（水文学及水资源专业论文）入库洪水随机模拟及期望概率的研究.pdf

摘要 本论文以广西红水河龙滩水电站为例，在第一篇中采用洪水过程线法计算 了给定设计频率为o 0 l 、o 1 、0 2 和1 的坝址设计洪水，并利用合成 流量法计算了相应设计频率的入库设计洪水。根据计算成果对该库不同时段的 坝址设计洪水值和入库设计洪水值进行比较分析。第二篇中选择龙滩坝址以上 流域的四个站，通过建立多维自回归模型对其日流量进行随机模拟，然后对模 型和模拟生成的洪水系列进行仿真效果检验。结果表明在此流域利用此多维自 回归模型进行随机模拟是合理的。 我们传统的水文频率计算方法一般都是假定总体服从p 一型分布，然后 采用适线法根据样本估计参数，进而推求设计值。然而，由此求得的设计值， 其期望概率远远大于设计标准。这是我国水利工程频繁发生水文意义上破坏的 主要原因之一。采用计算频率概念和方法是解决这个问题的重要途径之一。本 文第三篇讨论了基于期望概率概念推求各种总体相应于1 及0 1 的设计值的 方法，并且得到不同样本容量的。和计算频率的相关图，分析其变化规律，为 理论研究及生产应用作一些初步探讨。 关键词：设计洪水，坝址洪水，入库洪水，随机模拟，期望概率 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w eu s et h ed a t e so fl o n g - t a nw a t e rp o w e r s t a t i o no nh o n g - s h u ir i v e ri n g u a n g - x ip r o v i n c e ，i nt h ef i r s tp a r t ，w ec o m p u t e t h es i t ed e s i g nf l o o do f g i v e nd e s i g n f r e q u e n c y ( o 0 1 、o 1 、0 2 a n d1 ) u s i n gt h ed e s i g nf l o o dh y d r o g r a p h t h e n w e g e tt h ed e s i g nr e s e r v o i ri n f l o wf l o o do f t h es a m e d e s i g nf r e q u e n c yb y t h er e s u l t a n t d i s c h a r g em e t h o d a c c o r d i n gt o t h ec o m p u t i n gv a l u ew ec o m p a r et h es i t ed e s i g n f l o o da n dd e s i g nr e s e r v o i ri n f l o wf l o o do fd i f f e r e n tt i m ei n t e r v a l i nt h es e c o n dp a r t ， w ec h o o s ef o u rs t a t i o n so nt h eb a s i nw h i c hu pt h el o n g t a nd a m - s i t e ，a n de s t i m a t ea m u l t i d i m e n s i o n a la u t or e g r e s s i o nm o d e lt om o d e lt h ed a i l yd i s c h a r g e t h e nt e s tt h e m o d e la n dt h es i m u l a t ee f f e c to ft h em o d i f i e df l o o ds e r i e s t h er e s u l ti n d i c a t et h a t u s i n gt h i sm u l t i d i m e n s i o n a la u t or e g r e s s i o nm o d e l o nt h eb a s i nt os t o c h a s t i cs i m u l a t e t h ed a i l yd i s c h a r g ei sr a t i o n a l t h et r a d i t i o nh y d r o l o g yf r e q u e n c yc o m p u t a t i o nm e t h o di ss u p p o s e dt h a tt h eu n i v e r s e i s f o l l o w i n g t h ep i i i d i s t r i b u t i o n u s i n gt h em e t h o do fc h i v e f i t t i n g t oe s t i m a t e p a r a m e t e r sa c c