第6章-由流量资料推求设计洪水.

《工程水文学》2/62第6章由流量资料推求设计洪水6.1概述6.2设计洪峰流量及设计洪量的推求6.3设计洪水过程线的推求6.4设计洪水中的其他问题3/626.1概述6.1.1洪灾与防洪的工程和非工程措施洪灾——见p.124图6－2(a,b)工程措施——水库、防洪堤、分洪道、蓄洪区等。见p.124图6－1非工程措施——植树造林、洪水预报、防洪保险等。防洪规划——4/62水利工程(水库、大坝)的作用——兴利&防洪水利工程的规模取决于河流来水量，主要包括入库年(月)径流过程与水库特征水位及库容，譬如：校核洪水位与调洪库容、设计洪水位与防洪库容、正常蓄水位与兴利库容、汛限水位与结合库容、死水位与死库容，以及水库泄洪建筑物等。5/62三峡水利枢纽工程，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。6/626.1.2两类防洪计算课题水库本身安全——当发生某一特大洪水情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，需确定溢洪道高程Z0和宽度B，以及坝顶高程等工程规模数据，即确定水工建筑物的调洪库容和泄洪建筑物的设计标准。下游地区防洪——为保证下游地区的安全，要求水库建成后的下泄流量q不超过防护对象的某一安全流量值q安和水位Z防，即确定下游防护对象的防洪标准。7/626.1.3设计洪水与设计标准设计洪水——在水利工程规划中，为确保工程本身及其下游安全，而确定拦洪、泄洪设备能力(工程规模)所依据的洪水(包括洪峰、洪量、过程线)。水利水电工程规划和设计中所指定的作各种设计标准的洪水，可分为：设计洪水和校核洪水两种。8/62设计标准——根据工程的重要性，所选定作为设计依据的洪水频率。P.125表6-1设计标准定得过高，工程投资增大而不经济，但工程比较安全；设计标准定得过低，工程造价降低，但工程遭受破坏的风险增大。6-19/62设计永久性水工建筑物，通常考虑两种防洪设计标准：正常运用标准(水库枢纽正常运行而不被破坏的标准，即设计洪水标准)和非常运用标准(水利工程不能保证正常运用，主要水工建筑物必须确保安全的标准，即校核洪水标准)。确定永久性建筑物在正常运用和非正常运用的洪水标准是一个非常复杂的问题，一般要结合水利工程及其主要建筑物的等级来综合确定。P.126-127表6-2～表6-510/6211/626.1.4设计洪水的内容和计算途径设计洪水的内容一般包括：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。工程特点不同和设计要求不同，设计洪水内容和重点也不相同。譬如：对于桥梁、涵洞、调节性能较小的水库，可只推求设计洪峰流量；对于蓄洪区，则主要计算设计洪水总量；对于中、大型水库，调节性能高，需采用洪峰流量和洪水总量同时控制，并计算设计洪水过程线，有时还需要推求入库设计洪水作为工程设计依据。12/62推求设计洪水的基本方法和途径：频率计算法——根据概率理论由已发生过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，如百年一遇、千年一遇等。该法根据工程的重要性和工程规模大小选择不同的标准，适用面较宽，在我国水利、电力、交通设计中应用广泛。但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。13/62水文气象法——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。历史最大洪水加大法——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对大小不同和重要性不同的工程采用同一个标准，显然不合理。近年来，我国一再出现超标准的特大洪水，设计标准也有所提高。14/62设计洪水分析和计算的三种途径：直接途径——由流量资料直接推求设计洪水的方法。间接途径——由暴雨资料间接推求设计洪水的方法。水文气象途径——由水文气象资料推求可能最大洪水的方法，即PMP/PMF方法。15/626.2设计洪峰流量及设计洪量的推求由流量资料推求设计洪水的计算步骤如下：1）洪水资料的收集和审查；2）根据水利工程的重要性，确定防洪设计标准P；3）通过洪峰流量Qm和各种时段洪量Wt(t＝1d,3d,7d)的洪水频率计算，分别求出满足设计标准P的设计洪峰流量QmP和各种时段设计洪量WtP；4）推求设计洪水过程线。16/626.2.1洪水资料的分析处理洪水资料的选样：河流上一年内要发生多次洪水，每次洪水具有不同历时的流量变化，需要从历年洪水系列资料中选取符合设计频率标准的洪水特征值的样本。年最大值独立取样——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。可以发生在同一次洪水中，也可以为不同一次的洪水，关键是选出最大值。17/62一般地，采用固定时段1d、3d、5d、7d、15d、30d等。大流域和调洪能力大的工程，设计时段可以取得更长；小流域和调洪能力小的工程，可以取得短一些，如3h、6h、12h等。见p.128图6－3图6－318/62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。洪水资料的“三性”审查：即可靠性、一致性、代表性。可靠性审查与修正——实测洪水，需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，一是审查调查计算的洪峰流量的可靠性，二是审查洪水发生年份的准确性。19/62一致性审查与还原——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，上游兴建了比较大的水库，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情况。