工程水文学第九章流量求设计洪水刘

第八章由流量资料推求设计洪水目录第一节概述第二节设计洪峰流量、设计洪量的推求第三节设计洪水过程线的推求第四节分期设计洪水（不讲）第五节入库设计洪水（不讲）第六节设计洪水的地区组成（不讲）重点•主要内容：•由流量资料推求规定频率的设计流量过程线•学习重点：􀂄特大洪水处理：不连序样本系列的经验频率和统计参数的计算用同频率放大法推求设计洪水过程线一、问题的提出在河流上兴建水库，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。但水库单单有兴利库容是否就行了呢？第一节概述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设计洪水——拦洪库容——设计洪水位校核洪水——调洪库容——校核洪水位水库泄洪——泄洪建筑物第一节概述1、死水位Z死和死库容V死；2、正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴；3、防洪限制水位Z防和防洪库容V防；4、设计洪水位Z设和拦洪库容V拦5、校核洪水位Z校与调洪库容V调；6、水库总库容：V总=V死+V兴+V调第一节概述三峡工程，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。第一节概述水库防洪设计的依据两类水库防洪问题：1.水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大Q～t情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要的坝顶高程等工程规模数据。如何设计调洪库容和泄洪建筑物？——水工建筑物的设计洪水第一节概述2.下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不超过某一流量值。如何设计防洪库容？——防护对象的设计洪水第一节概述第一节概述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一、设计洪水1.设计洪水概念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。确定设计标准是一个非常复杂的问题我国：SDJ12-78《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）》GB50201-94《防洪标准》第一节概述设计时根据水工建筑物级别选定不同频率作为防洪标准。水利水电工程建筑物防洪标准分为正常运用和非常运用两种􀂄•按正常运用洪水标准算出的洪水称为设计洪水，用它来决定水利水电枢纽工程的设计洪水位。宣泄正常运用洪水时，泄洪设施应保证安全和正常运行•当河流发生比设计洪水更大的洪水时，选定一个非常运用洪水标准进行计算，算出的洪水称为非常运用洪水或校核洪水。校核洪水起校核作用，当其来临时，其主要建筑物要确保安全，但工程可处在非常情况下运行，即允许保持较高水位，电站、船闸等正常工作允许遭到破坏二、水工建筑物的等级和防洪标准第一节概述第一节概述二、水工建筑物的等级和防洪标准表6.1水利水电工程分等指标工程等别工程规模总库容（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第一节概述二、水工建筑物的等级和防洪标准表6.2水工建筑物级别工程等级主要建筑物次要建筑物临时建筑物Ⅰ134Ⅱ234Ⅲ345IV455V55第一节概述二、水工建筑物的等级和防洪标准第一节概述三、下游防护对象的防洪标准下游防护对象的防洪标准根据防护对象的重要性选取。因为没有水库的安全，也就谈不上下游防护对象的安全，因此上述水库洪水标准一般都高于防护对象的防洪标准下游防护对象的防洪标准第一节概述设计洪水过程线可以概括为设计洪峰流量、不同时段设计洪量和设计洪水过程线三个要素四、设计洪水三要素第二节设计洪峰流量、设计洪量的推求•可靠性：在应用资料之前，首先要对原始水文资料进行审查，洪水资料必须可靠，具有必要的精度，而且洪水系列中各项洪水相互独立，且服从同一分布•一致性：洪水形成条件要相同，当使用的洪水资料受人类活动如修建水库、河道整治等的影响有明显变化时，应进行还原计算，使洪水资料换算到天然状态的基础上•代表性：反映在样本系列能否代表总体的统计特性。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•SL44—93规定坝址或其上下游具有较长期的实测洪水资料(一般需要30年以上)，并有历史洪水调查和考证资料时，可用频率分析法计算计洪水一、资料审查•每次洪水具有不同历时的流量变化过程，如何从历次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•年最大值选样原则：从资料中逐年选取一个最大流量和各种固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列年最大值法:每年只选一个最大洪峰流量及某一历时的最大洪量年最大值法，方法简单，操作容易，样本独立性好洪峰选样:年最大值法洪量选样:固定时段选取年最大值法•固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天二、样本选取第二节设计洪峰、洪量的计算二、样本选取第二节设计洪峰、洪量的计算年最大洪峰流量可以从水文年鉴上直接查得，而年最大各历时洪量则要根据洪水水文要素摘录表的数据用梯形面积法计算实测资料和调查到的历史洪水中，比系列中一般洪水大得多的稀遇洪水称为特大洪水,并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期者。