（水文学及水资源专业论文）各历时可能最大暴雨计算方法研究.pdf

摘要 本文首先阐述了目前2 4 h 可能最大暴雨与短历时暴雨计算的国内外研究现状和进 展情况，介绍了估算p m p 的原理和计算方法，以连云港东陬山地区可能最大暴雨分析 计算过程为例，分别采用当地暴雨放大方法、移置暴雨放大方法以及统计估算法推求 出东陬山2 4 h 的可能最大暴雨( p u p ) 。其中当地暴雨放大分别采用水汽效率因子放大 和水汽风速联合放大方法进行放大推求可能最大暴雨( p m p ) 。 短历时可能最大暴雨的计算采用水文学的暴雨公式方法( 方法一) 和国内一些核 电工程常用的方法进行计算( 方法二) ，方法一选取厂址附近的雨量站( 板浦、临洪) 的实测短历时雨量资料进行频率分析，采用万年一遇的设计值进行参数率定，得到的 本地区万年一遇的暴雨衰减指数，借用该参数求出不同短历时的可能最大暴雨。方法 二为借用万年一遇的各短历时设计值与2 4 h 设计值的比率来推求各历时可能最大暴 雨。然后对两种方法的优缺点进行比较，推荐合理的p m p 成果。 论文还对东陬山地区8 个雨量站年最大1 同雨量进行频率分析，得到东陬山地区 的万年一遇的设计暴雨，计算2 4 h 万年一遇设计值与2 4 h p m p 的比值，为更好的比较 和分析可能最大暴雨成果的合理性提供依据。最后，论文对所推求的各历时可能最大 暴阿成果与国内外的已有成果进行了比较分析，论证所计算成果的合理性。 关键词：东陬山；可能最大暴雨；短历时可能最大暴雨；暴雨公式；当地放大； 移置放大：频率分析。 a b s t r a c t a tf i r s t , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s e sa n dp r o g r e s s e so fp r o b a b l em a x i m u m p r e c i p i t a t i o no f2 4 ha n dp r o b a b l em a x i m u mp r e c i p i t a t i o no fs h o r td u r a t i o nc a l c u l a t i o n r e s e a r c h e si nt h ew o r l da r ee l a b o r a t e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h ec o m p u t a t i o n so fp m pi n c o m p u t a t i o n a lm e a n so fl o c a lp a t t e m , t r a n s p o s i t i o np a t t e r na n dt h es t a t i s t i c a le s t i m a t e m e t h o da r ee l a b o r a t e di nt h i sp a p e r , t a k i n gt h ep m po fd o n g z o u s h a nn u c l e a rp o w e r s t a t i o nf o re x a m p l e t h el o c a lp a t t e r ni n c l u d e sm e t h o d so fe n l a r g e m e n to fv a p o r e f f i c i e n c ya n de n l a r g e m e n to f v a p o r & w i n ds p e e d r a i n s t o r mf o r m u l ao fh y d r o l o g y ( m e t h o do n e ) a n dc o m m o nm e t h o d sf o rm a n y n u c l e a rp o w e rs t a t i o n si nc h i n a ( m e t h o dt w o ) a r eu s e di nc a l c u l a t i n gt h es h o r t - d u r a t i o n p m et h ef i r s tm e t h o dc h o o s e so b s e r v e ds h o r t - d u r a t i o nr a i n f a l l s , w h i c hc o m ef r o mb a n p u a n dl i n h o n gr a i n f a l ls t a t i o n sa r o u n dt h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n i tu s e sp a r a m e t e