《工程水文学》(第4版)第8章由流量资料推求设计洪水

'工程水文学(EngineeringHydrology)主讲：张峰手机：13856993385邮箱：zf_hhu@163.com安徽水电学院水文与水资源专业教研室二Ο一五年二月一日 工程水文学(EngineeringHydrology)二Ο一五年二月一日第8章由流量资料推求设计洪水 一、洪水设计标准所谓某种大洪水意指工程设计时选择的一种特定洪水。如何选择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。在国标GB50201-94中明确了两种防洪标准的概念。一是水工建筑物本身的防洪标准；二是防洪对象保护要求有关的防洪区的防洪安全标准，如某一城市的防洪安全标准。城市等级城市重要性非农业人口（万人）防洪标准[重现期（年）]I特别重要的城市≥150≥200II重要的城市50～150100～200III中等城市20～5050～100IV一般城镇≤2020～50城市等级和防洪标准 工程等别水库防洪治涝灌溉供水水电站工程规模总库容（108m3）城镇及工矿企业的重要性保护农田(万亩)治涝面积(万亩)灌溉面积(万亩)城镇及工矿企业的重要性装机容量（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500~100200~60150~60重要120~30Ⅲ中型1.0~0.10中等100~3060~1550~5中等30~5Ⅳ小（1）型0.10~0.01一般30~515~35~0.5一般5~1Ⅴ小（2）0.01~0.001<5<3<0.5<1水利水电工程枢纽的等别一、洪水设计标准 一、洪水设计标准工程等别永久性水工建筑物级别临时性水工建筑物级别主要建筑物次要建筑物Ⅰ134Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ55水工建筑物的级别 一、洪水设计标准水工建筑物级别防洪标准[重现期（年）]山区、丘陵区平原区、滨海区设计校核设计校核混凝土坝、浆砌石坝及其他水工建筑物土坝、堆石坝11000~5005000~2000可能最大洪水（PMF）或10000~5000300~1002000~10002500~1002000~10005000~2000100~501000~3003100~501000~5002000~100050~20300~100450~30500~2001000~30020~10100~50530~20200~100300~2001050~20水库工程水工建筑物的防洪标准 二、设计洪水的含义1、洪水：由于流域内降雨或冰川溶雪，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。2、洪水三要素一次洪水过程可用3个控制性要素加以描述，常称为洪水三要素，即（1）洪峰流量Qm（m3/s），为洪水过程线的最大流量。（2）洪水总量W（m3），为一次洪水的径流总量。（3）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T为洪水历时。 二、设计洪水的含义3、设计洪水所谓设计洪水，实质上是指具有规定功能的一场特定洪水，其具备的功能是：以频率等于设计标准的原则，求得该频率的设计洪水，以此为据而规划设计的工程，其防洪安全事故的风险率等于指定的设计标准。例如：某水库设计标准以重现期千年，频率为0.1%表示，就是指该频率下的设计洪水经过调洪推求的水库设计洪水位，在未来水库长期运行中，每年最高库水位超过该设计水位的概率是0.1%。设计时根据建筑物的级别选定不同频率作为防洪标准。设计永久性建筑物所采用的洪水标准，分为正常运用和非常运用两种情况，分别称为设计标准和校核标准。用正常运用的洪水来确定水利水电枢纽工程的设计洪水位、设计泄洪流量等水工建筑物设计参数，这个标准的洪水称为设计洪水。