历史上的一般洪水是没有文字记载，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一般就是特大洪水三、特大洪水的处理第二节设计洪峰、洪量的计算历史调查期历史调查期实测期实测期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(Nn)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，使计算成果更加合理、准确。等于在频率曲线的上端增加了一个控制点第二节设计洪峰、洪量的计算1.特大洪水序列连序系列：洪水系列中没有特大洪水值，在频率计算时，各项数值直接按大小次序统一排位，各项之间没有空位，序数m是连序的不连序系列：系列中有特大洪水值，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无法查得，它们之间存在一些空位，由大到小是不连序的三、特大洪水的处理第二节设计洪峰、洪量的计算历史调查期历史调查期历史特大洪水：通过洪水痕迹，查水位流量关系获得；实测特大洪水：通过资料观测得到特大洪水确定以后，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，将与确定特大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：从有实测洪水资料年份开始至今的时期调查期：在实地调查到若干可以定量的历史特大洪水的时期文献考证期：从具有连续可靠文献记载历史特大洪水的时期。调查期以前的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，不能定量第二节设计洪峰、洪量的计算1.特大洪水序列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第二节设计洪峰、洪量的计算2.特大洪水重现期[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。Nn19921870Qm＝110000m3/s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123年就发生一次，可能性不大。确定特大洪水重现期实例又经调查，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。Nn19921870Qm＝110000m3/s1153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）。确定特大洪水重现期实例第二节设计洪峰、洪量的计算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。第二节设计洪峰、洪量的计算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.特大洪水的经验频率计算连序系列中各项经验频率的计算方法，已在第七章中论述，不予重复不连序系列的经验频率，有以下两种估算方法独立样本法统一样本法第二节设计洪峰、洪量的计算所谓“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。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：1nmPm1NMPM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。独立样本法（分别处理法）Nn特大洪水的排列序号M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......TQ(m3/s)......实测系列洪水排列序号，n-l项，m=l+1,l+2,...,n缺测历史调查期年数（自最远的调查考证年份至今的年数）实测系列年数PMPm1nmPm1NMPM独立样本法独立样本法实测期中特大洪水的频率排位出现重叠现象，取抽样误差较小的频率进行计算，即频率取较小值适用于历史洪水的排位可能有错漏的情况特点􀂄独立样本法第二节设计洪峰、洪量的计算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1NMPM(n-l)项实测一般洪水的经验频率计算公式为：1)1(lnlmPPPMaMam统一样本法（统一处理法）第二节设计洪峰、洪量的计算a项特大洪水的排列序号M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......TQ(m3/s)......实测系列洪水排列序号,m=l+1,l+2,...,n,共n-l项，缺测PM1PmPMa1MMPN1)1(lnlmPPPMaMam统一样本法1-PMa一般洪水经验频率：特大洪水经验频率：统一样本法独立样本法比较简单，但是在使用经验频率公式点绘不连序系列时，会出现所谓的“重叠”现象；当调查考证期N年中为首的数项历史洪水确系连序而无错漏，为避免历史洪水的经验频率与实测系列的经验频率的重叠现象，采用统一样本法较为合适统一样本法特点􀂄适用于特大洪水的排位，无遗漏比较第二节设计洪峰、洪量的计算[例]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，其次为1954年，并考证1949年应从实测系列中抽出作为特大值处理