r so ft h e d e s i g np r e c i p i t a t i o nw i t ht h ef r e q u e n c yo f0 0 1 t oo b t a i na t t e n u a t i o ni n d e xo fr a i n s t o r m s w i t ht h ef r e q u e n c yo f o 0 1 i nt h e s ea r e a , t h e ne s t i m a t e sp m pw i t hd i f f e r e n ts h o r t - d u r a t i o n t h es e c o n dm e t h o du s e st h er a t i oo ft h ed e s i g np r e c i p i t a t i o no fd i f f e r e n ts h o r t - d u r a t i o n w i t ht h ef r e q u e n c yo f0 0 1 t o2 4 h - d e s i g nv a l u e s t h e na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h em e t h o do n ec o m p a r ew i t ht h em e t h o dt w ot or e c o m m e n dt h er e a s o n a b l ev a l u e so f p m e f r e q u e n c ya n a l y s i so ft h em a x i m u mo n ed a yp r e c i p i t a t i o no ft h ey e a ri sa p p l i e di n8 r a i n f a l ls t a t i o n sw h i c ha r el o c a t e da td o n g z o u s h a n t oc o m p a r ea n da n a l y z et h er e s u l t so f p m p , e s t i m a t i n gt h er a t i oo f2 4 h - d e s i g nv a l u e sw i t ht h ef r e q u e n c yo fo 0 1 t o2 4 h p m p p r o v i d e st h er a t i o n a l i t y a tl a s t ，t h i sp a p e rc o m p a r e sa n da n a l y z e st h ec u r r e n tr e s u l t si nt h e w o r l dt op r o o f t h er a t i o n a l i t yo f c a l c u l a t i o n s k e y w o r d s ：d o n g z o u s h a n ；p r o b a b l em a x i m u mp r e c i p i t a t i o n ；s h o r t - d u r a t i o np m p ； r a i n s t o r mf o r m u l a ；l a c a lp a t t e m ；t r a n s p o s i t i o np a t t e r n ； f r e q u e n c ya n a l y s i s 前言 世界上平均每1 0 年发生一起大坝失事，还有更多的大坝濒于破坏。这些事故不 少是起因于无法预见的大洪水。高坝大库及河海附近核电站的防洪工程一旦失事，就 会造成生命财产的巨大损失。对于这类失事后会造成严重的工程，如何拟定设计洪水， 是一个严峻而必须审慎研究的问题。可能最大暴雨与可能最大洪水估算，就是针对这 种需要高度安全而提出的洪水计算方法。 可能最大降水( p r o b a b l em a x i m u mp r e c i p i t a t i o n ，简称p m p ) 含有降水上限的 意义。水汽是降水的原料，还得有天气系统使水汽上升冷却凝结致雨。根据气象原理， 一个地区空气中的水汽含量及上升运动的强度是有限的，同时维持水汽输送的天气系 统的生命也是有限的，因而一定历时的降水量也应有其上限。 不同的地质时期有不同的气候和地貌情况，可能最大降水与洪水均指现代气候条 件而言。最初提出的p m p 定义的指流域降水的物理上限，但其涵义也有逐渐完善。p m p 的现行定义是：“现代气候条件下，一定历时的理论最大降水量。这种降水量对于特 定地理位置给定暴雨面积上，一年中的某一时期内在物理上是可能发生的”。对于p m p ， 我国习惯称为可能最大暴阿。 推求可能最大暴雨采用当地暴雨放大、暴雨移置放大和统计估算法三种方法。