20/62代表性分析与展延——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，否则被认为缺乏代表性；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。插补延长主要采用相关分析的方法：1）利用暴雨资料延展；2）利用上、下站或邻近站洪水资料延展；3）利用本站洪峰、洪量关系延展。21/626.2.2洪峰流量及时段洪量的频率计算特大洪水在调查考证期中的排位分析：特大洪水，是指在实测系列和调查到的历史洪水中，比一般洪水大得多的洪水。历史上的一般洪水没有文字记载，也没有留下洪水痕迹，只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通常被认为是稀遇洪水。特大洪水可能发生在实测流量期间之内，也可能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)。22/62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)调查期实测期历史洪水调查考证情况可以分为：实测期、调查期、文献考证期。P.131图6－423/62为什么要考虑特大洪水？由于所掌握的实测样本系列不够长，系列愈短，抽样误差愈大，若用于推求千年一遇或万年一遇的稀遇洪水依据就不充分。如果能调查到N年(Nn)中的特大洪水，就相当于把n年的实测资料展延到了N年，因而能够提高系列的代表性，使频率计算结果更合理、准确。24/62特大洪水的调查、考证与计算：调查和考证方式——以历史文字记载、洪水痕迹调查、走访等形式。计算方法——水位～流量关系曲线法和比降法。3/13/21IARnQQZZ河流纵断面L特大洪水处理的关键：特大洪水重现期的确定和经验频率的计算。25/62特大洪水的重现期：重现期——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＋126/62Nn19921870Qm＝110000m3/sp.131～132安康站实例例：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)发生过特大洪水。据沿江调查到石刻91＃处，推算得宜昌洪峰流量Qm＝110000m3/s。若此洪水为1870年以来为最大，则N＝1992－1870＋1＝123(年)事实上，该次大洪水平均130年就发生一次的可能性并不大。27/62于是，又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，该次洪水小于1870年，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）Nn19921870Qm＝110000m3/s1153说明确定特大洪水的重现期具有相当大的不稳定性。要准确地确定重现期就要追溯到更远的年代，但追溯的年代愈远，河道情况与当前差别越大，记载愈不详尽，计算精度亦愈差。*一般地，以明、清两代六百年为宜。28/62有特大洪水的洪水样本系列经验频率的确定：连序系列与不连序系列：指所构成的样本系列有无空位。见p.133图6－5缺测图6-529/62经验频率的估算：当考虑特大洪水时，特大洪水的经验频率和一般洪水的经验频率需分别计算。目前，有分别处理法(独立样本)和统一处理法(统一样本)两种方法。已知条件：设在历史考证期N年中，有特大洪水a项，其中有l项发生在实测洪水系列之内；n为实测洪水系列的项数；m为实测洪水系列由大至小排列的序位；M为特大洪水由大至小排列的序位。30/62分别处理法——把实测一般洪水系列与特大洪水系列都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：2,...,n1,llmnmPm1a1,2,...,MNMPM1当实测系列中含有特大洪水时，把这些特大洪水与历史特大洪水一起排序，但仍然在实测系列中排序，即实测系列的排序为m＝l+1，l+2，...，n。特大洪水系列的经验频率计算公式为：31/62统一处理法——将实测系列与特大值系列共同组成一个不连序系列，作为代表总体的一个统一的样本，不连序系列各项可在历史调查期N年内统一排位。末位特大洪水的经验频率仍采用下式：实测系列第m项洪水的经验频率计算公式为：nllmlnlmPPPMaMam,...,2,11)1(1,NaPMa其中32/621)1(lnlmPPPMaMam实测期内特大洪水，l项实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,na项特大洪水M=1,2,...,a......PQ(m3/s)...Pm...PMa1－PMa1,NaPMa其中33/62一般说来，当在特大洪水排位可能有错漏时，分别处理法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立，因不互相影响，计算也比较简单。但是，这在理论上有些不合理，会出现经验频率“重叠”现象。当特大洪水排位比较准确时，从理论上讲，用统一处理法更好一些，计算较繁，但不会出现经验频率“重叠”的现象。p.134算例34/62考虑历史洪水资料信息的洪水统计参数估算：矩法估算统计参数：假设实测系列中n－l年的一般洪峰流量的均值为xn－l和均方差为σn－l，与除去特大洪水后的N－a年中一般洪水系列的均值xN－a和均方差σN－a相等，即则可导出：（7－8）（7－9）式中，xj特大洪水，j＝1，2，…，a；xi一般洪水i＝l＋1，l＋2，…，n。由于Cs属于高阶矩，直接计算的误差较大，故一般参考附近地区资料选定一个Cs/Cv值。nliiajjxjnaNxNx111