o r d i n gs a m p l e s ，a n dt h e ng e tt h ed e s i g nv a l u e h o w e v e rt h ed e s i g n v a l u eg e t t i n gf r o mt h i sm e t h o dw h i c h e x p e c t a t i o nf r e q u e n c y i sl a r g e rt h a nt h ed e s i g n n o r m a l t h i si so n eo ft h em a i nr e a s o n st h a tt h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gw o r k si no u r c o u n t r ya l w a y sh a v eb e e n b r o k e ni nh y d r o l o g ym e a n t os t u d yt h ec o n c e p t i o na n d m e t h o do fc a l c u l a t i o nf r e q u e n c yi so n eo ft h em o s tw a y st os o l v et h ep r o b l e m t h e m i r d p a r ti nt h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h em e t h o d w h i c hi sb a s e do nt h ee x p e c t a t i o n f r e q u e n c ya n d u s ew h i c hw e g e tt h ed e s i g n v a l u eo f1 a n do 1 f o rs o m eu n i v e r s e s a n dw ea l s og e tt h ec o r r e l a t i o nd i a g r a mo fc sa n dc a l c u l a t i o nf r e q u e n c yo fd i f f e r e n t s a m p l es i z e s t h e nw ea n a l y z et h e v a r i a t i o nr u l et og e tt h ep r i m a r yd i s c u s s i o nf o rt h e t h e o r ys t u d ya n dp r o d u c t i o n k e yw o r d ：d e s i g nf l o o d ，d a m - s i t ef l o o d ，r e s e r v o i ri n f l o wf l o o d ， s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ，e x p e c t a t i o n f r e x t u e n c y 附录d ： 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) ：逡亟鱼 矿争年f 月王日 ( 注：手写亲笔签名) 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) ：仫刍盔 护年月z 日 ( 注：手写亲笔签名) 绪论 绪 在进行水资源系统防洪规划和设计时， 论 最为重要的是对作为系统核心的水库的规 划和设计。设计水库大坝以及其它一切与防洪相关联的水工建筑物的主要依据是设计 洪水。如果设计洪水定得过小，有可能使工程招致破坏而引起灾难；如果定得过大， 将导致浪费。因此，科学地确定设计洪水是水资源系统防洪规划和设计中一项极为重 要的工作。在水文及水利计算中，计算设计洪水通常用皮尔逊i i i 型曲线拟合年径流 量、洪峰流量、洪量等径流特征量的经验频率点据，由此来确定它们的理论分布。 在水库的调洪过程中用于调洪计算的入流量是进入水库的洪水，而不是流达坝址 断面的洪水。由于建库后形成了库区，进入水库周边的洪水与坝址洪水之间是有区别 的。 坝址设计洪水是根据坝址处的资料进行分析与计算，推求规定设计频率的坝址洪 水设计值。入库设计洪水是在入库洪水的分析计算基础上推求的某一设计频率的入库 洪水。在水库的规划设计中，如果水库较大，壅水范围较远，水库建成后流域的产流 和汇流条件有显著改变，而且对水库调洪成果有较大影响时，应以入库洪水作为设计 的依据。 洪水过程变化受众多因素的影响，极其复杂且具有明显的随机性。当前水文水资 源系统规划中预估未来洪水情势的方法常采用设计洪水过程线法，该法假定工程防洪 安全设计标准等同于设计洪水过程线的某种洪水特征量频率( 同倍比法) ，或者多种 洪水特征量频率( 同频率法) 。