第八章 工程水文学

'第九章有流量资料推求设计洪水 第一节概述由于流域内降雨或融雪，大量径流汇入河道，导致流量激增，水位上涨，这种水文现象，称为洪水。在进行水利水电工程设计时，为了建筑物本身的安全和防护区的安全，必须按照某种标准的洪水进行设计，这种作为水工建筑物设计依据的洪水称为设计洪水。如何选择对设计的水工建筑物较为合适的洪水作为依据，涉及一个标准问题，称为设计标准。国家根据工程效益、政治及经济各方面的综合考虑，颁布了按工程规模分类的工程等别和按建筑物划分的防洪标准，这就是国家《防洪标准》（GB50201-94）和水利部2000年颁发的编号为SL252-2000的《水利水电工程等级划分及洪水标准》。 水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库总库容（108m³）防洪治涝灌溉供水发电防护城镇及工矿企业的重要性保护农田（104亩）治涝面积（104亩）灌溉面积（104亩）供水对象重要性装机容量（104kw）Ⅰ大（1）型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大（2）型10～1.0重要500～100200～60150～50重要120～30Ⅲ中型1.0～0.1中等100～3060～1550～5中等30～5Ⅳ小（1）型0.1～0.01一般30～515～35～0.5一般5～1Ⅴ小（2）型0.01～0.001＜5＜3＜0.55＜1注：1.水库总库容指水库最高水位以下的静库容；2.治涝面积和灌溉面积均指设计面积。 永久性水工建筑物级别工程等级主要建筑物次要建筑物工程等级主要建筑物次要建筑物Ⅰ13IV45Ⅱ23V55Ⅲ34 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准［重现期（年）］项目水工建筑物级别12345设计1000～500500～100100～5050～3030～20校核土石坝可能最大洪水（PMF）或10000～50005000～20002000～10001000～300300～200混凝土坝浆砌石坝5000～20002000～10001000～500500～200200～100 平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准［重现期（年）］项目水工建筑物级别12345水库工程设计300～100100～5050～2020～1010校核2000～10001000～300300～100100～5050～20拦河水闸设计100～5050～3030～2020～1010校核300～200200～100100～5050～3030～20 建国以来,我国推求设计洪水经历了三个阶段:(1)历史最大洪水加成法   以历史上发生过的最大洪水再加一个成数作为设计洪水。   此法有二个缺点:①没有考虑未来洪水超过历史最大洪水的可能性,使人们产生不安全感;②对大小不同,重要性不同的工程采用一个标准,显然不合理。   如葛洲坝枢纽:选用1788年洪水作为设计洪水Qm=8600m³/s;选用1870年洪水作为校核洪水Qm=110000m³/s。 2)频率计算法   以符合某一频率的洪水作为设计洪水,如百年一遇洪水、千年一遇洪水等。   此法把洪水作为随机事件,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,它可以克服上法存在的缺点,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、公路桥涵、航道、堤防设计中广泛应用。(3)水文气象法   因频率计算缺乏成因概念,如资料系列太短,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,使设计标准一再提高。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。设计标准是一个关系到政治、经济、技术、风险和安全的极其复杂的问题,要综合分析,权衡利弊、根据国家规范合理选定。 二、设计洪水的计算任务设计洪水过程必须计算3个控制性要，常称为设计洪水三要素，即：l、设计洪峰流量Qm（m3/s），为设计洪水过程线中的最大流量，对闸、堰工程常起控制作用；2、设计洪水总量W（m3），即设计洪水的径流总量，对防洪库容起着决定性作用；3、设计洪水过程线，设计洪水过程线形状不同需要不同的防洪库容，因此推求设计洪水需要确定其洪水过程线。 根据资料条件推求设计洪水的基本途径有四种：1、由流量资料推求设计洪水。先分别对洪峰流量和各时段洪量进行频率计算，求得设计洪峰流量和各种时段的设计洪量；而后选择适当的典型洪水过程线，用设计洪峰与设计洪量控制对其进行放大，得出设计洪水过程线。2、由暴雨资料推求设计洪水。该法是先经产流计算求设计净雨过程，再经汇流计算求得设计洪水过程。3、由水文、气象资料推求可能最大洪水。这种方法从分析天气形势和露点、风速、降水等气象资料着手，推求可能最大暴雨，然后经产流、汇流计算求出可能最大洪水。4、用地理综合法推求小流域设计洪水。 第二节洪水资料的分析与处理8.2.1洪水样本的选取选样就是在现有的洪水资料中选取样本系列,作为频率计算的依据。我国目前采用年最大值法选样，即每年只选一个最大洪峰流量及某一历时的最大洪量组成系列。      洪峰选样:洪峰选样比较容易，可以从水文年鉴上直接查得，从n年中选出每年的最大洪峰值组成系列；      洪量选样:则采用固定时段选取年最大值，固定时段一般为1d、3d、7d、15d、30d等。固定时段的年最大值需要经过计算比较后选出。分别组成1d、3d、7d、15d、30d等系列。设计流域最长的时段根据其大洪水的情况而定。 设计洪水过程线的推求:典型洪水放大法：    即从实测洪水中选出和设计要求相近的洪水过程线作为典型,然后按设计的峰和量将典型洪水过程线放大,此法的关键是如何恰当地选择典型洪水和如何放大。   选择典型洪水的原则:"可能"和"不利"     ①资料完整,精度较高,接近设计值的实测大洪水过程线;     ②具有较好的代表性,即在发生季节、地区组成、峰型、主峰位置、洪水历时及峰、量关系能代表设计流域大洪水的特性;     ③选择对防洪不利的典型，具体地说，就是选"峰高量大、主峰偏后"的典型洪水。     ④如水库下游有防洪要求,应考虑与下游洪水遭遇的不利典型。 8.2.2洪水资料的审查和分析1、可靠性：上下游、干支流观测和整编质量差的年份2、一致性：一致的下垫面和气候条件工程的影响3、代表性：较长、大中小年份8.2.3历史洪水的调查和考证 二、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。 