工程水文学第六章由流量资料推求设计洪水

'第六章由流量资料推求设计洪水第一节概述一、水库的防洪功能在河流上筑坝建库，目的在于兴利除害。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和下游防护区的安全，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，必须选择一相应的洪水作为依据。 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：GB50201-94《防洪标准》SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》 水利水电工程等别确定 水利水电工程建筑物级别确定 水库工程建筑物防洪标准确定 水利水电工程防洪标准：正常运用标准—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—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） 三、现行设计洪水计算的基本方法和内容⒈基本方法⑴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、千年一遇等。该方法将洪水作为随机事件，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。 ⑵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(PMF)作为设计洪水。 2.设计洪水的内容设计洪峰流量设计洪水内容：设计时段洪量设计洪水过程线①对于桥梁、涵洞、调节性能小的水库：一般只推求设计洪峰流量，如葛洲坝电站，其泄洪闸以设计洪峰流量控制（Qm=110000m3/s)。②对于大型水库：调节性能高，可以洪量控制，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。③一般水库都以峰和量同时控制。 第二节设计洪峰流量及设计洪量的推求一、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。 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。 3.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。 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：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。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。 三、特大洪水的处理1.特大洪水①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。 ②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。一般地时，QN可以考虑作为特大洪水处理。 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。 3、特大洪水重现期②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6-1：1992年长江重庆～宜昌河段洪水调查结果分析。①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/s②如此洪水为1870年以来为最大，则：N=1992-1870+1＝123（年）这么大的洪水平均130年左右发生一次，可能性不大。 ③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。④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） 可以看出：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。 例6-2：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算。过程:①1955年设计，资料n=18年：Q0.1%=12600m3/s；②1956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； ③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；④再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939）：Q0.1%=22600m3/s1963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。 4、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）连序系列和不连序系列：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. 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。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。两种计算方法：独立样本法、统一样本法。 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。 （1）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。特大洪水系列的经验频率计算公式为： 实测系列的经验频率仍按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，即实测系列的排序为m=l+1,l+2,...,n。 （2）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： 例6-4：特大洪水经验频率计算。资料：某水文站有1935年至1972年的最大洪水资料，其中1949年为最大，并经过考证认为该洪水应作为特大值处理。另外经洪水调查还查明自1903年以来70年间的3次大洪水，其大小排序分别为1921、1949、1903年，并能判定没有遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到1903年以前还有3次大于1921年的特大洪水，其为序依次为1867、1952、1832年，但因年代久远，小于1921年的洪水无法查清，现按上述两种方法估算各特大洪水的经验频率。 5、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、均方差为σn-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σN-l相等，即: 的条件下可导出：其中：xj—特大洪水；xi—一般洪水。 Cs值：对于Cv≤0.5的地区，Cs=(3～4）Cv；对于0.51.0的地区，Cs=(2～3）Cv；此外，还可以采用权函数法来估计Cs。 四、频率曲线线型选择P-Ⅲ型频率曲线五、频率曲线总体参数估计1.经验适线法（目估适线法）⑴尽量照顾点群的趋势⑵曲线通过点群中心⑶侧重考虑中上部的较大洪水点据⑷对特大洪水作具体分析 六、推求设计洪峰、洪量求指定频率的水文变量设计值。例6-5：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。 某河水文站洪峰流量经验频率计算表（a=2，l=0)序号洪峰流量PMa=M/(N+1)m/(n+1)(1-PMa)m/(n+1)Pm=PMa+(1-PMa)m/(n+1)Ⅰ25200.01Ⅱ21000.02114000.0320.0320.051212100.0650.0630.08339600.0970.0950.11449200.1290.1270.14658900.1610.1580.17868800.1940.1900.20977900.2260.2210.24187840.2580.2530.27296700.2900.2850.304106500.3230.3160.336116380.3550.3480.367125900.3870.3800.399135200.4190.4110.431145100.4520.4430.462154800.4840.4740.494164700.5160.5060.526174620.5480.5380.557184400.5810.5690.589193860.6130.6010.620203680.6450.6330.652213400.6770.6640.684223220.7100.6960.715233000.7420.7280.747242880.7740.7590.779252620.8060.7910.810262400.8390.8220.842272200.8710.8540.873282000.9030.8860.905291860.9350.9170.937 某站洪峰流量频率曲线 序号特大洪峰流量序号一般洪峰流量(Xi-X)2(xi-x)2Ⅰ2520114003736489660969Ⅱ220021210260176938812939601391294920110889589091809688085849779041209878438809967068891065039691163826011259091352044891451059291548011449164701368917462156251844021609193864040120368479612134061009223227022523300823692428889401252621056252624012040927220134689282001497692918616080130166177241合计47201654263382582882950 取Cv=0.7，令Cs=3Cv。查附表2，得不同频率P的KP值。则QP=KP×Q或查附表1，得不同频率P的Φ值，用公式计算QP。参数估计: 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第二次（最终）适线结果： 求200年一遇的洪峰流量？∵P=0.5%，Cv=0.8，Cs=3.5Cv=2.8查附表，得Kp=4.87∴Q0.5%=4.87×587=2859m3/s或：查附表，得Φ=4.84，代入有：Q0.5%=587×（1+0.8×4.84）=2859m3/s 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参数，必然存在误差。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-Ⅲ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： 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的抽样误差。经综合分析检查，如果成果偏小，应加安全修正，一般不超过计算值的20%。或 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；一般地：历时增长，均值增大，Cv、Cs一般减小。 第三节设计洪水过程线的推求定义：设计洪水过程线是指具有某一标准的洪水过程线。作用：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模尺寸等。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。 一、典型洪水过程线的选择1、考虑原则：⑴峰高量大，接近设计条件下的稀遇洪水。⑵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。⑶对安全不利，峰型集中、主峰靠后。 一般地：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。 二、放大方法1、同频率放大（峰量同频率放大法）①洪峰放大倍比：②最大1天洪量放大倍比：③最大3天洪量除最大1天以外，其余两天的放大倍比： 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。 2.同倍比放大①按洪峰控制的放大倍比：②按洪量控制的放大倍比： 特点：用同一放大倍比放大典型过。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。 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 作业（附加）：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，9850m3/s，8560m3/s，8450m3/s。另外，调查到1927年发生一次洪峰为32000m3/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15000m3/s以下，试用统一样本法、独立样本法计算上述六项洪峰流量的经验频率。'