丁晶等人于1 9 9 0 年在第五次全国水文学术会议上指 出以设计洪水过程线计算得到的工程实际防洪安全标准具有很大的不确定性，常出现 高于或低于指定标准，且计算结果因人而异。一个有效的替代方案是洪水随机模拟 法。随机过程理论和时间序列分析技术可以用来研究洪水过程的统计变化特性。具体 说来，就是依据洪水过程的观测资料，分析随机变化特性，在此基础上建立随机模 型。这种模型经过统计上和实用性检验后即可当作洪水过程随机变化的估计总体，然 后通过模型模拟出大量的洪水过程供分析与工程设计使用。该法的关键是根据洪水过 程观测资料，建立合理、可靠、反映洪水客观规律和随机变化特性的洪水随机模型。 随机水文模型的研究也只是近几十年的事情，已逐渐形成一门新的学科随机 水文学。1 9 2 7 年c e s u d l e r 为确定库容的概率分布生成了1 0 0 0 年的年径流序列。五 十年代初期赫斯特( h u r s t ) 研究了径流和其它地球物理现象的长期实测系列。他的 绪论 研究对水文随机模型的发展产生了很大的影响。巴尔钠( b a r n e s ) 于1 9 5 4 年应用正 态随机数表模拟径流。后来，托马斯( t h o m a s ) 、费林( f i e r i n g ) 和叶菲耶维奇 ( y e v j e v i c h ) 等人考虑到水文现象时序上存在着相依性，而引进了马尔可夫模型 ( 自回归模型) ，使随机水文学方法得到迅速发展。我国起步较晚，上世纪6 0 年 代，谭维炎等人曾用蒙特卡罗法生成水文系列，进行统计误差的研究。6 0 年代初模拟 的主要对象是年月径流，因其变化和缓，相依性较好，易于用较简单的模型表征其特 性；7 0 年代才有所发展；8 0 年代以来，一些水电设计院、流域机构、高等院校和科 研单位相继开展了随机水文学的研究，取得了一定成果，并在实践中逐步推广应用。 刘权授教授在1 9 8 7 年编著的水文随机模型中提出：水文随机模型的具体步 骤或具体内容可归结为收集整理工程地点的水文资料、建立水文随机模型和应用随机 模型解决实际生产问题。简而言之即要处理三个问题：资料问题、模型问题与应用问 题。资料问题在水文计算中又分为两种情况。对于有实测径流资料的地区，在保证一 定精度的前提下，要尽可能把系列延长，然后建立随机模型；对于缺乏实测径流资料 的地区，可将有实测资料地区的随机模型中的参数与地理因子建立关系，用地理综合 法求得无实测径流资料地区的随机模型。模型问题：随机模型有两种分类方法。一是 按工程上要求的计算时段分：如年径流，月径流，日径流或日雨量，以若干小时为单 位的洪水过程或雨量过程。这是沿袭水文水利计算上的分类方法。二是按模型本身的 特点分：如线性平稳模型，分解模型，马尔可夫模型等。这种分类更本质些，而且同 一模型，有时即可以年为计算单位，也可以月、日为计算单位。应用问题：水文随机 模型可用于水文水利计算( 规划设计) 与水文预报。 刘权授教授同时指出现行的水文计算方法，包括三大步骤。首先是不论对洪峰， 或一定天数的洪水总量，或一定天数的暴雨总量，或年径流总量，都是用纯随机模型 ( 不考虑系列之间的相关性) ，建立f = 1 年的上述水文要素的频率曲线。从这条曲 线上求得相当于设计保证率的上述要素值。然后通过典型缩放的方法，将上述要素值 转换为a t = 1 月( 兴利计算) 或a t = i 日( 防洪计算) 的设计过程线。最后利用水利计 算方法对这条设计过程线进行调节计算。并认为这样求得的库容( 或调节径流，或保 证出力) 的保证率与各水文要素值( 或洪峰，或洪量或年径流) 的保证率相同。因 此，现行水文计算方法有两条基本假定：一是年际间各水文特征值是相互独立的，因 此，可用纯随机模型描述。二是设计水利指标( 库容，调节流量，出力) 的保证 绪论 率等于上述水文要素的保证率。可见，现行水文频率计算方法的主要缺陷在于，它孤 立地研究各种水文特征值，而没有考虑洪水随时间变化的特征。随机水文学则比较充 分地利用了现行水文计算经验，把洪水现象作为一个时序过程来研究，而不仅仅是几 个特征值。因此，可以说随机水文学是一种全新的水文统计学方法。 洪水模拟模型大致可分为四类：回归类，解集类，散粒噪声类和其它类；最近又 出现了一类反映洪水非线性特性的非线性模型。它们利用有限个假定参数的特定函数 关系来描述洪水，其模型相对简明，应用方便，能基本表征洪水的统计特性和一般变 化规律；但由于洪水现象变化错综复杂和受多种因素影响，只有当假定与实际接近时 其优越性才能体现，因此其适用性受到限制。 华家鹏教授在2 0 0 0 年元月河海大学水文系自编出版的随机水文学中指出水 文过程可以用三种模型来描述。一是确定性模型，二是纯随机模型，三是随机模型。 任何事物的运动变化和发展都是有其原因的，这种因果关系一般是确定的，水文 过程也不例外，无疑也应该是一个确定性过程。但是，在分析研究水文现象时，由于 受到资料和人认识的限制，无法认清所有对水文现象的影响因素，不得不把其中的次 要部分作为随机因素来处理。因此，当建立水文模型时如不考虑其随机成分，这种模 型称之为确定性模型；反之，如不考虑其确定性成分，这种模型称之为纯随机模型。 