大值法选样资料审查峰、量频率计算特大洪水处理安全修正值设计洪峰和设计洪量选择典型洪水同倍比或同频率缩放设计洪水过程线成果合理性检验第一节概述步骤：1）资料审查2）选样3）频率计算4）成果合理性分析一、洪水资料审查“三性”审查：可靠性、一致性、代表性1.资料可靠性的审查与改正实测洪水资料：对测验和整编进行检查，重点放在观测与整编质量较差的年份。包括水位观测、流量测验、水位流量关系等。历史洪水资料：一是调查计算的洪峰流量可靠性；二是审查洪水发生的年份的准确性。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求2.资料一致性的审查与还原所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），和能与历史资料组成一个具有一致性的系列。例如上游建了比较大的水库，则应把建库后的资料通过水库调洪计算，修正为未建库条件下的洪水。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求3.资料代表性的审查与插补延长当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时，则认为具有代表性；否则，则认为缺乏代表性。实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于20～30年，并有特大洪水加入。当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要是采用相关分析的方法。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求二、样本选取1、选样的原则应满足独立、随机选样的要求。成因不同的洪水不可作为同一样本的选取。2、洪峰流量的选样目前采用年最大值法选样：即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。3、洪量的选样固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天。大流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域、调洪能力小的工程，可以取得短一些。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求T=1天T=5天T=3天t(d)Q(m3/s)QmW1W5W3第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求三、洪水资料的插补和展延1、上下游或邻近流域站资料的移用若设计断面的上游或下游有较长期记录的参证站，设计站与参证站流域面积相差不超过3%，且区间无分洪、滞洪设施时，可考虑将上游或下游参证站的洪峰数值直接移用到设计站。2、利用洪峰、洪量关系插补和展延利用本站或邻站（上下游站或邻近流域站）同次洪水的洪峰和洪量的相关关系，或洪峰流量相关关系进行插补和展延。3、利用本流域暴雨径流关系插补和展延径流系列。四、特大洪水的处理1、概述（1）什么是特大洪水?特大洪水是指实测系列和调查到的历史洪水中，比一般洪水大得多的稀遇洪水。历史上的一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕迹，有特大洪水才有文献记载和洪水痕迹可供查证，所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水。特大洪水可以发生在实测流量期间之内，也可以发生在实测流量期之外，前者称资料内特大洪水，后者称资料外特大洪水（历史特大洪水）。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求历史调查期实测期QNQN资料内特大洪水资料外特大洪水（历史特大洪水）一般时，QN可以考虑作为特大洪水处理。2/QQKNN历史调查期实测期第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求2）为什么要考虑特大洪水？目前我们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差愈大，若用于推求千年一遇、万年一遇的稀遇洪水，根据就很不足。如果能调查到N年（N＞＞n）中的特大洪水，就相当于把n年资料展延到了N年，提高了系列的代表性，使计算结果更合理、准确、稳定。【例】：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算：1955年设计，资料n=18年，Q0.1%=12600m3/s；1956年发生特大洪水Q=13100m3/s，直接加入资料系列（n=19），未做特大洪水处理，Q0.1%=25900m3/s；将1956年洪水做特大洪水处理，但不加历史特大洪水，Q0.1%=19700m3/s；再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939），Q0.1%=22600m3/s；1963年又发生了一次特大洪水Q=12000m3/s，加入并做特大洪水处理，Q0.1%=23300m3/s。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求2、考虑特大洪水时经验频率的估算加入特大洪水后，资料系列的特征：（1）连序系列和不连序系列：所谓“连序”与“不连序”，不是指时间上连续与否，只是说所构成的样本中间有无空位。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求连序系列：洪水系列中没有特大洪水值，在频率计算时，各项数值直接按大小次序统一排位，各项之间没有空位，序数m是连序的；不连序系列：系列中有特大洪水值，特大洪水值的重现期（N）必然大于实测系列年数n，而在N－n年内各年的洪水数值无法查得，它们之间存在一些空位，由大到小是不连序的。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求特大洪水加入系列后，样本成为不连序系列，其经验频率和统计参数的计算与连序系列不同。这样就要研究有特大洪水时的经验频率和统计参数的计算方法，称为特大洪水处理。特大洪水处理的关键：特大洪水大小、重现期的确定、经验频率的计算。实测特大洪水：通过资料观测得到。历史特大洪水：通过洪水痕迹，查水位流量关系获得。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求例如某站1940—1982年有实测洪水资料。其中1963年洪水最大，1940年次大；另调查到自1903年以来，为首的三次大洪水的排位为1921年、1963年、1903年，且在此80年间不会漏掉比1903年更大的洪水。另通过文献考证，1903年以前还有三次大于1921年的洪水，其排位为1867年、1852年、1832年，但小于1921年的洪水，则无法查清。该站的洪峰流量即为不连序系列。特大洪水确定以后，要分析其在某一代表年限内的大小序位，以便确定洪水的重现期。目前我国根据资料来源不同，将与确定特大洪水代表年限有关的年份分为实测期、调查期和文献考证期。实测期：从有实测洪水资料年份开始至今的时期。调查期：在实地调查到若干可以定量的历史特大洪水的时期。文献考证期：从具有连续可靠文献记载历史特大洪水的时期。调查期以前的文献考证期内的历史洪水，一般只能确定洪水大小等级和发生次数，不能定量。第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求（2）特大洪水重现期重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇。要准确地定出特大洪水的重现期是相当困难的，目前，一般是根据历史洪水发生的年代来大致推估。①从发生年代至今为最大：N＝设计年份－调查期发生年份＋1②从调查考证的最远年份至今为最大：N＝设计年份－文献考证期最远年份＋1第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求【例】：1992年在长江重庆～宜昌河段进行洪水调查。了解到同治九年（1870年）川江发生特大洪水，沿江调查到石刻91处，推算得宜昌洪峰流量Qm＝110000m3/s。Nn1870Qm＝110000m3/s若此洪水为1870年以来最大。则N＝1992－1870＋1＝123（年）又经调查，在四川忠县长江北岸2km处的选溪山洞中调查到宋绍兴23年（南宋赵构年号）即1153年发生过一次大洪水。该洪水小于1870年洪水，通过调查还可以肯定自1153年以来1870年洪水为最大，则1870年洪水的重现期为N＝1992－1153＋1＝840（年）。Nn1870Qm＝110000m3/s1153第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求（3）经验频率的计算连序系列中各项经验频率的计算方法，已在前面论述，不予重复。不连序系列的经验频率，有以下两种估算方法：1、独立样本法2、统一样本法第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求设：N——历史调查期年数；n——实测系列的年数；l——n年中的特大洪水项数；a——N年中能够确定排位的特大洪水项数（含资料内特大洪水l项）；m——实测系列在n中由大到小排列的序号，m=l+1，l+2，...，n；Pm——实测系列第m项的经验频率；PM——特大洪水第M序号的经验频率，M=1，2，...，a第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求Nna项特大洪水M=1，2，...，a实测期内特大洪水，l项......TQ（m3/s）......实测一般洪水，n-l项m=l+1，l+2，...，n缺测第二节设计洪峰流量及设计洪水总量的推求①独立样本法把实测系列与特大值系列均看作是从总体中独立抽出的两个随机连序样本，各项洪水可分别在各个系列中进行排位。实测系列的经验频率仍按连序系列经验频率公式计算：第二节设计洪峰流量及设计洪水总量