若洪水在短期内超过设计标准时，主要水工建筑不允许破坏，仅允许一些次要的建筑物损毁或失效，这种情况就称为非常运用条件或标准，按照非常运用标准确定的洪水称为校核洪水。 二、设计洪水的含义设计洪水包括设计洪峰流量Qmp、不同时段设计洪量WTp及设计洪水过程线Qp～t三个要素。暴雨洪水冰川洪水融雪洪水 二、设计洪水的含义按所用资料不同，推求设计洪水的途径主要包括：（1）由流量资料推求设计洪水分别对洪峰流量和各种时段洪量进行频率计算，求的设计洪峰流量和各种时段的设计洪量；选择适当的典型洪水过程线，用设计洪峰和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先通过频率计算推求设计暴雨，再利用流域产汇流方法由设计暴雨推求设计洪水。（3）由水文气象资料推求设计洪水通过对设计流域或附近地区的暴雨气象成因分析和洪水分析，求得可能最大降水，经流域产汇流计算，求得可能最大洪水。（4）由地理综合法推求设计洪水对气候及下垫面因素相似地区的实测和调查洪水资料进行综合归纳，直接建立洪峰流量或洪水总量与各有关影响因素之间的相关关系，供设计地区无资料的中、小流域设计洪水估算之用。水文分析计算原则：“多种方法，综合分析，合理选定”。 二、设计洪水的含义当研究断面有比较充分的实测流量资料时，可采用由流量资料推求设计洪水。由流量资料推求设计洪水时，要经过一下步骤：（1）洪水资料选样（选取洪峰流量和洪量）；（2）洪水资料审查；（3）考虑特大洪水的频率计算（推求设计洪峰流量和设计洪量）；（4）设计洪水过程线推求；（5）计算成果合理性分析。 三、洪水资料的分析处理1、洪水样本的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，如何从历年洪水系列资料（包括实测洪水资料和调查的历史洪水资料）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。实测洪水：n年洪水系列有两类：洪峰流量与不同时段洪水总量洪峰系列：年最大值法，即从收集的洪水系列资料中逐年选取一个最大瞬时洪峰流量组成洪峰流量系列。洪量系列：固定时段年最大值法，即从收集的洪水系列资料中逐年选取固定时段最大洪量组成洪水总量系列。固定时段T：1、3、5、7、15、30d。年最大值法选样示意图 三、洪水资料的分析处理1、洪水样本的选取值得注意的是，所谓年最大1d洪量W1实际上是一年中连续24h的最大洪量，并不是逐日平均流量表中的最大日平均流量乘以一天的秒数；同样，W3是指一年中连续72h最大洪量，其他依次类推。选取年最大值时不考虑洪峰流量或其它时段洪水总量发生的时间和位置，洪峰流量和各时段洪水总量的年最大值可以来自不同次洪水，而不要求年最大瞬时洪峰流量和各时段年最大洪水总量一定要发生在同一次洪水中。如右图：洪峰流量和最大1日洪量属于同一次洪水，而最大3日和最大5日洪水总量则属另一次洪水。 三、洪水资料的分析处理2、洪水资料的审查和分析选取的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，必须充分重视洪水资料的审查与分析工作。分析内容包括洪水资料的可靠性、一致性和代表性审查。（1）洪水资料的可靠性审查审查目的：保证径流系列真实、可靠。审查内容：包括资料的测验方法、整编方法和成果质量，特别是审查观测和整编质量较差的年份。注意了解水尺位置、零点高程、水准基面的变动情况；汛期是否有水位观测中断的情况；所测断面是否有冲淤变化；水位流量关系曲线的延长是否合理等。审查方法：一般通过对历年水位流量关系曲线的对照，上下游、干支流水量平衡及洪水过程线的对照，降雨径流关系的分析等进行检查，必要时做适当修改。对调查的历史洪水资料主要审查调查计算的洪峰流量及其发生年份的可靠性。关于前者，主要审查洪水痕迹是否可靠，上下游痕迹是否一致以及流量推算是否合理。对于后者，应主要了解确定发生年份的依据是否充分，河流上下游和邻近流域是否一致等。 