水文计算中通常的频率计算方法就是一种纯随机模型。即视水文变量为随机独立的变 量来考虑的。介于两者之间即包含有确定性成分又包含有随机成分。这种模型称之为 随机模型。它不同于确定性模型。它不再给出确定性答案，而是研究带有某种可能性 的预估。它又不同于纯随机模型。因为它不仅涉及某一事件的概率，而且还考虑到水 文现象随时间变化的特性。 水资源系统的规划，设计和运行常常涉及到几个水文过程。于是从单变量的随机 模型发展到多变量的随机模型，如同时模拟几个站的径流过程。现在已有不少多变量 随机模型，例如多变量自回归模型，多变量分数高斯噪声模型以及多变量折线模型 等。 为了尽可能利用各种信息，以提高模型的可靠性，从上世纪七十年代起出现了根 据贝叶斯理论和卡尔曼滤波理论估计模型参数的方法，使得模型参数随信息的增加而 变化，所以又称这种模型为变参数模型。 为了使模型不仅能反映水文过程时序上的相依性，还能反映水文变量概率分布的 绪论 不对称性，近来，又有人提出了非线性偏态模型。 总之，随机水文模型的发展是从马尔可夫模型到非马尔可夫模型；从定参数模型 到变参数模型；从单变量模型到多变量模型；从线性正态模型到线性偏态模型，今后 随着研究的不断深入，它必将有更大更快的发展。 本论文第一篇以广西红水河的龙滩水库为算例，计算了坝址设计洪水和入库设计 洪水，并进行分析比较。其比值和一般水库相近。第二篇对龙滩以上流域的四个站建 立了多维自回归随机模型，并据此生成了1 万年日流量过程，然后对模型和模拟生成 的洪水系列进行仿真效果检验。结果表明在红水河流域利用此多维自回归模型进行随 机模拟是合理的。 上世纪6 0 年代后，对水文频率分析中所采用估计方法的评价，在国际上逐渐形 成了一种比较一致的看法，即以数理统计中的不偏性与有效性为依据的观点。与此同 时，另一种观点也提出了一种标准，即后来发展成为期望概率的概念。此标准认为设 计频率p 的意义为每一年内“实际洪水 设计洪水”的概率应该为p 。国外自6 0 年代 开始研究期望概率，最初由b e a r d 在文章 p r o b a b i l i t ye s t i m a t e sb a s e do ns m a l l n o r m a l d i s t r i b u t i o ns a m p l e s 中提出，后来有了许多发展。1 9 7 4 年美国发表了由 b e a r d 主编的研究报告f l o o df l o wf r e q u e n c yt e c h n i q u e s ，其中第五章为期望概 率估计，第十一章为期望概率调整结果，附录a 为水资源开发中的期望概率概念。 1 9 8 2 年，美国将期望概率及其计算方法写进了确定洪水频率指南一书。但是以上 这些文献提到的计算只适用于正态分布和矩法估计的简单情况。1 9 7 8 年，丛树铮教授 在关于水库设计标准一文中提出了适用于任意分布和任意计算方法的计算期望概 率的普遍公式，表明了期望概率的统计意义，为采用统计方法计算不同总体及不同估 计方法所确定的设计值的期望概率提供了理论依据。丛树铮教授在1 9 8 8 年发表的 长江三峡工程设计洪水期望概率研究一文中首次根据期望概率的一般计算公式， 用统计试验方法计算了长江三峡工程设计洪水值的期望概率。刘治中教授等人于1 9 8 9 年根据抽自不同的p 一型分布总体的样本资料，进行统计试验计算，分别确定出各种 设计标准下设计值的期望概率，并从所得数据中寻求期望概率变化的一般规律。 丛树铮教授指出按照现行的频率方法计算所得的所谓“百年一遇”的设计值，实 际上不过“五十年左右一遇”，所谓“千年一遇”的设计值，不过“2 0 0 3 0 0 年一 遇”。要解决这个问题有三个途径：一是减少“出发频率”，即在样本频率去上去查 4 绪论 取设计值时所依据的那个频率；二是改变经验频率公式；三是按离差平方和最小的准 则适线、出发频率等于设计频率的条件下改变经验公式。 黄振平教授认为，“出发频率”这个名词概念模糊，他建议采用“计算频率”这 个名词更恰当。它表示用于计算设计值的( 即用于实际计算) 频率，而“设计频率” 只表示工程的安全标准。 本文第三篇讨论了基于期望破坏概率概念推求各种总体相应于1 及o 1 的设 计值的方法，并且得到不同样本容量的。和计算频率的相关图，分析其变化规律， 为理论研究及生产应用作一些初步探讨。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第一章计算流域概况 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第一章计算流域概况 1 1 入库洪水和坝址洪水的涵义和常用推求方法 1 1 1 入库洪水和坝址洪水的涵义 由水库调洪原理可知，用于调洪计算的入流量应是进入水库的洪水，而不是流达 坝址断面的洪水。建库后形成了库区，由于水库淹没范围内的河槽调蓄作用及洪水波 传播等特性发生了变化，水库周边进入水库的洪水与坝址洪水之间是有区别的。对峡 谷形水库，两者差别不大；对湖泊形水 库，两者差别较大。 