水利计算由流量资料推求设计洪水

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1、工程水文学 资源环境系1第六章 由流量资料推求设计洪水2 第一节第一节 概述概述一、水库的防洪功能一、水库的防洪功能 在河流上筑坝建库，目的在于兴利除害兴利除害。 为了兴利（灌溉、发电等），需要设置一定的兴利库容，调节年、月径流，使之符合人们的要求。为水利水库自身安全自身安全和下游防护区下游防护区的安全，还必须设置一定的库容拦蓄洪水。 水库在设计水工建筑物时，必须选择一相应必须选择一相应的洪水作为依据。的洪水作为依据。3 二、设计标准二、设计标准 如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问题，即设计标准。 我国现行标准：我国现行标准： GB50201-94防洪标准 SL252-2000 水利

2、水电工程等级划分及洪水标准4确定水利水电工程等别确定水工建筑物级别根据水工建筑物级别确定设计、校核洪水结束5水利水电工程等别水利水电工程等别：678水利水电工程防洪标准：水利水电工程防洪标准：正常运用标准正常运用标准设计洪水设计洪水： 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。 非常运用标准非常运用标准校核洪水校核洪水： 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。（启动非常溢洪道）9三、现行设计洪水计算的基本方法和内容三、现行设计洪水计算的基本方法和内容 基

3、本方法基本方法 频率计算法频率计算法 以符合某一频率的洪水作为设计洪水。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随机事件，根据概率理论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。 10水文气象法水文气象法 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，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可能发生的最大洪水

4、(PMF)(PMF)作为设计洪水作为设计洪水。11 2. 2. 设计洪水的内容设计洪水的内容 设计洪峰流量设计洪峰流量 设计洪水内容洪水内容： 设计时段洪量设计时段洪量 设计洪水过程设计洪水过程线线 对于桥梁、涵洞、调节性能小调节性能小的水库：一般只推求设计洪峰流量推求设计洪峰流量，如葛洲坝电站，其泄洪闸以设计洪峰流量控制（Q m=110000m3/s)。 对于大型水库大型水库：调节性能高，可以洪量控制，可以洪量控制，即库容大小主要由洪水总量决定。即库容大小主要由洪水总量决定。如三峡水库， 拦洪库容300.2亿m3。 一般水库都以峰和量同时控制一般水库都以峰和量同时控制。12设计洪水推求基本步

5、骤设计洪水推求基本步骤：推求设计洪峰流量、时段洪量选择典型洪水选择典型洪水过程线过程线缩放典型洪水过程线设计洪水设计洪水过程线过程线资料三性审查13 第二节第二节 设计洪峰流量及设计洪量的推求设计洪峰流量及设计洪量的推求 一、资料审查一、资料审查 “ “三性三性”审查审查：可靠性、一致性、代表性可靠性、一致性、代表性。 1.1.资料可靠性的审查与改正资料可靠性的审查与改正 实测洪水资料实测洪水资料： 对测验和整编进行检查，重点放在观测与整编观测与整编质量较差的年份质量较差的年份。包括水位观测、流量测验、水位流量关系等。历史洪水资料历史洪水资料： 一是调查计算的洪峰流量洪峰流量可靠性；二是审查洪

6、水发生的年份发生的年份的准确性。14 2. 2. 资料一致性的审查与还原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原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性和能与历史资料组成一个具有一致性的系列。 例如例如：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。15 3. 3. 资料代表性的审查与插补延长资料代表性的审查与插补延长 实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于不少于20203030年，年，并有特大洪水加入并有特大洪水加入。 当实

7、测洪水资料缺乏代表性时，应插补延应插补延长长和补充历史特大洪水补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。 插补延长主要是采用相关分析相关分析的方法。16 二、样本选取二、样本选取 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过程，如何从历年洪水系列资料中选取表征洪水特征值表征洪水特征值的样本，是洪水频率计算的首要问题。 目前采用年最大值法选样年最大值法选样。 17 年最大值法选样年最大值法选样： 即从资料中逐年选取一个最大流量一个最大流量和固定时固定时段的段的最大洪水总量最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。组成洪峰流量和洪量系列。 固定时段一般采用1、3、5 、7、15、30天。

8、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。18选样示意图：选样示意图：19 三、特大洪水的处理三、特大洪水的处理 1. 1. 特大洪水特大洪水 是指实测系列实测系列和调查到调查到的历史洪水中，比一般洪水 大得多的稀遇洪水稀遇洪水。 历史上的一般洪水一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕 迹,只有特大洪水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调查到的历史洪水一般就是特大洪水。 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资料内特大洪水( (或实测或实测特大洪水特大洪

9、水) ),后者称资料外特大洪水资料外特大洪水( (历史特大洪水）历史特大洪水）。20特大洪水示意图：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。212 2、为什么要考虑特大洪水？、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、万年一遇稀 遇洪水，根据就很不足，计算结果就很不稳定。 如果能调查到N年（Nn）中的特大洪水，就就 相当于把相当于把n n年资料展延到了年资料展延到了N N年，提高了系列的代表年，提高了系列的代表 性性，使计算结果更合理、准确。22 3 3、特大洪水重现期、特大洪水重现期 重现期

