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文档简介

,第八章 由流量资料推求设计洪水 inquire into the design flood using flow data,一、洪水设计标准 (1)几个基本概念 防洪安全事故:洪水特征值(q、z、wt等)超过容许的数量,致使工程不能完成其预定功能的事件。 防洪安全事故风险率:水工建筑物在其设计的工作年限内不能完成预定功能的概率。又称系统失效风险率。,(2)计算表达式 risk= pf =p rl 式中:l水工建筑物的荷载效应; r水工建筑物的承载能力。,8.1 概述,防洪安全设计的荷载效应和承载能力受到众多不确定因素的作用。事故的发生是众多随机性综合作用的结果。一般情况下,荷载效应和承载能力是相互独立的,故:,(3)以洪水频率为基础的防洪安全设计 传统的以洪水频率为基础的防洪安全设计不考虑承载能力的随机性,而是作为确定性数据处理。防洪安全事故风险率的计算公式得到简化:,防洪设计的关键寻找荷载效应的分布函数。,荷载效应主要是由洪水所决定的,不同工程的荷载效应内容不同,因而起关键作用的洪水特征值也不同。,有些防洪工程的防洪作用比较简单,只需个别洪水特征值就能代表荷载效应。如对河道堤防工程,可选洪峰流量qm为代表,因此可以用洪峰年极值的概率分布fqm(q)来代表荷载分布。则堤防溃决事故风险率可按下式计算:,根据上式, 可由指定qm求出相应的pf,也可由指定pf求出相应的qm,(4)防洪安全设计的两类课题 防洪安全设计的两类课题有: 水工建筑物本身的防洪安全问题; 水工建筑物对下游的防洪安全问题。 (5)水利水电工程的洪水设计标准 我国的洪水设计标准为:根据防洪对象的重要性、工程规模以及发挥的效益,确定的统一的洪水频率p(设计标准风险率),但并非经济上最优。 对防洪区的防洪安全标准,依据防护对象重要性分级设定。p196表8-1 对水利水电工程枢纽本身的防洪标准,根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性,将工程分成5个等级,p197表8-2,枢纽工程中的各种水工建筑物,按照其所属的枢纽的等级、该水工建筑物本身的作用和重要性分成5个等级。p197表8-3 不同级别永久性水工建筑物的正常运用和非正常运用的洪水标准。p198表8-4 满足某一标准的洪水的表达形式或计算途径分为两类: 以洪水发生频率(或重现期)表示设计洪水和校核洪水的标准;此途径适用于大多数大中型水利工程。 以气象上的“可能最大降水”推算“可能最大洪水”作为洪水的最高标准,此途径适用于土石坝、核电站等工程。,(1)问题的提出 根据水库调洪计算原理,在一定的调洪方式下,水库出流流量q(t)是入流流量q(t)的函数,而不是个别入流洪水特征 (如qm和wt )所能决定的。因此,对水库设计来说,需要预估的不仅是可能出现的洪峰流量数值,或某时段洪量的大小,而要预估可能出现的洪水流量过程即:设计洪水过程的计算问题。 一次洪水过程包含多个特征,如洪峰和洪量,在一般情况下它们出现的频率是互不相等的。任何一场现实洪水过程的重现期或频率都是无法定义的。,二、设计洪水的含义,(2)设计洪水过程的概念 设计洪水过程是指:具有规定功能的一场特定洪水,其功能是:以频率等于设计标准的设计洪水为基础而规划设计出的工程,其防洪安全事故的风险率恰好等于指定的设计标准。,设计洪水是指符合设计标准的洪水,是堤防和水工建筑物设计的依据。描述设计洪水特性的三要素包括: 设计洪峰流量-设计洪水过程的最大流量; 不同时段的设计洪水量-设计洪水过程中1d、3d、7d等固定时段的连续最大洪水量。简称最大一日洪量、最大三日洪量、最大七日洪量等 ; 设计洪水过程线-包含了设计洪水的所有信息,是水库防洪规划设计的重要依据。,设计洪水计算内容: 设计洪峰流量; 不同时段的设计洪量; 设计洪水过程线。,(3) 设计洪水计算的内容与途径,设计洪水计算途径: 仅介绍具有水文气象资料的计算途径: 由流量资料推求设计洪水; 由暴雨资料推求设计洪水; 由气象资料推求设计洪水。