入库洪水包括入库断面洪水、入库区 间洪水两部分，其中入库断面洪水为水库 回水末端附近干支流河道水文测站的测流 控制断面，或某个计算控制断面以上的洪 水。入库区间洪水又可分为陆面洪水及库 面洪水两部分，其中陆面洪水为入库断面 以下，至水库周边以上陆面上和无控区间 善囊i - 图1 1 1 入库洪水示意图 所产生的洪水，库面洪水即库面降雨直接转为径流所产生的洪水。如图1 卜1 。 1 1 2 推求入库洪水的特点 推求入库洪水有两个主要特点，一是在一般情况下，没有完整的流量资料，即使 有干支流入库断面的流量资料，区间也不会有实测资料，因此，就资料的角度来看， 实质上是在欠缺流量资料条件下推求设计洪水问题；另一个特点是由于入库洪水的入 流“断面”是指库面及库区的周边，所以流域汇流过程与未建库时坝址断面处的汇流 过程有较大的变动。 1 1 3 常用计算入库设计洪水的方法 常用计算入库设计洪水的方法有以下四种： 6 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第一章计算流域概况 一是合成流量法。若水库周边汇入的支流较多，干支流在入库点附近和坝址处均 有较长的同步流量观测系列，则可将各入库点与区间( 各入库点与坝址间) 的洪水过程 线错开传播时间叠加成为入库洪水，据此，再利用推求坝址设计洪水的方法推求入库 设计洪水。对区间洪水的计算，如区间面积不大，洪水主要来自干支流，则可将坝址 与入库点的洪水量之差作为区间洪量，并按入库洪水过程分配作为区间洪水过程。合 成流量法符合入库洪水的定义，概念明确，可直观地求出水库各部分的入库洪水，广 泛被采用且成果比较合理。 二是水量平衡法，此法主要用于推求水库建成后的入库设计洪水，供复核水库的 安全标准和合理控制运用水库应用，当具有库水位及水库出流资料时，可根据水库水 量平衡方程进行计算： 一q , = 一q o + 西i a v 式中q ，q 。和见分别为计算时段内平均入库流量，出库流量和损失流量，a v 为计 算时段内的蓄水量变化。 三是峰量关系法。这是一个粗略的估算方法。实践证明，入库洪水与坝址洪水之 间的定量关系常可用建库前后的峰量关系来粗略说明。对应同一洪水来说，建库后的 入库洪峰要比建库前坝址洪峰略大，而入库洪水的长时段洪量与坝址洪量相差无几， 因此，可建立入库洪峰流量q 一与坝址洪峰流量9 的经验关系： 入= n 绕+ 6 。据 此，由坝址流量求得入库流量。 四是坝址洪水反演法。一般采用马斯京根法或槽蓄曲线法把坝址洪水反演到库区 某一点，如库区干( 支) 流入库点、中点等，而得到入库洪水。坝址洪水反演法简便 易行，考虑了主要的影响因素，所需资料少，但没有考虑建库后汇流条件和洪水组成 的改变，反演的参数及入库点也难以确定，成果一般偏小，对区间面积( 洪水) 比重 较小的水库效果较好。 本次研究以广西红水河龙滩水电站为例，计算了坝址设计洪水，并采用合成流量 法计算入库洪水设计值。根据计算成果分析了龙滩水电站的入库设计洪水和坝址设计 洪水的区别。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第一章计算流域概况 1 2 计算流域的自然地理和水文气象情况 1 2 1 流域概况 红水河是珠江流域西江水系的中上游河段，发源于云南省沾益县马雄山，流经 滇、黔、桂三省( 区) ，上游主流称南盘江，流至蔗香双江口处与北盘江汇合后始称 红水河，到广西象州县三江口与柳江汇合后改称黔江。图1 2 1 为龙滩水库流域示意 图。 图1 2 - 1龙滩水库流域示意图 红水河全长1 5 7 3 k m ，流域面积1 3 8 3 4 0 k m 2 ，位于东经1 0 2 0 2 07 1 09 0 3 07 ，北纬 2 3 0 0 4 2 6 0 5 0 。龙滩坝址以上集水面积9 8 5 0 0 k m 2 ，占红水河流域面积的7 1 2 。 流域四周为群山环绕，东面有风凰山与龙江为界，西以乌蒙山、梁王山与金沙江分 流，南屏金钟山与右江为邻，北至苗岭与乌江相隔。整个地势自西北向东南倾斜，平 均海拔高程1 4 5 0 m 。流域内地形、地质条件比较复杂，南、北盘江中上游一带属云贵 高原之一部，地势高而较平坦，其下大部分地区处在由云贵高原向广西丘陵的过渡地 带。流域地层分布是：南、北盘江多属砂页岩区，蔗香以下石灰岩分布较广。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第一章计算流域概况 红水河主流甚为弯曲，较大支流多在天峨以上左岸加入，形成不对称的上宽下窄 的流域形状。主要干支流河道特征见表1 2 1 。 表1 2 - 1红水河干支流河流特征表 河名集水面积( 甜)河长( 砌)坡降( )备注 南盘江5 6 8 8 0 9 1 41 7 4 北盘江 2 6 5 9 04 4 42 8 0 摘自珠委 蒙江8 6 0 72 4 13 4 8 1 9 8 3 年编印 曹渡河 5 8 4 32 3 53 4 9的“河流水 系”。 