当 地暴雨放大分别采用水汽效率放大和水汽风速放大方法推求可能最大暴雨( p m p ) 。暴 雨移置放大方法移置了1 4 场主要由台风形式的特大暴雨作为典型，暴雨移置改正采 用流域形状的改正、水汽改正、高程水汽改正，放大方法采用水汽放大，然后取外包 推求p m p 。由实测短历时暴雨资料求出暴雨参数，根据暴雨公式和可能最大2 4 h p m p 推求各短历时的可能最大暴雨。同时采用数理统计方法对各种历时暴雨进行频率计算 推求出万年一遇的设计暴与可能最大暴雨的成果进行了对比分析。为推求的各种历时 可能最大暴雨的成果更为合理可靠提供依据。 最后将推求的各历时可能最大暴雨与国内外的成果做了分析比较，推荐了较为合 理、可靠的p m p 成果供工程设计采用。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：煎墼! 12 0 0 8 年3 月1 8 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 鱼垫竺2 0 0 8 年3 月1 8 日 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 研究目标和意义 目前世界上大坝防洪标准研究的新趋势是：高风险工程水文气象法和频率计算法 并用；低风险工程只用频率计算法；中等风险的工程可使用经济风险分析法、水文气 象法和频率计算法三种方法之一。 概率论建立在大数定律基础之上，按照大数定律，需要有很长的资料( 理论上要 无穷多年) 才能得出一个稳定的某一频率的洪水，而且，数理统计方法的前提要求变 量是独立、随机的，而水文要素只能近似满足该要求，对于我们应用5 0 年左右的短 期资料，用数理统计法推求千年、万年一遇的洪水由于频率曲线的外延幅度过大，导 致延长的结果可信度不高。中国水文界元老刘光文教授曾在水文频率计算评议一 文结语中一语道破：“水文频率计算含有一系列的误差，不宜盲目加以崇信，尤其是 不得忽视资料代表性而盲目进行。但是，水文事件既是概率性的，在可行的条件下， 仍然需要用频率计算来外推极值，因此也不宜悍然抛弃不用，更不得认为频率计算既 不够准，就可以等闲对待，浅尝截止。应该在一定的样本条件下，力求适当地运用频 率计算，以发挥其最大功用。对于特高标准的极值，那就不宜死抱着频率计算，盲目 信任。如条件有利，应考虑采用p m p 计算，或至少用p m p 法作比较方案”。 为提高频率曲线外延推求的稀遇洪水的精度和分析论证p m p p m f 的可靠性，8 0 年代以来，詹道江教授等人开展了古洪水研究，并取得了一些有价值的成果。同时， 有些单位用风险一经济分析的办法来确定设计洪水，并进行了探索。 各种计算设计洪水的方法都是在一定历史条件下和人们对自然规律认识的不同 阶段的产物，片面强调任何一种方法，简单地排斥或否定另一种方法，都无助于水文 学科的发展和解决实际问题。实践才是检验真理的唯一标准，通过实践，合理的方法 必然会逐步取代不合理的方法。 自然现象的变化既受必然因素的支配，也受偶然因素的影响。在水文气象工作领 域里，水文气象法强调必然性的一面，频率计算法强调偶然性的一面。这两种方法都 有一定的科学根据和优缺点。应把二者结合起来，使之相辅相成、互相补充、互相渗 透、取长补短，共同推动设计洪水计算理论和方法的发展。 河海大学硕士学位论文各历时可能最大暴雨计算方法研究 2 0 世纪公认的三大自然科学发现为相对论、量子力学和混沌理论，其中混沌理论 的重大意义在于揭示了牛顿力学具有内在的随机性，证明了决定论与概率论描述之间 存在着由此及彼的桥梁。因此，可以预见，在未来数理统计法和物理成因分析法将有 可能在混沌理论的基础上得到统一，到那时我们也将会发现水文气象法与频率计算法 二者的真正本质联系。 1 2 可能最大暴雨( p 姗) 理论基础 1 2 1p 肝定义 p m p p m f 的定义嗍，长期以来，并不统一，但这并不妨碍各国开展这方面的工作。 仅就p m p 而言，1 9 7 7 年我国杨远东教授根据其掌握的中外资料摘辑的定义就有5 1 种 提法，实际数字当然远不止此。自那时以来，又有很多新的提法。下面列举几个例子。 ( 1 ) 1 9 5 9 年美国气象学会的定义和1 9 7 3 年世界气象组织( w m 0 ) 可能最大降水 估算手册中的定义是：p m p 是指一定历时内理论上的最大降水深度。这种降水深度 对于特定流域在一年的某一时期是可能发生的。 ( 2 ) 1 9 8 2 年，美国汉森( e m h a n s e n ) 等的定义是：p m p 是指在一年中的某个 时期内，特定地理位置给定暴雨面积物理上可能发生的给定历时的理论最大降水深 度。 汉森的定义和美国气象学会( 1 9 5 9 ) 、n 0 ( 1 9 7 3 ) 的定义，其主要差别在面积上； 后者定义到“特定流域”，前者定义到“给定暴雨面积”( 等雨量线所包围的面积) 。 ( 3 ) 1 9 8 6 年，n 0 p m p 估算手册嘲第二版的定义是：p m p 是在不考虑长期气 候趋势的条件下，一年的某一特定时期、某一特定位黄、给定暴雨面积、在气象上可 能发生的给定历时的最大降水深度。 n 0 的定义和汉森( 1 9 8 2 ) 的定义基本一致。 ( 4 ) 1 9 9 5 年，我国水利水电工程设计洪水计算手册嘲中的定义是：设计流 域的可能最大暴雨是指在现代气候条件下，在一年的某一时期，流域上一定历时内可 能发生的最大降水量。 ( 5 ) 1 9 9 9 年，我国水利部黄河水利委员会的王国安教授在可能最大暴阿和洪 水计算原理与方法一书中的定义是：p m p 是在现代气候条件下，一年的某一时期， 特定设计流域上一定历时内、物理上可能发生的近似上限降水( 包括降水总量及其时 第一幸绪论 空分布) 。它通常是经由气象成因分析途径求得，再将其转化为洪水过程，就是工程 设计所要求的近似上限洪水，即可能最大洪水。 由以上几种定义可看出，随着时间的流逝，各国专家针对p m p p m f 的定义一直在 对其进行不断的完善。由早期简单、模糊的定义演变到现在较为详细、具体且具有针 对性的定义。总之，上述定义均表明，p m p 是近似的上限降水，且必须经由气象成因 分析求得。 1 2 2p 肝估算基本原理 可能最大暴雨的估算在美国是作为一种水文气象法研究和发展起来的。决定可能 最大降水的气象要素有三个：可降水量；o 辐合程度；0 垂直运动。已有一些气象 模型来描述这三个分量，而另有研究表明，要为模型确定最大的面上辐合速率和垂直 运动状况是相当困难的。计算p m p 时包括两个重要部分：实测暴雨的水汽极大化和暴 雨移置。水汽极大化的目的是使暴雨量增大以反映最大可能的水汽效应；暴雨移置是 要确定一次已发生在设计流域以外地区的暴雨能否被移用来代表本流域的暴雨。 1 3 国内外p 肝研究进展 1 3 1 国外p 咿研究进展 可能最大暴雨首先由美国于2 0 世纪3 0 年代提出，并用于工程设计，作为重要水 库大坝和溢洪道的普遍设计标准。美国在1 9 4 7 年完成了1 0 5 。w 经线以东地区p m p 的 综合研究( 面积控制在2 5 9 0 0 k m 2 ) ，1 9 8 0 1 9 9 8 年间美国国家天气局水文气象设计研 究中心与各州合作出版了一系列水文气象报告( 简称l b l r ) 。n d r 的一系列报告系统研 究了可能最大降水的地区分布、时面深关系、季节变化、地形影响和设计时面雨型。 1 9 8 1 1 9 8 7 年间，美国举行了多次水文气象会议( 第4 7 次) ，1 9 8 3 年在美国召开 了国际水文气象讨论会，其会议文集中有不少涉及暴雨估算的内容。美国工程界也有 讨论p m p 估算的例子和观点。 英国在1 9 7 5 年发表了洪水研究报告眦叫之后，又作了补充研究，发表了补充 研究报告。在上世纪8 0 年代出版的水文书籍中有大量篇幅介绍洪水研究报告中 的计算方法和详细的查算图表。 澳大利亚在上世纪8 0 年代举行了多次水文和水资源学术讨论会，会议文集中均 有涉及p m p 的论文发表。澳大利亚气象局( x u e r e bk ：c ，2 0 0 1 ) 在上世纪9 0 年代出 3 河海大学硕士擘住论文各历时可能最大暴雨计算方法研究 版了多年研究热带和亚热带地区短历时小面积p m p 估算方法的水文系列报告( 简称 h r s ) 。 印度暴雨量级甚大，近年对印度西部的三次特大暴雨有过专门的介绍，对热带地 区p m p 的估算也有一些研究。 1 9 8 6 年世界气象组织( 简称_ | v m 0 出版了可能最大降水估算手册第二版，基本 保留了1 9 7 3 年第一版的所有内容，并又补充了美国、澳大利亚、印度等国新的经验。 1 3 2 国内p 肝研究进展 我国p m p 的发展进程大致分为三个阶段： 1 学习和开创阶段( 2 0 世纪5 0 年代末至2 0 世纪6 0 年代末) 我国开展p m p p m f 工作始于上世纪5 0 年代，当时为满足长江三峡水利枢纽规划 设计的需要，长江水利委员会协同中国科学院地球物理研究所、原华东水利学院、北 京大学等单位，于1 9 5 8 年率先在我国开展了p m p p m f 的研究和估算工作。在广泛学 习和吸收国外经验的基础上，结合三峡工程的特点，历时两年时间，采用十个方案估 算了三峡6 天的可能最大降水和可能最大洪水，在估算大面积、长历时p m p p m f 方法 上有所创新。随后原上海院和华东共同对华东地区有台风和封面雨的可能最大暴阿作 了研究，长办、北京院、东北院、西北院、昆明院、长沙院等单位陆续对丹江口、隔 河岩、偏窗子、宝珠寺、乌江渡、卤水、鸭河口、普定、五强溪、白山等工程进行了 可能最大暴阿的分析计算。1 9 6 3 年8 月，海河流域发生了特大暴雨洪水，导致刘家台 等中小型水库垮坝和京广铁路中断，在全国引起较大的震动，使人们对p m p p m f 工作 重视起来。