三、洪水资料的分析处理2、洪水资料的审查和分析（2）洪水资料一致性审查所谓资料系列的一致性是指资料系列具有同一成因，就是说，组成该系列的流量资料都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一测流断面条件下获得的。审查目的：保证径流系列来自统一总体。审查方法：因气候条件变化缓慢，故主要从人类活动影响和下垫面的改变来审查。如因流域上修建了蓄水、引水、分洪、滞洪等工程或发生决口、溃堤、改道等情况，导致流域的洪水形成条件明显改变，而不同形成条件的洪水资料的概率分布亦不同，若把其放在一起进行频率计算，就会破坏资料的“一致性”，此时应将资料改正到同一基础上，力求使样本系列具有同一的总体分布规律，即进行径流还原计算。 三、洪水资料的分析处理2、洪水资料的审查和分析（3）洪水资料的代表性审查洪水系列的代表性，是指该洪水样本的频率分布与其总体概率分布的接近程度，如接近程度较高，则系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之较低。审查目的：保证样本的统计参数接近总体的统计参数；一般认为，资料年限较长，并能包括大、中、小等各种洪水年份，则代表性较好。在水文数据资料分析时，古洪水研究、历史洪水调查、考证历史文献和系列插补延长等增加洪水系列的信息量方法，是提高洪水系列代表性的基本途径。样本对总体代表性的高低，可通过对二者统计参数的比较加以判断。但总体分布是未知的，无法直接进行对比。审查方法：一般采用参证变量长短系列统计参数对比分析法进行间接审查。 三、洪水资料的分析处理3、历史洪水的调查和考证（1）洪水调查的意义频率计算成果中的合理性与洪水资料的代表性有很大关系，而洪水资料的代表性又主要受到资料系列长短的制约。在充分利用已有实测资料的基础上，重视并运用历史上曾经发生过的特大洪水资料，并将其与实测洪水系列一起纳入设计洪水的计算，可以展延洪水资料系列年限，显著提高系列代表性，确保设计洪水计算成果的稳定性和可靠性。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。特大洪水分类：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（实测特大洪水），后者称资料外特大洪水(历史特大洪水)，如图所示。 三、洪水资料的分析处理3、历史洪水的调查和考证（2）历史洪水的实地调查和文献考证历史特大洪水资料的获取一般采用实地历时洪水调查（洪水痕迹调查、走访年长居民等形式）及历史文献资料考证（碑记、歌谣、地方志、私人日记、宗族记事、《水经注》一类的关于自然地理河流的专著等历史文字记载资料）两种方法。历史洪水位（洪痕高程）确定后，采用延长水位～流量关系曲线法、比降法、控制断面法等计算相应的洪峰流量。（3）历史洪水在调查考证期中的排位分析特大洪水中历史洪水的数值确定以后，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，将与确定历史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：指有实测洪水资料年份（包括插补延长的年份）。调查期：指实测开始年份之前至能调查到的历史洪水最远年份的一段时期。文献考证期：是调查期之前至有历史文献可以考证的时期。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。 三、洪水资料的分析处理3、历史洪水的调查和考证（3）历史洪水在调查考证期中的排位分析特大洪水的重现期一般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-发生年份+1②从调查考证的最远年份至今为最大（调查考证期的最远年份迄今的年数）N=设计年份-调查考证期最远年份+1由于调查及考证可追溯到距今古远N年，因此实测或调查考证的a项特大洪水就可以在N年内进行排位。