布柳河 3 5 2 91 7 2 3 3 6 红水河1 3 8 3 4 01 5 7 30 8 4 9 南盘江、黄泥河兴建的天生桥、鲁布格等大型水电站，对红水河的水文条件发生 影响，自1 9 5 8 年以来，大量的毁林开荒，造成了严重的水土流失。据珠委有关资 料，红水河在云南境内约7 0 0 0 k m 2 , 贵卅i 境内约1 2 0 0 0 多k m 2 ( 包括柳江部分面积) 均为 水土流失区。从天峨站1 9 5 9 年以来的悬移质泥沙统计资料可看出，红水河的泥沙含 量越来越大，值得注意。 1 2 2 水文气象条件 红水河流域地面气象观测站约6 0 个( 包括部分水文站观测资料) 。最早的盘县 站设于1 9 4 2 年，东兰、迁江两站亦为解放前所设，其它绝大部分为1 9 5 8 年前后设 立。流域内无高空观测站，仅四周有昆明、威宁、贵阳、百色四个探空站。 红水河流域现有雨量站三百多个，其中天峨以上约二百五十个左右，最早的东 兰、都安站设于1 9 3 6 年，东兰、迁江、沾益等亦为解放前设立，但大多数雨量站是 在1 9 5 5 1 9 6 5 年间设置。解放前资料精度较差，解放后观测精度逐步提高，六十年 代以来基本按规范要求进行，资料较好。 红水河流域属副热带季风区。冬季，受蒙古冷高压控制，流域上空盛行西风，南 支西风急流从1 0 月至次年4 月稳定地通过流域西部，这支西风经过伊朗高原及印度 西北部的热带大陆气团，造成流域上游云南等地区温暖、干燥的冬天气候特性。夏 季，受热带气团控制。夏季风有两类，一是东南季风，来自西太平洋的热带气团，二 是西南季风，来自印度洋的赤道气团。一般自4 月份起，东南季风开始影响本流域东 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第一章计算流域概况 部的广西、贵州等地，流域进入汛期。5 月份，高空西风退缩，印缅低压( 稽) 建 立，西南季风活动增强，流域西部的云南等地进入雨季。汛期各月东南季风和西南季 风交替或同时影响本流域。 流域多年平均气温1 6 1 ，由于各地纬度、地形不同，气温差异较大。一般自上 游向下游递增，历年月平均最低、最高气温出现时间分别为1 月和7 月，极端塌低气 温在1 2 月出现，极端高气温出现时间上游云南境内以4 5 月出现，下游广西境内 一般为7 8 月。流域极端最高气温4 0 5 。c ( 罗甸站1 9 5 8 年4 月2 3 日) ，极端最低 气温一1 4 9 。c ( 宣威站1 9 7 7 年2 月9 日) 。按月平均气温低于i o 。c 作为冬季、高于 2 2 。c 作为夏季的标准划分，坝址附近的天峨、罗甸等，全年无冬季，而夏季长达4 5 个月。 流域多年平均降水量1 1 9 3 5 r a m ，天生桥以上1 0 1 3 6 r a m ，天生桥龙滩区间 1 3 1 8 5 r a m 。本流域夏季主要盛行西南风，由于流域地形向东南倾斜，对西南气流缺 乏迎风坡的辐合作用，不利于大暴雨的发生。流域地形对东南季风有迎风面辐合上 升，对降水增幅的作用，但东南季风对本流域的影响程度少于西南季风。不论西南气 流还是东南气流到达本流域时，已受多道山脉的屏障，水汽大减。流域内大面积高量 级暴雨很少，实测最大一日面雨量4 0 r a m 。流域内年降雨量最多地区在黄泥河东侧的 罗平、马别河上游及北盘江中游的晴隆一带，各时段暴雨中心也在上述地区，但也有 特例，如：罗甸站是流域最大一、三、七天暴雨中心，其年降水量却是流域的低值 区。流域年平均雨日1 6 1 3 天，贵州的晴隆等站，年雨日超过2 0 0 天，坝址地区多年 平均雨日1 6 3 2 天。 流域多年平均蒸发量1 7 9 4 5 r a m ，其地区分布大致与降水量成相反趋势，降水量 的低值区是蒸发量的高值区。流域年平均相对湿度为7 7 ，下游地区一般为8 0 8 2 ，上游7 1 7 3 。 龙滩坝址气象要素以天峨站资料为代表，多年平均气温2 0 o 。c ，多年年平均降水 量1 3 7 1 m m ，多年平均蒸发量1 2 0 8 m m 。 1 2 3 天生桥电站的防洪调度 天生桥一级水库洪水调度的主要目标是确保大坝枢纽的安全。没有其它防洪任 务。所以汛期防洪调度重点是保自身防洪安全。天生桥一级水库主汛期的洪水起调水 位，在龙滩水电站投入前为7 7 3 1 0 m 。龙滩水电站投入后为7 7 6 4 0 m ，后期洪水( 9 1 0 笙二壁垒壁堂查兰塑些避查竺生茎 苎二童生兰堕塑塑堡 月1 0 日以后) 的起调水位为7 8 0 o o m 。洪水调度采用无洪水预报的方式以坝前水位 为控制进行泄洪调度，为避免给下游地区造成人为灾害，水库最大下泄流量不超过本 次洪水的洪峰流量。 天生桥一级水电站的泄洪设施为岸边泄洪道，共有5 孔弧形闸门，孔口尺寸均为 1 3 2 0 m ( 宽高) ，堰顶高程为7 6 0 o o m 。泄流曲线列于表1 2 2 。 天生桥站的水位库容曲线见表1 2 3 和图1 2 2 。 