第七章 设计洪水

第五章设计洪水§5-1概述§5-2由流量资料推求设计洪水§5-3由暴雨资料推求设计洪水§5-4小流域设计洪水估算§5.1概述一、洪水与设计洪水流域内发生暴雨或融雪时所形成的大量地面径流汇入河流，使河流中流量激增，水位猛涨，这便形成了洪水。减少洪水威胁或根治洪灾，主要措施有两类：（1）工程措施。采用一系列水利工程来防止或减轻洪灾损失，常见的工程措施有：蓄洪滞洪工程：湖泊、库、分滞洪区挡水防潮工程：闸、坝、堤防、防洪墙排水泄洪工程：河道、排水渠、管道、泵站伴水工程：桥梁、码头、沿河建筑长江三峡水利枢纽拱坝（2）非工程措施。指防洪工程以外的各种防止和减轻洪灾损失的措施。为了解决一个地区或流域的防洪问题，需要作全流域的防洪规划，包括选定各种工程或非工程措施的布设方案以及每项防洪工程的规模尺寸，为此，在规划设计和运用管理这些措施时就会遇到一些水文问题。总的来说，设计洪水计算的目的是通过对暴雨、洪水等资料分析，寻求它们的规律，从而对未来长时期内的洪水情势作出切实可靠的预估，推求出在设计地点将来可能出现的符合设计标准的洪水。对于水利枢纽工程的防洪问题，可分作两类。一类是水库下游地区的防洪问题，另一类是水库本身安全的防洪问题。为考虑自身的安全要进行防洪计算，以确定水库的设计洪水位、校核洪水位、调洪库容和坝高等。二、设计洪水和设计标准设计洪水是指符合设计频率并用于工程设计的一次洪水。设计洪水包括洪峰流量、洪水总量和洪水过程线三部分。设计标准就是工程遭受破坏的风险。用洪水发生的频率或重现期来定义。水利水电工程建筑物的设计标准取决于建筑物的等级，并分为正常应用（设计标准）和非常应用（校核标准）两种情况。按正常运用的洪水标准算出来的洪水称为设计洪水。当河流发生比设计洪水更大的洪水时，选定一个标准称为校核标准。◆风险率工程的防洪标准用标准的破坏率P表示。破坏率是指工程建成后很长时期内平均遭受破坏的可能性，即遭受破坏的概率。SK＝1－P｛QQP｝＝1－(1－P)KSK就是工程连续K年运行期间遭到破坏的概率，简称破坏率，又称风险率。三、设计洪水计算的内容和方法设计洪水计算内容一般包括设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量和设计洪水过程线三项。工程特点不同，需要计算的设计洪水内容和重点也不同。设计洪水的计算方法由流量资料推求设计洪水由雨量资料推求设计洪水由气象资料推求设计洪水由流量资料推求设计洪水：先求符合一定频率的设计洪峰流量和时段设计洪量,然后通过典型缩放法构成一个完整的设计洪水过程线。由暴雨资料推求设计洪水：假定暴雨与对应的洪水同频率,先推求设计暴雨,经流域产流计算与汇流计算,最后求得设计洪水。由气象资料推求设计洪水：根据天气形势和风速、露点、降水等气象资料,分析和推求可能最大暴雨,然后经流域产流与汇流计算求出可能最大洪水§5.2由流量资料推求设计洪水一、洪水资料的选样与审查采用洪峰流量和洪水总量作为特征值进行频率计算，应采用年最大值原则选取洪水系列，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。◆洪水资料的审查与处理洪水资料包括实测洪水资料和调查的历史洪水资料，是洪水频率计算的基础，是决定计算成果精度的关键。在频率计算前一定要对它们的可靠性、一致性和代表性进行审查和处理。1.洪水资料可靠性审查与修正2.洪水资料一致性审查与还原3.洪水资料系列的代表性分析与展延◆洪水资料的插补延长根据短系列洪水资料进行频率计算，成果可能有相当大的误差，满足不了洪水分析计算的要求，为扩大样本容量，减小抽样误差，常用途径是插补展延洪水资料系列，插补延长的方法一般有以下几种。1.根据上下游站的洪水特征值相关关系进行插补延长2.利用本站峰量关系进行插补延长3.利用暴雨径流关系进行插补延长4.根据相邻河流测站的洪水特性特征值进行延长二、设计洪峰流量和洪量系列的频率计算◆历史特大洪水调查的意义我国河流的实测流量资料系列一般不长，通过插补延长的系列也极有限。若只根据短系列资料做频率计算，所得成果很不稳定。往往出现一次新的大洪水以后，就使设计数值发生变动，如果在频率计算中能够正确利用特大洪水资料，所得成果就比较稳定。