【算例】P201 【历时洪水频率计算】典型案例某站有自1949～2005年实测洪峰系列57年，其中1954年洪峰6300m3/s是最大洪峰，1998年洪峰5800m3/s是次大洪峰，1969年洪峰5300m3/s排第三位，1970年1250m3/s为最小洪峰。根据历史洪水调查，1921年洪峰5700m3/s是自1880至实测期开始这个期间的最大洪水。另据文献考证，自1775年以来没有遗漏比1954年更大的洪水。根据上述信息对各年洪水进行排位分析。 排位序列长度年份排位考证期N1=231年（1775～2005年）19541调查期N2=126年（1880～2005年）19541（空位）1998219213实测期n=57（1949～2005年）19541（空位）19982（空位）19693。。。。。。197057洪水排位分析 四、设计洪峰流量及洪量的推求1、连续和不连续样本系列连序系列：如果通过历史洪水的调查考证，在n年实测和插补延长的洪水资料系列（可看成是从总体分布中独立随机选样得到的）中没有特大洪水值需要做单独处理，则将各项洪水值直接按大小顺序统一排位，序号是连贯的，在各项洪峰之间没有空位，这样的样本资料系列称为连序系列。不连序系列：若通过历史洪水调查和文献考证后，实测和历史调查的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一一无法查得，各年洪水值在N年中由大到小排列的序号不连续，即由大到小排列时中间存在一些空位（或漏缺项位），这样的样本资料系列称为不连序系列。所渭“连续”与“不连续”并非指日历年的连续与不连，二者差别仅在于系列内各项洪峰值由大到小排列的中间有无空位。 四、设计洪峰流量及洪量的推求1、连续和不连续样本系列设特大值的重现期为N，实测系列年数为n，在N年内共有a个特大值，其中有l个来自实测系列，其他来自调查考证。若a=0，则l=a=0，N=n，表明没有特大洪水，不连续样本就变成连续样本。 四、设计洪峰流量及洪量的推求2、不连续样本系列的经验频率计算（1）统一处理法将实测洪水与历史大洪水一起组成一个不连续的系列，认为他们共同参与组成一个历史调查期为N的样本，各项可在N年中统一排序。其中，为首的a项占据N年中的a个序位，其经验频率采用数学期望公式而实测期n内的n-l个一般洪水是N年样本的组成部分，由于他们都不超过N年中为首的a项洪水，因此其概率分布不再是从0到1，而只能是从Pa到1（Pa是第a项特大洪水的经验频率）。于是对实测期的一般洪水，假定其第m项的经验频率在(Pa,1)区间内线性变化，则 四、设计洪峰流量及洪量的推求2、不连续样本系列的经验频率计算（1）分别处理法将特大值系列和实测系列看作从总体中独立抽出的两个随机连续序列，各项洪水在各自的系列中分别排序。其中a项特大洪水的经验频率按下式计算：实测系列中n-l项的经验频率按下式计算同理，计算时，前l个特大洪水的序位保持“空位”，从m=l+1开始计算其他各项的经验频率。【例8-1】P203 四、设计洪峰流量及洪量的推求3、洪水频率曲线的线型我国洪水频率分析一直采用P-Ⅲ型分布曲线。在洪水频率曲线参数估计方法中，我国规范统一规定采用适线法。对于目估适线法必须注意：经验点据与曲线不能全面拟合是，可侧重考虑上中部分的较大洪水点据，对调查考证期内为首的几次特大洪水，要作具体分析。目估适线法估计参数时，通常将矩法的估计值作为初始值。在用矩法初估参数时，对于不连续系列，假定n-l年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的N-a年系列的相等，即，可以导出参数计算公式4、频率曲线参数估计Xj为特大洪水，j=1,2,…,aXi为一般洪水，i=l+1,l+2,…,n 四、设计洪峰流量及洪量的推求偏态系数Cs属于高阶矩，矩法估计值抽样误差非常大。故不用矩法估计作为初值，而是参考地区规律选定一个Cs/Cv值。我国对洪水极值的研究表明，对于Cv≤0.5的地区，可以试用Cs/Cv=3～4；对于0.51.0的地区，可以试用Cs/Cv=2～3。