,由流量资料推求设计洪水计算框图,由暴雨资料推求设计洪水计算框图,由气象资料推求设计洪水计算框图,8.2 洪水资料分析处理,所谓样本选取(选样)是指从洪水流量资料中,确定逐年的洪水特征值。常选洪峰流量、固定时段最大洪量作为洪水的特征值。固定时段长一般取1d、3d、7d等。,一、洪水样本选取,年最大值法选样: 每年选取一次最大值,n年资料可选出n项年极值,包括洪峰流量和各种时段的洪量。,二、洪水资料的审查和分析 进行洪水资料的可靠性、一致性、代表性审查。方法与“年径流资料审查”相同。,可靠性审查:审查资料是否存在人为或天然原因造成的资 料错误或时空不合理现象。 一致性审查:审查资料是否具有相同的成因条件,即是否来自同一总体。 代表性审查:审查资料系列(样本)与总体的接近程度,即样本能否较好地代表总体。 三、历史洪水的实地调查与文献考证 (1)历史洪水调查的意义 洪水峰量频率计算成果的可靠性与资料的代表性密切相关,资料的代表性又主要受到资料系列长短的制约。目前国内河流,的实测流量和雨量资料时间都不是太长,即使通过插补展延后的资料长度也仅有40-60年左右。根据短系列资料来推算百年以上一隅的稀遇洪水,可能就会存在较大的抽样误差。 由于水文上不得不根据样本去估计总体,所以洪峰、洪量频率计算成果的可信程度与资料的代表性很有关系,如果在实测资料之外能将调查到的特大洪水加入,进行频率计算,可以提高频率计算的精度。 特大洪水是指比实测系列中的一般洪水大得多的稀遇洪水。包括调查历史洪水和实测洪水中的特大值。,(2)历史洪水的实地调查和文献考证 提高样本代表性的主要途径是增加样本长度。主要途径有:插补延长;历史洪水调查;古洪水探测。,例:三峡水库的设计洪水,按千年一遇标准设计。依据的是宜昌站实测洪水系列(从1887年开始至1992年计算)。 如果仅仅依靠实测系列进行计算,推求千年一遇的设计值,将具有较大的抽样误差。 通过历史洪水调查得到了至1153年的若干历史特大洪水信息。,其中,1870年洪水是1153年1992年共840年以来的最大洪水。将调查考证的历史洪水加入到实测洪水系列共同组成样本,扩大了样本信息,提高了代表性。,通过古洪水探测,表明1870年洪水可能是2500年以来的最大洪水。这样1870年洪水的极端性进一步得到证实。,(3)历史洪水在调查考证期中的排位分析 历史洪水峰量的数值确定后,为了估算其经验频率(重现期)需要分析各各次历史洪水调查考证期内的排列序号。,历史洪水分期,实测期:具有洪水观测资料年份(包括插补延长年份),调查期:最早的调查洪水发生年份迄今的一段时期、实测以外的部分,考证期:有历史文献资料可以考证的时期(少数可定量,多数难定),历史洪水分级,非常洪水,特大洪水,大洪水,8.3 设计洪峰流量及洪量的推求,一、连序和不连序样本系列 洪水样本系列分为连序序列和不连序系列。 (1)连序系列:系统中没有特大洪水值-没有通过历史洪水调查考证;系列中各项数值直接按从大到小次序统一排位,各项之间没有空位,由大到小次序相连。 (2)不连序系列:系统中有特大洪水值,特大洪水值与其它洪水值之间有空位,整个样本的排序不连序。 (3)不连序样本的组成:历史洪水和实测洪水系列中的l 个特大值构成一组样本,单独在 n 中排队;实测系列中的所有洪水(包括 l 个特大值)构成一组样本,单独在 n 中排队。,二、不连序样本系列的经验频率计算,经验频率计算公式:,m特大洪水排位的序号,m=1,2,a ; n调查最远的年份至实测资料最后一年的年数; m实测洪水排位的序号,m=l +1,l +2,n ; l 实测洪水系列中特大值的项数; n实测洪水的项数。,例:某水文站有1949-2008年实测洪峰流量资料,其中1963年洪峰流量为实测范围内最大,达到14800m3/s,其它实测值按大小排列为8130、7800、3760、3300。另外调查到两场历史洪水,其中1860年的洪峰为18100m3/s,1912年的洪峰为12800m3/s,调查期内没有遗漏大洪水资料。试采用分开处理法求出各洪峰流量的经验频率,并列出计算式。,表1 洪峰流量经验频率计算表,三、洪水频率曲线线型 对于洪水变量,目前还无法从理论上论证采用何种频率曲线线型来描述其统计规律。 