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。如:1)利用上、下站或邻近站洪水资料延展；2）利用本站洪峰、洪量关系延展；3）利用降雨资料延展。 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和设计洪量的推求由流量资料推求设计洪水计算的布骤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.作洪峰流量Qm、各种时段洪量Wt(t=1d,3d,7d)的频率计算，分别求出设计标准P下的设计洪峰流量QmP和各种时段设计洪量WtP；4.推求设计洪水过程线。 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（3小时、6小时、12小时等）。洪水资料包括实测洪水资料和调查的历史洪水资料月-日：7-47-57-67-77-87-97-107-117-12流量：704191390242037204730537045603170月-日：7-137-147-157-167-177-187-197-20流量：25002010173014801230110015802550月-日：7-217-227-237-247-257-267-277-28流量：32302490192014701090875875875 三、特大洪水的调查、考证与处理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,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). 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)历史调查期实测期 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。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。 由此可见加入特大洪水有助于提高样本的代表性和设计洪水的可靠性。但应注意的是，年代越久，由于河流演变等原因，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。 3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 例1992年长江重庆-宜昌河段洪水调查同治九年（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。若此洪水为1870年以来为最大，则N=1992-1870+1＝123（年）这么大的洪水平均130年就发生一次，可能性不大。Nn1870Qm＝110000m3/s1992 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）Nn19921870Qm＝110000m3/s1153这样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，计算精度愈差，一般以明、清两代六百年为宜。 2.考虑有特大洪水时经验频率的估算（1）加入特大洪水后,资料系列的特征：不连序。缺测所谓“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。 所以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。考虑特大洪水时经验频率的计算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的方法。目前国内有两种方法计算特大洪水与一般洪水经验频率：独立样本法、统一样本法。 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缺测关键：确定a，l，N。 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 （2）独立样本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：特大洪水系列的经验频率计算公式为：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，即实测系列的排序为m=l+1,l+2,...,n。 Nn199218701153例：l=？a=？N=？提问： （3）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列，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： a项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......PQ(m3/s)...PmPM实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n...PMa1-PMa 上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立，这在理论上有些不合理，但比较简单。在特大洪水排位可能有错漏时，因不互相影响，这方面讲则是比较合适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统一样本法更好一些。 [例6-1]某站自1935～1972年的38年中，有5年因战争缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，并考证应从实测系列中抽出作为特大值处理。另外，查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位为1921、1949、1903年，并能判断在这70年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到在1903年以前，还有三次大于1921年的特大洪水，其序位是1867、1852、1832年，但因年代久远，小于1921年洪水则无法查清。现按上述两种方法估算各项经验频率。n=33N1=70N2=141192119031949186718521832197219031832193519211949 独立样本法：1852年1832年1921年1867年调查期N2=141：统一样本法：同独立样本法 独立样本法：1949年1903年1921年已抽到上面排序调查期N1=70：统一样本法： 独立样本法：1940年1968年1949年已抽到上面排序实测期n=33：统一样本法：......... 