水利电力部水电总局为了向全国推广这项工作，于1 9 6 5 年秋，委托长办 举办了水文气象研习班，部署设计院和部分省设计院派员参加了学习。 这个阶段分析p m p 所使用的方法特点是：除少数工程为暴雨组合和暴雨移置外， 其余偏重于采用水汽输送、动能平衡、对流环、锋面模式和综合模式等理论方法。由 于这些方法在理论上存在重大缺陷，参数的定量还要应用高空观测资料，而中国这方 面的资料又很少( 站点稀、观测年限短、测次少) ，故其成果较难令人信服。这一阶 段的成果并未在实践中j 下式应用。 2 运用和普及阶段( 2 0 世纪7 0 年代至2 0 世纪8 0 年代初) 1 9 7 2 年1 0 月1 9 7 3 年1 0 月，为满足黄河中上游防洪规划的需要，黄河水利委 员会和华水、河南省气象局协作，对黄河- - f 峡至花园口区间开展p m p 研究工作。他 4 第一章绪论 们将国外的方法结合中国实际情况和多年来的水文分析工作经验加以运用，并注意把 水文学和气象学密切结合起来，提出了一套比较系统的计算方法，对其它地区的可能 最大暴雨估算起了一定的作用。1 9 7 3 年1 1 月，水电部在兰州召开了全国第一次设计 洪水规范讨论会，会议决定将水文气象法计算设计洪水列为水工建筑物设计洪水规 范。兰州会议引起了全国上下对p i m p 的兴趣和重视，为了使更多的人能够掌握p m p 的 估算方法，原华水于1 9 7 5 年夏举办了p m p 短期训练班，并由詹道江教授翻译了世界 气象组织1 9 7 3 年出版的可能最大降水估算手册。 1 9 7 5 年8 月我国淮河上游发生特大暴雨，导致板桥、石漫滩等大中型水库垮坝和 京广铁路长时间中断，给人民生命财产造成了巨大的损失。为吸取淮河7 5 8 大水的 教训，水电部在郑州召开了规模庞大的全国防汛及水库安全会议。会议要求编制全国 可能最大暴雨等值线图，以作为估算各重要的中小型水库保坝洪水的主要依据，也为 控制流域面积较小的大型水库的防洪安全复校提供重要的参考数据。郑州会议后，一 方面由流域机构、都直属设计院和各省市自治区自己组织力量，对所管辖范围内的己 建和在建重要水库，进行全面的防洪安全复核( 主要是p 卿p 虾的分析计算) ；另一 方面，由水电部和中央气象局领导，组织全国水利水电、气象、科研和教学部门的8 0 0 多名水文气象科技人员，编制了中国可能最大2 4 小时点雨量等值线图。1 9 7 8 年水 利电力部颁布了水利水电枢纽工程等级划分及设计标准( 山区、丘陵区部分) s d j l 2 7 8 ( 试行) 规定：“失事后对下游将造成较大灾害的大型水库、重要的中型水 库以及特别重要的小型水库的大坝，当采用土石坝时，应以可能最大洪水作为非常运 用标准”。1 9 7 9 年，水利、电力两部联合颁布了水利水电工程设计洪水计算规范 s o j 2 2 7 9 ( 试行) 及七个目录，其中附录四为 l h 时n 取n 2 x 。= x 。，2 铲1 t ( 4 4 ) 4 2 暴雨公式参数的推求 由公式4 - 1 可看出： i i - = - 卜( 1 9 x 。旷1 9 x 。) ( 1 9 t 。一l g t ) ( 4 5 ) 因为任意两个站的一只降雨量相关性都不好( 相关系数r o 8 ) ，故临洪站6 h 、 1 2 h 、2 4 h 所缺的1 9 7 8 年的资料直接移用板浦站相应年份的资料。临洪站短历时l o m i n 所缺资料年份为1 9 7 6 、1 9 7 7 、1 9 7 8 三年，但不插补，按实际几年直接计算。临洪站 2 0 0 2 年1 2 h 的原始资料有误，记录为0 1 ，所以直接移用板浦站对应年份资料。 频率计算成果见表4 1 、表4 4 和图4 - 1 、图4 2 、图4 4 、图4 5 ，参数成果见 表4 2 、表4 - 5 和图4 - 3 、图4 - 6 。 4 3 短历时可能最大暴雨的计算 采用暴雨公式并利用p = o 0 1 的暴雨公式的参数，推求短历时可能最大暴雨， 其中2 4 h 可能最大暴雨采用移置放大成果k 。= 1 0 3 8 5 m 。短历时可能最大暴雨成果 见表4 3 和表4 - 6 。 河海大学硕士学位论文 各历时可能最大暴雨计算方法研究 3 0 0 2 5 0 2 0 0 一 量1 5 0 一 删 爱1 0 0 0 l e 一40 0 l1l o 4 07 09 59 9 59 9 9 9 9 频率( ) 图4 1 板浦站短历时暴雨频率计算适线图( 1 ) 第四章短历时可能最大暴雨的推求 8 0 0 7 0 0 6 0 0 誊 、一5 0 0 吲 窿4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 i e 一40 o l1 0 4 0 7 09 59 9 5 9 9 9 9 9 频率( ) 图4 - 2 板浦站短历时暴雨频率计算适线图( 2 ) 表 3 选用板浦站暴雨参数计算的东陬山各历时p m p 