国际水文界洪水频率曲线线型选择各异,差别很大,常用线型多大20余种,主要有:极值型和型分布、广义极值分布(gev)、对数正态分布(l-n)、皮尔逊(p-)分布和对数皮尔逊分布等等。美国主要以对数皮尔逊型为主,英国以广义极值分布(gev)为主。 我国洪水频率曲线线型基本上是学习俄罗斯(原苏联),一直采用皮尔逊(p-)型曲线。,四、频率曲线参数估计,1、矩法初估参数,a 特大洪水(包括历史洪水和实测中的特大值)个数 ; n调查最远的年份至实测资料最后一年的年数; l 实测洪水系列中特大值的项数; n实测洪水的项数。,2、适线法确定参数 方法步骤同年径流量频率计算相同,不再赘述。,广东省南水水库年最大洪峰流量频率曲线图,五、算例,广东省南水水库各时段年最大洪量频率曲线图,六、设计成果的合理性分析,由于资料短使计算所得的各项参数ex,cv , cs以及各种频率的设计值xp带有或大或小的误差,必须对单站的计算成果通过面上比较合理性分析。,1、本站的洪峰及各种历时洪量之间对比 (1)本站时段洪量的频率曲线在实用范围内不应相交; (2)时段洪量的均值随历时的增加而增加,增率随历时的增加而减小。,当上下游地理、气候、地形条件相似时,洪峰流量qm和时段洪量wt的均值从上游向下游递增, 而均值模数(qm/fn或wt /fn )递减,cv自上向下递减。,2、根据上下游和干支流洪水关系分析,但也有特殊的情况:如黄河自包头以下暴雨大,地形陡, cv反而自上向下增大。,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。 绘制洪峰、洪量均值模数qm/ fn、wt/ fn及cv的等值线图, 与暴雨的均值和cv等值线图进行比较,如存在明显不协调,应分析原因。,(2)稀遇频率的设计洪水与国内实测大洪水记录进行比较,3、其他分析,(1)与邻近河流洪水统计参数及设计值进行比较,(3)从暴雨径流之间的关系进行分析 指定频率p时段暴雨量的设计值同历时洪量(折算成径流深)的设计值。,七、设计洪水值的抽样误差,1、设计值的抽样分布,采用洪水设计值抽样分布的 标准差来衡量其不确定程度。,对p-iii型分布,设计值抽样分布标准差的近似计算式:,b值由p和cs查诺模图得到。,若设计值是根据完全样本推求的,n=实测资料年限n。若设计值是根据不完全样本推求的,则:,c反映调查洪水项数的系数。 一项洪水时,c=0.2; 二或三项时,c=0.3; 三项以上时,c=0.4。 d反映调查洪水精度的系数。 一般,d=0.2;较可靠,d=0.3;精确,d=0.4。,以洪峰流量为例,由一组实测样本估计出的qp值比 “总体真值” 可能大也可能小。为此通常在求得的设计值上加一个安全修正值,以策安全。,2、安全修正值,认为设计值抽样分布的标准差越大,成果偏离真值的幅度可能越大。所以:,已知:n=17年,n=38年,eq=5250 m3/s,cv=0.36,cs=1.44,仅有一项历史洪水,资料可靠。计算0.1%设计值的安全修正值。,算例:,8.4 设计洪水过程线的拟定,一、典型洪水过程线的选取 (1)资料完整、精度高; (2)洪峰高、洪量大,接近设计情况; (3)具有代表性并且对防洪不利。一般峰型集中且主峰 偏后的洪水过程对防洪不利。,二、典型洪水过程线的放大 常用的有同倍比放大、同频率放大两种方法。,1、同倍比放大 (1)概念:按洪峰或时段洪量放大典型洪水过程线的方法。 (2)做法:对整个典型洪水过程线采用同一倍比进行放大。 对于堤防:按峰放大 k=qp/qd 对于蓄泄洪区:按量放大 k=wtp/wtd 则qp(t)=kqd(t),(3)特点 优点方法简单,对峰、量关系较好时使用。 缺点受典型影响大,放大后洪峰和洪量不能同时达到 设计值。,2、同频率放大 (1)概念:放大典型洪水过程线时,按洪峰和不同时段洪量分别采用不同的倍比放大,使放大后的设计洪水过程线洪峰和时段洪量都等于设计值。,目前大、中型水库规划设计中主要用该方法。,(2)步骤 不同的放大倍比计算 洪峰放大倍比为: kq=qp/qd,洪量的放大倍比分别为: k1=w1p/w1d k3-1=(w3pw1p)/(w3dw1d) k7-3=(w7p

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