表1 2 - 2天生桥电站泄流曲线表 库水位1 5 开度2 5 开度3 5 开度4 5 开度全开 ( m )( m 3 秒)渤3 秒)( m 3 秒)( m 3 秒)( m 3 秒) 7 7 2 14 3 96 7 91 0 9 41 1 0 71 1 0 7 7 7 3 14 6 57 3 91 1 1 21 2 5 91 2 5 9 7 7 4 14 9 07 9 51 1 3 01 4 1 81 4 1 8 7 7 5 15 1 48 4 91 1 4 81 5 8 41 5 8 4 7 7 6 15 3 79 0 01 1 6 61 7 4 0 1 7 5 6 7 7 7 15 5 99 4 91 1 8 41 7 5 31 9 3 6 7 7 8 15 8 19 9 61 2 5 81 7 6 62 1 2 2 7 7 9 16 0 l1 0 4 21 3 3 1 1 7 8 02 3 1 4 7 8 0 16 2 11 0 8 51 4 0 2 1 7 9 32 5 1 3 7 8 1 16 4 l1 1 2 81 4 7 0 1 8 0 62 7 1 8 7 8 2 16 6 01 1 6 9 1 5 3 61 8 1 92 9 2 9 7 8 3 16 7 81 2 0 81 6 0 01 8 5 1 3 1 4 6 7 8 4 16 9 61 2 4 71 6 6 2 1 9 3 93 3 6 9 7 8 5 17 1 31 2 8 51 7 2 2 2 0 2 43 5 9 8 7 8 6 17 3 01 3 2 11 7 8 1 2 1 0 73 8 3 2 7 8 7 17 4 7 1 3 5 71 8 3 82 1 8 74 0 7 2 7 8 8 17 6 31 3 9 21 8 9 4 2 2 6 64 3 1 8 7 8 9 17 7 91 4 2 6 1 9 4 82 3 4 24 5 6 9 表1 2 3天生桥电站水位库容曲线数值表 水位( m )7 3 07 4 07 5 07 6 07 7 07 8 07 9 0 8 0 0 库容( 亿) 2 3 13 0 54 0 3 5 36 88 5 61 0 6 2 1 3 0 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第一章计算流域概况 图1 2 - 2天生桥一级电站水库水位库容曲线 2 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第二章坝址设计洪水的推求 第二章坝址设计洪水的推求 坝址洪水根据坝址断面的流量资料推求。 在水文及水利计算中，通常用皮尔逊i 型曲线拟合年径流量、洪峰流量、洪量等 径流特征量的经验频率点据，由此来确定他们的理论分布。 在资料选样的过程中一般是取洪峰流量和指定时段内洪水总量，作为描述一次洪 水过程的数字特征。洪水统计时段长度的选择，应根据当地洪水过程的历时长短、水 库泄洪能力和调洪方式，以及下游河道防洪要求等因素确定。对连续多峰型洪水河流 或设计的水库泄洪能力小，预留的防洪库容相对较大，则时段宜取长些，反之，宜取 短些。本次研究根据天峨站的流量资料计算坝址设计洪水。天峨站有1 9 5 8 1 9 8 8 年 共3 1 年的实测流量资料，我们根据实测龙滩水库的实际情况选取了1 天、7 天、1 5 天和3 0 天四个时段。 由于我国河流多属雨洪型，每年汛期要发生多次洪水，因此就存在如何从年内多 次洪水中选定该年的洪水特征问题。可以有不同的选样方法。不同工程所关注的洪水 特性不同，选样方法也就不相同。对于多数水利水电工程，洪灾损失往往是一次性 的，在一年之内很难立即恢复正常工作，洪水年极值分布可以说明当地出现这类洪水 灾害的概率，因此，以年最大法选样为宜。年最大值法即为每年选取一次最大值，z 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。这是目前水利水电部门 所采用的方法。 由于上游建有天生桥水电站，所以，首先将天峨站的流量资料进行一致性检验和 还原。 本次研究首先按年最大值独立选样原则，从实测资料中，选取1 天、7 天、1 5 天、3 0 天四个时段洪量的样本。得到天峨站5 8 8 8 年共3 1 年的峰、量系列。 将各个系列的值从大n d , 排n ，经验频率公式取p = m ( n + 1 ) * 1 0 0 ，理论频率曲 线采用p i 型曲线。洪量的统计参数：均值采用矩法估算，c 饥。通过目估适线确 定。适线法求得坝址设计洪水成果见表2 1 。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第二章坝址设计洪水的推求 表2 - 1天峨站坝址设计洪水成果 q p ( ) 项目均值c v c s f c v o o l0 10 21 w l d ( 亿m 3 )9 6 8 0 3 43 53 0 72 5 52 3 82 0 w 7 d ( 亿m 3 ) 5 0 6o 3 531 5 81 3 21 2 41 0 5 w 1 5 d ( 亿m 3 ) 9 1 5o 3 532 8 5 2 3 92 2 51 8 9 w 3 0 d ( 亿m 3 ) 1 5 0o 3 534 6 83 9 23 6 93 1 l 在放大典型过程线时，按不同历时的洪量分别采用不同倍比。