目估适线法具有形象、灵活、简便等明显优点。4、频率曲线参数估计【算例】P206【算例】P206 四、设计洪峰流量及洪量的推求5、设计成果的合理性分析在洪水频率计算中，由于资料系列不长，常使计算所得的各项统计参数均值、Cv、Cs及各种频率的设计值xp带有误差。而另一方面，这些统计参数和计算成果在不同历时之间，以及相同历时在上下游和相邻地区之间，客观上都存在一定的关系或地理分布规律。因此，可以综合同一地区各站成果，通过对比分析，作合理性检查。（1）本站的洪峰及各种历时洪量之间比较分析1）频率曲线对比分析将同一站的的各种不同历时洪量频率曲线的纵坐标变换成对应历时的平均流量，然后与洪峰流量的频率曲线一起点绘在同一张几率格纸上，各条曲线应近似平行，互相协调；一般历时越短，坡度应越大；各曲线在实用范围内(P=0.01%～99%),不应相互交叉。 四、设计洪峰流量及洪量的推求5、设计成果的合理性分析2）统计参数或设计值之间的比较分析点绘本站的各项统计参数或设计值（作为纵坐标）和洪水历时（作为横坐标）的关系曲线。这种关系曲线一般呈现出下述特性：①均值和设计值应随历时增加而增加，但其增率则随历时增加而减小。而且，对于流域面积大、连续暴雨次数多的河流，其增率随历时增加而减小得慢点，反之，其增率随历时增加而减小得快一些。②Cv一般随历时的增加而减小。但对于调蓄作用大且连续暴雨次数多的河流，随着历时的增加，Cv反而增大，至某一历时达到最大值，然后再逐渐减小。③偏态系数Cs值，由于观测资料短，计算成果误差很大，因此规律不明显。一般的概念是随着历时的增加，Cs值逐渐减小。（1）本站的洪峰及各种历时洪量之间比较分析 四、设计洪峰流量及洪量的推求5、设计成果的合理性分析在同一条河流的上、下游之间，洪峰和洪量的统计参数一般存在较密切的联系。当上下游气候、地形等条件相似时，洪峰（量）的均值应该由上游向下游递增，其模数则递减。Cv值也由上游向下游减少。当上下游气候、地形等条件不一致时，上、下游间的变化就比较复杂，需结合具体河流特点加以分析。（2）上下游洪水关系的分析（2）上下游洪水关系的分析绘制洪峰、洪量的均值或设计值与流域面积的关系图，分析点据的分布是否与暴雨及地形等因素的分布相适应，可以判断成果的合理性。有时也可以将洪峰、洪量均值模数及Cv绘成等值线图，并与暴雨的均值和Cv的等值线图进行比较，如发现有突出偏高偏低的现象，就要渗入分析原因。（3）邻近河流洪水统计参数及设计值在地区分布上的分析 四、设计洪峰流量及洪量的推求5、设计成果的合理性分析暴雨统计参数与相应时段洪量统计参数之间是有联系的，一般而言，洪量的Cv应大于相应时段的暴雨量的Cv值。（4）暴雨径流之间关系的分析以上介绍的设计成果合理性分析方法所依据的是洪水在时空变化上的一般统计特性以及影响因素暴雨之间的一般参数特性。由于影响洪水的因素错综复杂，在一般性的大背景下会出现某种特殊性，所以分析时务必结合暴雨特性、下垫面条件、资料质量从多方面论证。 四、设计洪峰流量及洪量的推求6、设计洪水值的抽样误差设计洪水值的抽样误差，通常采用设计洪水值抽样分布的均方误来表征误差。如果一个设计洪水值的抽样均方误小，则认为该估计值的有效性好、精度高；反之，有效性差，精度低。对于P-Ⅲ分布，设计估计值抽样分布的标准差近似由下式计算：式中：x均值、Cv为总体参数的估计值；n为样本容量；B为Cs和设计频率P的函数。已制成P-Cs-B（也称诺模图）可供查用。由于设计洪水值存在着误差，而该值大小关系到工程投资、防洪效益和安全。因此，在某些情况下求得设计值后，再加上一个安全修正值，以策安全。通常将安全修正值（用Δxp表示）取成δxp的函数，即式中：β为可靠性系数，可取β=0.7。 五、设计洪水过程线的拟定设计洪水过程线是指具有某一设计标准的洪水过程线。