10、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。 从发生年代至今为最大从发生年代至今为最大 N=设计年份-调查期发生年份+ 1 从调查考证的最远年份至今为最大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+ 123例例6-16-1：1992年长江重庆宜昌河段洪水调查结果分析。 同治九年（同治九年（18701870年）川江发生特大洪水，沿江调查到石年）川江发生特大洪水，沿江调查到石刻刻9191处，推算得宜昌洪峰流量：处，推算得宜昌洪峰流量： Q Q m m11000

11、0m110000m3 3/s/s 如此洪水为如此洪水为18701870年以来为最大，则：年以来为最大，则： N=1992-1870+1 N=1992-1870+1123123（年）（年） 这么大的洪水平均这么大的洪水平均130130年左右发生一次，可能性大不大？。年左右发生一次，可能性大不大？。24 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11531153年一次大洪水。 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： N1992-1153+1840（年）25 可以看出可以看出： 这样确

12、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，计算精度愈差，一般以明、清两代六百年明、清两代六百年为宜为宜。26 例例6-26-2：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算。(加入特大洪水提高样本的代表性和设计洪水的可靠性） 过程过程: 1955年设计，资料n=18n=18年年： Q Q0.1%0.1%=12600m=12600m3 3/s/s； 1956年发生特大洪水Q=13100mQ=13100m3 3/s/s，直接加入资料系列（n n=19=19），未做特大洪水处理： Q Q0.1%0.1%=25900m

13、=25900m3 3/s/s；27 将1956年洪水做特大洪水处理，但不加历史特大洪水： Q Q0.1%0.1%=19700m=19700m3 3/s/s； 再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939）： Q Q0.1%0.1%=22600m=22600m3 3/s/s 1963年又发生了一次特大洪水 ， Q=12000mQ=12000m3 3/s/s ，加入并做特大洪水处： Q Q0.1%0.1%=23300m=23300m3 3/s/s。28 由此可见由此可见：加入特大洪水有助于提高样本的代表性代表性和设计洪水设计洪水的可靠性。 但应注意的是，年代越久，由于河流演变等原因，

14、推算的洪峰流量可能存在较大误差，必须尽可能的从多方面考察、论证。29 4 4、考虑特大洪水时经验频率的估算、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）连序系列连序系列和不连序系列不连序系列： 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.30 特大洪水加入系列后，样本成为不连序系列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。 考虑特大洪水时经验频率的计算基本上基本上是采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算分别计算的方法。 两种计算方法两种计算方法：独立样本法、统一样本法。独立样本法、统一样本法。31

15、设： N 历史调查期年数； n 实测系列的年数； ln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。3233（1 1）独立样本法）独立样本法 把实测一般洪水系列与特大洪水系列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独立抽出的两个随机连序样本两个随机连序样本，各项，各项洪水可分别在洪水可分别在各个系列中进行排位各个系列中进行排位。特大洪水系列的经验频率计算公式为：34 实测系列的经验

16、频率仍按连序系列经验频率公式连序系列经验频率公式计算： 当实测系列中含有特大洪水时，虽然这些特大洪水提到与历史特大洪水一起排序，但这些特大洪水亦应在实测系列中占序号亦应在实测系列中占序号，即实测系列的排即实测系列的排序为序为 m m= =l+l+1 1,l+,l+2 2,.,n,.,n。3536（2 2）统一样本法）统一样本法将实测系列与特大值系列共同组成一个不连序系不连序系列，列，作为代表总体的一个样本作为代表总体的一个样本，不连序系列各项可在历史调查期N年内统一排位。 特大洪水的经验频率仍采用下式：（n - l）项实测一般洪水的经验频率计算公式为：3738例6-4：特大洪水经验频率计算。3

17、9404142 5 5、考虑特大洪水时统计参数的确定、考虑特大洪水时统计参数的确定 （1 1）初步估计参数）初步估计参数矩法矩法 假设系列中n-l年的一般洪水的均值为 、均方差为n-l，在假设它们与除去特大洪水后的N-a年总的一般洪水系列的均值 、均方差 N-l 相等，即:43 在上述条件下可导出： 其中：其中：x xj j特大洪水；特大洪水；x xi i一般洪一般洪水。水。l44 Cs值值： 对于Cv0.5的地区，Cs=(34）Cv； 对于0.51.0的地区，Cs=(23）Cv； 此外，还可以采用权函数法来估计Cs。45四、频率曲线线型选择四、频率曲线线型选择 P-型频率曲线 五、频率曲线总