所谓特大洪水是指比系列中一般洪水大得多的洪水，并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期。特大洪水可以发生在实测流量期间的n年之内，也可以发生在实测流量期间的n年之外，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）。◆历史特大洪水的调查方法历史洪水调查的主要内容有：洪水发生时间、洪水位、洪水过程、主流方向、断面冲淤变化及影响河道糙率的因素，并了解雨情、灾情、洪水来源、有无漫流、分流、壅水、死水，以及流域自然条件等情况。在此基础上，还要进行洪水痕迹高程测量及行洪断面测量。洪水调查的方法是进行访问、实地查勘和查阅历史文献档案。◆历史特大洪水大调查考证期中的排位分析大历史特大洪水的洪峰、洪量定量以后，要对历史洪水大某一时期内的以分析，即确定它们的排位期N和排位序号M，以计算它们的经验频率。排位分析时常可分出三种排位期。（1）考证期N1。（2）调查期N2。（3）实测期n。（三）洪峰流量经验频率的计算◆经验频率的计算洪水系列（洪峰或洪量）有两种情况。一是系列中没有特大洪水值，大频率计算时各项数值直接按大小顺序统一排位，各项之间没有空位，序数m是连序的，称为连序系列。二是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，而大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，称为不连序系列。不连序系列的经验频率，有两种估算方法。1.独立样本法一般洪水的经验频率为：特大洪水的经验频率为：2.统一样本法n项实测一般洪水中第m项的经验频率为：式中m=1，2，…，n若实测系列中有l项作为特大值处理，则为：式中m=l+1，l+2，…，n（四）统计参数的计算用目估配线法确定统计参数，计算公式如下：三、设计洪水过程线设计洪水过程线是指具有某一设计标准的洪水过程线。为了适应工程设计要求，目前采用放大典型洪水过程线的方法，使其洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计标准的频率值，即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线。放大典型洪水过程线时，可选用同频率放大法和同倍比放大法。（一）典型洪水过程线的选择典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水资料选择典型时，资料要可靠，同时考虑下列条件：（1）选择峰高量大的洪水过程线。（2）要求洪水过程线具有一定的代表性。（3）从水库防洪安全着眼，选择对工程防洪运用较为不利的大洪水典型。1.同倍比放大法放大系数k的计算公式如下：（二）典型洪水过程线的放大2.同频率放大法各种放大倍比的计算公式如下：§5-3由暴雨资料推求设计洪水我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成。在实际工作中，中小流域常因流量资料不足无法直接用流量资料推求设计洪水而暴雨资料一般较多，因此可用暴雨资料推求设计洪水。一、概述二、设计暴雨计算（一）设计暴雨的推求1）推求设计洪水。2）推求设计洪水过程线。由求得的设计暴雨，利用产流方案推求设计净雨过程，利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程。由暴雨资料推求设计洪水，其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的。◆暴雨资料的收集暴雨资料的主要来源是国家水文气象部门所刊印的垣站网观测资料，但也要注意收集有关部门专用雨量站和社队群众雨量站的观测资料。强度特大的暴雨中心点雨量，往往不易为雨量站测到，因此必须结合调查收集暴雨中心范围和历史上特大暴雨资料，了解当时雨情，尽可能估计出调查地点的暴雨量。◆暴雨资料的审查我国暴雨资料按其观测方法及观测次数不同，分为日雨量资料、自记雨量资料和分段雨量资料三种。暴雨资料应进行可靠性审查，重点审查特大或特小雨量观测记录是否真实，有无错记或漏测情况，必要时予以纠正。