为适应工程设计的要求，目前采用放大典型洪水过程线的方法，使设计过程线的洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计值，其出现的频率等于设计标准，即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线。1、典型洪水过程线的选取典型洪水过程线是放大的基础，从实测的洪水资料中选择典型时，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，其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况。（2）洪水过程线具有一定的代表性，即它发生的季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。（3）从防洪安全着眼，选择对工程防洪运用较不利的大洪水典型，如峰型比较集中，主峰靠后的洪水过程线。一般按上述条件初步选取几个典型，分别放大，并经调洪演算，取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型。 五、设计洪水过程线的拟定2、典型洪水过程线的放大方法——同倍比放大法用同一放大倍比k值，放大典型洪水过程线的流量坐标，使放大后的洪峰流量等于设计洪峰流量Qmp，或使放大后的控制时段tk的洪量等于设计洪量Wkp。（1）使放大后的洪峰流量等于设计洪峰流量Qmp，称为“峰比”放大，放大倍比为式中：k为放大倍比；Qmp为设计频率为p的设计洪峰流量；Qmd为典型洪水过程的洪峰流量。 五、设计洪水过程线的拟定2、典型洪水过程线的放大方法——同倍比放大法(2)使放大后的控制时段tk的洪量等于设计洪量Wkp，称为“量比”放大，放大倍比为式中：k为放大倍比；Wkp为设计频率为p的tk时段的设计洪量；Wkd为典型洪水过程的tk时段的洪量。计算放大倍比，然后与典型洪水过程线流量坐标相乘，就得到设计洪水过程线。 五、设计洪水过程线的拟定2、典型洪水过程线的放大方法——同频率放大法在放大典型过程线时，按洪峰和不同历时的洪量分别采用不同倍比，使放大后的过程线的洪峰及各种历时的洪量分别等于设计洪峰和设计洪量。也就是说，经放大后的过程线，其洪峰流量和各种历时洪水总量的频率都符合同一设计标准，称为“峰、量同频率放大”，简称“同频率放大”。洪峰最大1天洪量最大3天洪量最大7天洪量放大步骤：峰→短历时洪量→长历时洪量(即由里向外、长包短）。 五、设计洪水过程线的拟定2、典型洪水过程线的放大方法——同频率放大法在典型洪水过程线的放大中，由于在两种历时衔接的地方放大倍比不一致，因而放大后的交界处产生不连续的现象，是过程线呈锯齿形。此时需要修匀，使其成为光滑曲线，修匀时需要保持设计洪峰和各种历时的设计洪量不变。修匀后的过程线即为设计洪水过程线。 项目Qm（m3/s）WT[（m3/s）h]1d3d7dP=1%的设计值2610152528743873典型过程线的相应值1810108318952565某水库洪峰、洪量统计表【同频率法应用】典型案例某水库设计标准的洪峰和1d、3d、7d洪量，以及典型洪水过程线的洪峰和1d、3d、7d洪量列于下表。要求：用分时段同频率放大法推求的设计洪水过程线。 解：（1）计算洪峰和各时段洪量的放大倍比 解：（2）设计洪水过程线同频率放大法推求设计洪水过程线 五、设计洪水过程线的拟定2、典型洪水过程线的放大方法——两种放大法的比较（1）同倍比放大法，计算简便，常用于峰量关系比较好及多峰型的河流。其中，“峰比”放大常用于防洪后果主要由洪峰控制的水工建筑物，“量比”放大则常用于防洪后果主要由时段洪量控制的水工建筑物。此外，同倍比放大后，设计洪水过程线保持典型洪水过程线的形状不变。（2）同频率放大法常用于峰量关系不够好、洪峰形状差别大的河流。这种方法适用于有调洪作用的水利工程，例如调洪作用大的水库等。目前，大、中型水库规划设计中，主要采用此法。另外，成果较少受典型不同的影响，放大后洪水过程线与典型洪水过程线形状可能不一致。【例8-2】P212 TheEnd，ThankYou!'