18、体参数估计五、频率曲线总体参数估计 1.经验适线法（目估适线法）经验适线法（目估适线法） 尽量照顾点群的趋势 曲线通过点群中心 侧重考虑中上部的较大洪水点据 对特大洪水作具体分析 2. 2.优化适线法优化适线法46 六、推求设计洪峰、洪量 求指定频率的水文变量设计值。 例例6-56-5： 某河水文站实测洪峰流量资料共30年，历时特大洪水2年，历时考证期102年，试用矩法初选参数进行配线，推求该水文站200年一遇的洪峰流量。4748某站洪峰流量频率曲线某站洪峰流量频率曲线4950 取C v=0.7，令Cs=3Cv。查附表2，得不同频率P的KP值。则Q P=K P Q或查附表1，得不同频率P的 值

19、，用公式计算Q P。参数估计参数估计:5152第一次适线结果：第一次适线结果：某站洪峰流量频率曲线某站洪峰流量频率曲线5354某站洪峰流量频率曲线某站洪峰流量频率曲线第二次（第二次（最终最终）适线结果：）适线结果：55求200年一遇的洪峰流量？ P=0.5%，Cv=0.8，Cs=3.5Cv=2.8 查附表2，得Kp=4.87 Q0.5%=4.87587=2859m3/s或 查附表1，得=4.84，代入 有： Q0.5%=587 （1+0.84.84） = 2859m3/s56 七、设计洪水估计值的抽样误差七、设计洪水估计值的抽样误差 频率计算是用有限样本估算总体的有限样本估算总体的参数，必然存

20、在误差。 统计参数的误差与所选的频率曲线线型有关。当总体分布为P-型，对于n年连序序列，用矩法估计参数时，样本的均方误的计算公式为：57 均值的相对误差为： 设计洪水xp的均方误近似公式为： 其中：B为CS和P的函数，查诺模图。 规范规定：对大型或重要的中型工程，应计算校核标准洪水校核标准洪水的抽样误差。经综合分析检查，如果成果偏小，应加应加安全修正安全修正，一般不超过计算值的20%。或 58八、计算成果的合理性检验八、计算成果的合理性检验（1）检查洪峰、各时段洪量的统计参数与历时之间的关系；历时增长，均值增大，历时增长，均值增大，C Cv v、C Cs s一般减小。一般减小。59 第三节第三

21、节 设计洪水过程线的推求设计洪水过程线的推求 定义定义：设计洪水过程线是指具有某一标准的洪水过程线。 作用作用 ：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模尺寸等。 方法方法：类似推求设计年径流的年内分配，从实测资料中选取典型洪水过程线，按设计洪峰、洪量放大，即得设计洪水过程线。 同频率放大、同倍比放大同频率放大、同倍比放大。60 一、典型洪水过程线的选择一、典型洪水过程线的选择 1 1、考虑原则：、考虑原则： 峰高量大峰高量大，接近设计条件下的稀遇洪水。 代表性代表性，其发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系能代表本流域大洪水。 对安全不利对安全不利，峰型集中、主峰靠后。61 一般地：若符合条件的洪水

22、过程可能不止一条，也可以选择几个典型过程选择几个典型过程，分别推求设计洪水过程线，供调洪计算时分析比较。 例如丹江口水库设计时，就曾选择了1935年和1964年洪水两个典型，前者是夏季洪水的典型，后者是秋季洪水的典型。62 二、放大方法二、放大方法 1 1、同频率放大（峰量同频率放大法）、同频率放大（峰量同频率放大法） 洪峰放大倍比： 最大1天洪量放大倍比： 最大3天洪量除最大1天以外，其余两天的放大倍比：63 特点：放大后的过程线，其洪峰流量和各时特点：放大后的过程线，其洪峰流量和各时段的洪量都符合同一设计频率。段的洪量都符合同一设计频率。 注意：注意： 1. 时段划分，不宜过多，一般以3段

23、或4段为宜； 2. 对于放大后过程线的不连续现象，可徒手修匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。64 2. 2. 同倍比放大同倍比放大 按洪峰控制的放大倍比：按洪量控制的放大倍比：65 特点：用同一放大倍比放大典型过。特点：用同一放大倍比放大典型过。 注意：注意： 1. 用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个其主 要作用； 2. 设计洪水过程线的峰或量偏离设计值。“以峰控制”，则洪峰等于设计值，洪量不一定等于设计值；“以量控制”，则时段洪量等于设计值，而洪峰不一定等于设计值。66设计洪水推求基本步骤：推求设计洪峰流量、时段洪量选择典型洪水过程线缩放典型洪水过程线同频率法同倍比法设计洪水过程线结束选样原则资料三性审查特大洪水独立样本法、统一样本法。年最大值法峰、量同频峰、量不同频67 作业 1、某水文站实测有1938年至1992年最大洪峰流量资料，其中最大的五年洪峰流量依次为28400m3/s，13200m3/s，9850 m3/s，8560 m3/s，8450 m3/s。另外，调查到1927年发生一次洪峰为32000 m3/s是1856年以来最大一次洪水，1856年至1938年间其余洪水的洪峰流量均在15000 m3/s以下，试用统一样本法计算上述六项洪峰流量的经验频率。68