成果表 河海走擘硕士学位论文 各历时可能最大暴雨计算方法研究 星 x j 唧 窿 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 o 1 0 o 11 1 01 0 0 降雨历时t ( h ) 图4 3 板浦站雨量频率历时曲线 表4 4 临洪站短历时暴雨频率计算成果表 表4 - 5 临洪站短历时暴雨参数表 第四幸短历时可能最大暴雨的推求 童2 0 0 v 錾1 5 0 1 0 0 5 0 0 l e 一40 o l 9 0 0 8 0 0 7 0 0 l6 0 0 茁5 0 0 1 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 l o4 07 09 59 9 59 9 9 9 9 频率( ) 图4 4 临洪站短历时暴雨频率计算适线图( 1 ) l e - 40 o lll o4 07 09 59 9 - 59 9 9 9 9 频率( ) 图 5i 临洪站短历时暴雨频率计算适线图( 2 ) 河海大擘硕士学位论文各历时可能最大暴雨计算方法研究 i 0 0 0 0 0 一i 0 0 0 0 吕 茸 o1 0 0 0 删 窿 1 0 0 1 o o 1 1 01 0 0 降雨历时t ( h ) 图4 - 6 临洪站雨量频率历时曲线 表4 - 6 选用临洪站暴雨参数计算的东陬山各历时p m p 成果表 4 4 方法二计算各历时可能最大暴雨 借用板浦、临洪站万年一遇各历时设计值与2 4 h 设计值的比率，来计算各历时的 可能最大暴阿，成果见表4 - 7 。 表4 7 方法二计算的东陬山各历时p m p 成果表 第四幸短历时可能最大暴雨的推隶 由于板浦资料较完整，选择该站做代表站合理可靠，因此采用板浦站实测资料进 行频率分析，由年最大各短历时暴雨资料经频率计算后，通过暴雨频率历时曲线 分析求出相应暴雨参数，然后由可能最大2 4 h 暴雨由暴雨公式求出各短历时的可能最 大暴雨。方法二中也采用以板浦站资料计算的可能最大暴雨成果。两种方法计算的可 能最大暴雨成果见表4 - 8 。 表4 - 8 两种方法计算的东陬山各历时p 1 4 p 成果统计表 从上表可以看出，两种方法计算结果最大相差3 8 1 ，从图4 - 3 来看，相差较大 的3 0 r a i n 、3 h 、6 h 、1 2 h 点距是未落在雨量频率历时线上的，也就是说，图4 - 3 的曲线是根据点群中心来定线的，这样可以减少单个历时数据的抽样误差，而方法二 完全依赖于设计各历时成果，从这个角度来讲，方法一优于方法二，但方法二也不失 为粗估各历时可能最大暴雨的一个有效的途径。论文推荐采用方法一成果。 4 5 本章小结 目前，国内外对于推求短历时可能最大暴雨尚无成熟的方法。本章应用暴雨公式 推求短历时可能最大暴雨，即采用水文气象法推求出2 4 h 的p m p ，采用测站万年一遇 的暴雨衰减指数计算各短历时p 婶。本章节也对国内一些核电站的短历时p m p 常用的 计算方法做了介绍，分析了两种方法的优缺点，由于本文推荐的方法一考虑了各历时 设计值之间的协调性，减少了单个历时数据的抽样误差，因此建议采用本文推荐的方 法一计算短历时的p m p 。 随着现代观测手段的不断进步，资料的不断积累，应用确定论法( 水文气象方法) 进行推求短历时的p m p 是研究的一个方向。 8 1 河海大擘硕士学位论文 各历时可能最大暴雨计算方法研究 第五章可能最大暴雨成果合理性分析 本次p m p 推求采用了当地暴雨放大、暴雨移置放大和统计估算法三种方法。当地 暴雨放大又分为水汽效率放大和水汽风速放大。三种方法推算的p m p 成果见表5 一l 。 由成果可以看出，水汽效率放大成果偏小，而风速放大成果较大，考虑到风速因子稳 定性较差，水汽风速w v 与降雨x 关系较差，计算结果任意性较大，故水汽风速放大 成果仅供参考和对比之用。水汽效率放大往住因为当地暴雨缺乏高效特大暴雨，使计 算可能最大效率偏小，因而使计算的p m p 结果偏小。而统计估算法由于该地的巾。是 由实测值确定，所以算出的值都较小，加上此种方法仅由实际发生的大暴雨中去寻求 o 。，而没有放大的概念，所以此种方法计算的p m p 往往偏小。本次研究在原基础上 对各站的特大值进行了水汽放大，而后求出中。，然后选外包得出8 8 6 作为该地的 中。由此推求的p m p 较为合理。 表5 - 1 东陬山可能最大暴雨成果表 放人方法 可能最人降雨( m m ) 水汽效率放大( 1 d ) 水汽风速放大( 1 d ) 统计估算法( 1 d ) 移置放人方法( 2 4 h ) 江苏省可能最人暴雨等值线| ! f i ( 2 4 h ) 采h j 值( 2 4 h ) 7 8 2 3 1 3 1 8 4 8 9 9 7 1 0 3 8 5 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 3 8 5 移置放大选用了江苏和山东沿海1 4 场大暴雨资料，经移置、放大、外包计算， 最后选择2 0 0 0 年8 月3 0 同江苏晌水发生的特大暴雨移置放大的典型暴雨。