3.考虑特大洪水时统计参数的确定（1）初步估计参数——矩法假设系列中n-l年的一般洪水的均值为xn-l、均方差为σn-l，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xN-a、均方差σN-a相等，即:xj——特大洪水；xi——一般洪水则可导出： 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 七、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，Cv、Cs一般减小。PQW7d5d3d (2)根据上下游、干支流及邻近地区各河流洪水频率分析成果进行比较。从上游到下游，均值增大、模数减小PW3d（下游站、干流站）3d（上游站、支流站）（3）与暴雨频率分析结果进行比较一般洪水径流深应小于相应天数的暴雨深，而洪水的Cv值大于相应暴雨量的Cv值。 第三节设计洪水过程线的推求目的：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模、尺寸等。定义：设计洪水过程线是指具有某一标准的洪水过程线。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，根据设计洪峰、时段设计洪量按一定比例缩放典型洪水过程线，得设计洪水过程线。 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，如何从历年洪水系列资料中选取表征洪水特征值的样本，是洪水频率计算的首要问题。采用年最大值法选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。 一、典型洪水过程线的选择1选择典型所考虑的因素：1）洪水（尤其是特大洪水）的形成规律和天气条件；2）洪水过程特征，如大洪水出现的时间、季节、峰型（单峰、双峰或连续峰）、主峰位置、洪水上涨历时、洪量集中程度等。2典型洪水选择原则：1）峰高量大原则尽量选择峰高量大的接近设计条件下的实测洪水过程；2）代表性原则从季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等方面考虑；3）对工程不利原则峰型集中、主峰靠后、与下游洪水遭遇。 二、典型洪水过程线放大若符合条件的洪水过程可能不止一条，也可以选择几个典型洪水过程，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。放大方法峰量同频率控制方法(同频率放大法)峰或量同倍比控制方法(同倍比放大法) 1.同倍比放大1)概念用同一个放大倍数放大典型洪水过程线，从而得到设计洪水过程线的方法。2）放大倍数计算a.当洪峰起决定作用时，或调节性能低的水库，一般以洪峰控制，称“以峰控制”，其放大倍比：典型洪峰流量设计洪峰流量 b.当时段洪量起决定作用时，或调节性能高的水库，一般以某时段洪量控制，称“以量控制”，其放大倍比：其中t=1d,3d,7d,…设计时段洪量典型时段洪量3)典型洪水过程的缩放用同一个放大倍数放大典型洪水过程线，即：典型洪水过程设计洪水过程 特点：用同一放大倍比放大典型过程。简单。注意：1.用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个起主要作用；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。典型洪水过程线设计洪水过程线 例：用同倍比放大法计算放大倍数解：当洪峰流量为控制时，放大倍数为：当3天洪量为控制时，放大倍数为： 2.同频率放大（峰量同频率放大法）1)概念放大典型洪水过程线时，按洪峰和不同时段的洪量分别采用不同的倍比，使放大的洪水过程线的洪峰流量和各时段洪量分别等于设计洪峰流量和设计洪量。即放大后的洪水过程线为同一设计频率的方法。2）放大倍数计算洪峰放大倍比： 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：最大7天洪量除最大3天以外，其余四天的放大倍比：其余类推 3)典型洪水过程的缩放用不同放大倍数放大典型洪水过程线，即： 例：某水库设计标准P=1%的洪峰和1天、3天、7天洪量，以及典型洪水过程线的洪峰和1天、3天、7天洪量如下表。要求用同频率放大法计算放大倍数。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。注意：1).时段划分，不宜过多，一般以3段或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 解：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：最大7天洪量除最大3天以外，其余四天的放大倍比： 三、同倍比法与同频率法的异同点1.不同1）概念不同2）适用条件不同同倍比法：多峰洪水且洪峰或某时段洪量起作用同频率法：峰量关系不好且洪峰、洪量对调洪均起作用的的流域洪水2.优缺点优缺同倍比：简单、快捷；峰、量不能保持同一频率；能保持典型洪水过程线的形状与设计标准有较大差异。同频率：峰、量同频率；复杂；符合设计标准放大的典型洪水过程线的形状与实际有差异 第四节分期设计洪水 二、分期设计洪水的计算方法1）选样选样：跨期选样、不跨期选样。跨期选样的日期不宜超过5～10日。2）特大洪水处理；经验频率计算；参数估计；配线；3）分期设计洪水过程线施工初期围堰——设计洪峰流量大坝合龙——设计洪峰和洪量调洪——设计洪水工程线4）与全年最大洪水的峰量频率曲线对比 作业某水库设计标准P=0.1%的洪峰和1天、3天、5天洪量分别为：Qm,0.1%=11760m3/s，W1d,0.1%=8.07亿m3，W3d,0.1%=15.60亿m3，W5d,0.1%=20.09亿m3。典型洪水选1969年7月一次洪水。要求用同频率放大法推求P=1%的设计洪水过程。典型洪水过程线(m3/s) 日.时：11.411.811.1211.1611.2011.2412.412.812.12流量：704191390242037204730537045603170日.时：12.1612.2012.2413.413.813.1213.1613.20流量：25002010173014801230110015802550日.时：13.2414.414.814.1214.1614.2014.2415.40流量：32302490192014701090875875875日.时：15.815.1215.1615.2015.2416.416.8流量：857786747712701690684'