检查自记雨量资料有无仪器故障的影响，并与相应时段雨量观测记录比较，尽可能审定其准确性。◆统计选样在收集流域内和附近雨量站的资料并进行分析审查的基础上，先根据当地雨量站的分布情况，选定推求流域平均（面）雨量的计算方法（如算术平均法、泰森多边形法或等雨量线法等），计算每年各次大暴雨的逐日面雨量；然后选定不同的统计时段，按独立选样的原则，统计逐年不同时段的年最大面雨量。对于大、中流域的暴雨统计时段，一般取1d、3d、7d、15d、30d，其中1d、3d、7d暴雨是一次暴雨的核心部分，是直接形成所求设计洪水的总分而统计更长时段的雨量则是为了分析暴雨核心总分起始时刻流域的蓄水状况。◆面雨量资料的插补展延一般来说，以多站雨量资料求得的流域平均雨量其精度较少站雨量资料求得的为高。为提高面雨量资料的精度，需设法插补展延较短系列的多站面雨量资料。一般可利用近期的多站平均雨量x多与同期少站平均雨量x少建立相关关系。基相关关系好，可利用相关线展延多站平均雨量作为流域面雨量。◆暴雨的时面深关系1.平均雨量——面积曲线如图所示，可以看出平均雨量随笼罩面积的增大而减小。2.平均雨量——历时——面积曲线由图可知，当降雨历时一定时，暴雨所笼罩的面积愈大，则平均雨量愈小；当暴雨笼罩面积一定时，历时愈长，雨量愈大。1002003004005006001000020003000400060005000面积(km)2平均雨量(mm)平均雨量——面积曲线平均雨量——历时——面积曲线面积(km)1640812平均雨量(mm)200400600800202历时3d历时1d◆点面关系暴雨的点面关系在设计计算中，有以下两种区别和用法。1.定点定面关系对于一次暴雨某种时段的固定暴雨量，有一个相应的固定面暴雨量，则在定点定面条件下的点面折减系数α0：2.动点动面关系在缺乏暴雨资料的流域上求设计面暴雨量时，以暴雨中心点面关系代替定点定面关系，即以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量。这种暴雨中心点面关系是按照各次暴雨的中心与暴雨分布等值线图求得的，各次暴雨中心的位置和暴雨分布不尽相同，所以说是动点动面关系。三、设计净雨的推求◆特大值的处理特大值处理的关键是确定重现期。对特大暴雨的重现期必须作深入细致的分析论证，若没有充分的依据，就不宜作特大值处理，若误将一般大暴雨作为特大值处理会使频率计算成果偏低，影响工程安全。◆直接法求设计面雨量面雨量统计参数的估计，一般采用适线法。◆间接推求设计面暴雨量1.设计点暴雨量的计算推求设计点暴雨量，此点最好在流域的形心处，如果流域形心处或附近有一观测资料系列较长的雨量站，则可利用该站的资料进行频率计算，推求设计暴雨量。若长系列站不在流域中心附近，可先求出流域内各测站的设计点暴雨量，然后绘制设计暴雨量等值线图，用地理插值法推求流域中心站的设计暴雨量。2.设计面暴雨量的计算流域中心设计点暴雨量求得后，要用点面关系折算成设计面暴雨量。◆设计暴雨时程分配的计算1.典型暴雨的选择和概化典型暴雨过程应在暴雨特性一致的气候区内选择有代表性的面雨量过程，若资料不足也可由点暴雨量过程来代替。2.缩放典型过程，计算设计暴雨的时程分配选定了典型暴雨过程后，就可有同频率设计暴雨量控制方法，对典型暴雨分段进行缩放。◆设计净雨计算净雨量是指降雨扣除损失后剩余的雨量，又称为产流量。设计净雨的推求也就是设计条件下产流量的推求，是从设计暴雨中扣除损失量的计算过程。通常用间接的方法来确定，其常用方法有降雨径流相关图法和初损后损法两种。（二）降雨径流相关法1.降雨径流相关图降雨径流相关图是指流域面雨量与所形成的径流深及影响因素之间的相关曲线。一般以次降雨量H为纵坐标，以相应的径流深Y为横坐标以流域前期影响雨量Pa为参数，然后按点群分布的趋势和规律，定出一条以Pa为参数的等值线。如图所示。0204060100(mm)80(mm)20406080100120140160180120140160180(mm)=100mm(a)降雨径流相关图降雨径流相关图80040120160200240(mm)2804080120200160240(mm)280320360(b)2.降雨径流相关图的应用利用降雨径流相