该暴雨是 台风雨形成的暴雨，中心响水口最大2 4 h 雨量8 2 5 0 哪，在江苏和山东沿海地区这是 一场高效特大暴雨，而且离东陬山很近，是一场很好的典型。经放大后得可能最大2 4 h 暴雨为1 0 3 8 5 彻，此值较为合理，推荐采用。与周边测站万年一遇2 4 h 设计值进行比 较，见表5 2 。 第五章可能最大暴雨成果合理性分析 从上表可以看出，2 4 h p m p 与周边测站的2 4 h 万年一遇的设计值比率在1 1 5 1 4 7 之间，成果稳定合理。 短历时可能最大暴雨是根据可能最大2 4 h 暴雨、采用暴两公式推求的各种短历时 可能最大暴雨。由表5 - 3 可看出各历时的可能最大暴雨与各历时的万年一遇设计暴雨 比值均在1 2 1 1 2 7 之间，成果稳定。同时，与其他几个核电厂不同历时的可能最 大暴雨做了比较( 见表5 4 ) ，由表可看出各历时的可能最大暴雨明显符合地区分布规 律，成果合理。 表5 - 3 移置放大方法可能最大暴雨成果表 8 3 河海走擘硕士学位论文各历时可能最大暴雨计算方法研究 该成果与国内外的成果比较基本一致，见图5 - i 、图5 - 2 、图5 - 3 和图5 - 4 。 图5 - i中国最大点暴雨与历时关系图 8 4 2 4 月 第五章可能最大摹雨成果合理性分析 图5 - 2 世界实测最大点雨量与历时的关系图 河海大擘硕士学住论丈 各历时可能最大暴雨计算方法研究 匦培求峨窿鲁辱n k嚼襁器冥一群销哑哥g_匝 第五幸可能最大暴雨成果合理性分析 8 7 匝恬求删窿辱n k略箍口匠哥丫匝 河海大学硕士学位论之各历时可能最走暴雨计算方法研究 第六章结论与展望 6 1 结论 本文推求可能最大暴雨采用当地暴雨放大方法、暴阿移置放大以及统计估算方 法。其中当地暴雨放大分别采用水汽效率因子放大和水汽风速联合放大方法进行放大 推求可能最大暴雨( p m p ) 。暴雨移置放大选择了在流域附近发生1 4 场大暴雨作为典 型暴雨，对这1 4 场大暴雨进行移簧改正和水汽放大，从而推求出可能最大暴雨( p m p ) 。 统计估算法采用中国模式，选取厂址周边的1 0 个雨量站作为代表站，对这1 0 个雨量 站的雨量资料进行统计分析，求出厂址地区的极大离均系数m 。，采用相应的公式推 求出可能最大暴雨( p m p ) 。对三种不同方法得到的可能最大暴雨进行比较分析，最后 推荐采用暴雨移黄放大成果作为可能最大暴雨成果。 目前，国内外对于推求短历时可能最大暴雨尚无成熟的方法。本章提出以水文学 中的暴雨公式推求可能最大暴雨的方法，即采用水文气象法推求出2 4 h 的可能最大暴 雨，然后根据实测短历时雨量资料频率分析万年一遇暴雨衰减参数，从而求出短历时 的可能最大暴阿。从第5 章的分析来看，各历时可能最大暴雨成果符合地区分布规律， 稳定合理。 6 2 展望 随着人口的不断增加，社会经济的迅速发展和对社会环境保护意识的增强，人们 对水力水电工程的防洪要求愈来愈高，也就是要求大型水利工程按最高防洪标准设 计；由于设计经济的迅速发展，人类对能源，尤其是电能的需求也愈来愈大，核电作 为一种技术成熟且清洁的能源只益得到世界各国政府的重视，核电站的规划与建设也 日益增多，现在我国就已经有多座核电站正在规划设计，部分已经开始投入建设。而 p m p 方法作为这些大型重要工程的主要设计依据，它具有极强的生命力，前景十分光 明，值得大家重视。 经过国内外众多学者多年的研究和探讨，通过水文气象途径推求2 4 h 可能最大暴 雨的计算现己较为成熟，本文在计算中选取了离东陬山最近的雨量站( 陈港站) 作为控 制站，计算可能最大露点和效率，由于露点比较稳定，则可能最大效率的选取对成果 第六幸结论与展望 的影响较大，由于本文可能最大效率是从当地3 8 年的资料系列中分析而得，导致水 汽效率放大成果偏小，能否对形成暴雨机制一致地区的大暴雨资料进行分析，来移置 效率来估算该地可能最大效率，但效率的移置问题需要进一步研究。本文选择了高空 站作为计算气象因子的代表站，由于高空站站点稀少，对计算的精度会产生一定的影 响，能否充分利用各气象站的露点资料，对其成果进行充分论证，是本文需要完善的 地方。对于小于2 4 h 的短历时可能最大暴雨的研究在国内外仍少有研究成果，本文提 出以暴雨公式推求短历时可能最大暴雨，从计算结果看，结果稳定合理。但本方法的 使用需要大量的短历时暴雨资料，对于无资料地区，暴雨公式中暴雨参数难以率定， 给短历时可能最大暴雨的计算带来一定的困难，并且仍然是基于概率论法来进行估 算，万年一遇设计值是频率曲线外延得到的，并且文中选用p i i i 线型上限是无界 的，而水文要素是有一定上限值的，这就给计算成果带来了较大误差。 在估算2 4 h 可能最大暴雨时，是采用对致雨的气象因子进行极大化后推求的方式 进行计算，对于短历时可能最大暴雨的估算，是否亦可采用这种方法进行估算，计算 时，如何考虑短历时中( 如l o m i n ) 气象因子中的风速、风向、露点的选样方法及统 计方法，使得最后统计得到的极大因子具有短历时特征。总之，可能最大暴雨的计算 成果是否合理还需在未来的工程运行中进行验证，并且，其计算方法还需进一步完善 特别是2 4 h 小时以内的短历时可能最大暴雨的计算上是日后值得加以研究的课题。 参考文献 参考文献 1 王国安可能最大暴雨和洪水计算原理与方法，第1 版河南：黄河水利出版社， 1 9 9 9 2 3 王国安国内外p m p p m f 的发展和实践水文，2 0 0 4 ，2 4 ( 5 ) ：5 9 3 2 王达雨，华家鹏等用暴雨组合法推求可能最大暴雨的研究中国水文科学与技 术研究进展，1 3 3 - 1 3 6 4 陶诗言中国之暴雨北京：科学出版社，1 9 8 0 5 j 范梅株，江吉喜1 9 9 9 1 9 9 8 年长江流域暴雨成因对比分析气象，2 0 0 1 ，2 6 ( 4 ) ： 3 8 - 4 1 6 3 水利部长江水利委员会，水利部南京水文水资源研究所主编水利水电工程设 计洪水计算手册 m 北京：中国水利电力出版社，1 9 9 5 7 詹道江，邹进上可能最大暴陌与洪水一一概念和方法的新发展水文， 1 9 8 7 ( 6 ) ：2 3 8 冯利华，骆高远钱塘江流域的暴雨洪水特性热带地理1 9 9 2 ，1 2 ( 4 ) ：3 4 5 3 4 6 9 3 包澄澜，丁俭香1 9 9 1 年江淮流域特大洪涝与厄尼诺自然灾害学报，1 9 9 2 ， 1 ( 1 ) ：7 5 8 3 1 0 t a k a h a s h im an o t eo n2 - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n so ft h e l o w l e v d j e t a s s o c i a t e dw i t ht h eb a i u f r o n t u s i n g a n o n h y d r o s t a t i c c o n v e c t i n gm o d e l jm e t e o rs o c j a p a n 。1 9 8 9 ，( 6 7 ) ：9 3 7 9 4 8 1 1 n i n o m i y ak c h a r a c t e r i s t i c s o ft h eb a i uf r o n ta s a p r e d o m i n a n t s u b t r o p i c a l f r o n ti nt h e s u m m e r n o r t h e m h e m i s p h e r e j m e t e o r s o c j a p a n ，1 9 8 4 ，( 6 2 ) ：8 8 0 8 9 4 1 2 3 雷刚旭从天文因素与灾害群发的机制过程分析1 3 1 ) 1 1 笳地西部洪水趋势大自 然探索，1 9 9 1 ，l o ( 4 ) ：6 9 7 2 1 3 郭增建，秦保燕黄河巨洪发生时间规律的讨论自然灾害学报，1 9 9 2 ，1 ( 3 ) ： 1 0 1 1 0 2 1 4 周树荣，徐群太阳质子耀斑与降雨指数r 间的关系自然灾害学报，1 9 9 2 ，1 ( 3 ) ： 9 0 参考文献 9 2 9 9 1 5 r o b e r t sw 0 a n dr h o l s o m r e v g e o p h y s s p a c e p h y s ，1 9 7 3 ，( 3 ) ：7 3 1 1 6 赵得秀，赵文桐日食形成早涝的耗散结构理论探讨灾害学，1 9 9 1 ，6 ( 3 ) ：8 9 9 3 1 7 倪京苑在近日点交食年我国江河水文气象的异常现象初探人民长江，1 9 8 7 ， ( 6 ) ：4 7 5 1 1 8 任振球全球变化地球四大圈异常变化及其天文成因北京：科学出版社， 1 9 9 0 1 9 邓培德城市暴雨公式统计方法的研究 j 同济大学学报，1 9 8 5 ( 1 ) 2 0 金光炎城市设计暴雨频率计算问题 j 水文，2 0 0 0 ( 2 ) ：1 4 1 8 2 1 金光炎城市设计暴雨频率曲线线型的研究【j 水文，2 0 0 2 ( 2 ) ：2 0 一2 6 2 2 孙顺才孟加拉国洪水：区域与全球环境预测国际会议地球科学进展，1 9 8 9 ， ( 5 ) ：5 0 5 1 2 3 曾小萍地球磁场大面积短暂异常与灾害性天气相关性初探自然灾害学报， 1 9 9 2 ，1 ( 2 ) 2 4 詹道江，邹进上可能最大暴雨与洪水北京：水利电力出版社，1 9 8 3 年 2 5 王国安可能最大暴雨和洪水计算原理与方法，第1 版河南：黄河水利出版社， 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