使放大后的过程线 的各种历时的洪量分别等于设计洪量。也就是说，经放大后的过程线，其各种历时的 洪水总量都符合于同一设计频率，简称“同频率放大”。此法较能适应多种防洪工程 的特性，解决控制时段不易确定的困难。目前大、中型水库规划设计中，主要是采用 此法。 分别取洪量的历时为1 天，7 天，1 5 天，3 0 天，则典型各段的放大倍比计算如 下： 1 天洪量的放大倍比 毛= 罢 ， 式中：暇，最大1 天设计洪量； 。典型洪水的最大1 天洪量。 按上式放大后，可得出设计洪水过程中最大l 天的部分，由于其最大3 天的部分 已经包括了最大1 天的，而且这一天的过程已放大成。了。因此，就需要放大其余 两天的，使放大后的这两天洪量一，与彤，之和，恰好等于，亦即使 。= ，一啊，所以这一部分的发大倍比为 ，= z ， 同理，在放大最大5 天中，3 天以外的2 天内的倍比为 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第二章坝址设计洪水的推求 同上可得 七一：坠：! 二坠 ( 2 3 ) 。3 一瓦瓦 “ k s = 筹鲁 汜a ， f 等鲁 汜s ， m = 等等 他。， 于是放大典型过程线可得相应于设计标准的设计洪水过程线。在典型放大过程线 中，由于在两种天数衔接的地方放大倍比尼不一致，因而放大后的交界处产生不连续 现象，使过程线呈锯齿形。此时进行徒手修匀，使之成为光滑曲线，但仍要保持各种 历时的设计洪量不变。 本次研究选定1 9 7 9 年6 月2 4 日至7 月2 4 日的洪水过程线作为典型洪水，计算 各时段洪量，推算各时段放大倍比k ，逐时段放大。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第三章合成流量法入库洪水的推求 第三章合成流量法入库洪水的推求 3 1 合成流量法 合成流量法又称同时流量叠加法。当坝址以上干流和主要支流在水库壅水末端附 近有水文站，且控制水库周边以上的流域面积较大，资料又比较完整可靠时，可分别 推算干支流和区间各部分的洪水，然后分别演算到入库断面处，用同时流量叠加法即 得入库洪水。这种方法概念明确，只要区间洪水估算合适，一般可得到比较满意的成 果。干流和主要支流应尽可能采用实测资料。区间陆面洪水是计算的关键，区间一般 属于无资料地区，其入库洪水只能用间接法推算。可以假定区间和入库站以上流域的 产流规律基本相同，直接按面积比推求。或者，当主要干支流和坝址处均有实测资料 时，可将干支流洪水演进到坝址处叠加，然后由坝址洪水减去叠加的干支流洪水，余 下的部分即为区间洪水。建库以后，一般库区水面面积占坝址以上流域面积的比重不 大，库面洪水可直接由降雨过程和库面面积推算。 3 2 计算流域资料的收集、整理和插补展延 3 2 1 资料情况 红水河流域水文测验始于本世纪三十年代。1 9 3 6 年在于流先后建立东兰、都安、 迁江等站，断续观测水位、流量，1 9 4 8 年在南盘江建立班枝花水位站。解放后，水文 测验工作有了较大发展，干流和支流在1 9 5 8 年前后建立了水文站，观测水文、流 量、雨量等。多数站缺泥沙测验项目。1 9 5 9 年5 月设立了天峨水文站，该站上距龙滩 坝址约1 3 k m ，下距红水河流域资料最长、最完整的东兰站6 3 k m 。该站是龙滩工程水 文计算的依据站，其基本资料在可行性阶段做了审查。水电总局多次召开“红水河水 文成果协调会”，对天峨站资料的应用提出了具体的意见。同时，对插补延长天峨站 径流以及降雨量的东兰、都安、迁江等站的基本资料也进行了复核，对红水河各站基 本资料的测验、整编情况及存在问题都有较全面的了解和评价。干流主要控制站通过 插补展延后一般有4 5 年以上的流量资料，库区主要测站一般也有2 5 年以上的实测流 量资料。 本次研究，采用了龙滩水电站所在流域有关水文站实测日流量资料。具体资料见 表3 2 1 。 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算第三章合成流量法入库洪水的推求 表3 2 一l天生桥等7 站的日平均流量资料情况一览表 站名资料名称起止年份控制面积( ) 天生桥逐日平均流量1 9 5 8 年1 9 8 5 年 5 0 1 9 9 这洞逐日平均流量1 9 5 8 年1 9 8 8 年2 0 3 7 2 蔗香逐日平均流量1 9 5 8 年1 9 8 8 年8 2 4 8 0 八茂逐日平均流量1 9 5 9 年1 9 8 8 年8 6 8 2 甲板逐日平均流量1 9 7 7 年1 9 8 8 年5 8 4 3 平腊逐日平均流量1 9 5 8 年1 9 8 8 年3 3 1 0 天峨逐日平均流量1 9 5 8 年1 9 8 8 年1 0 5 8 3 0 3 2 2 资料整理与插补展延 具有长期入库洪水资料时，可用频率分析法推求各种设计标准的入库设计洪水， 其具体方法基本上与由流量资料推求设计洪水相同。 在水库回水末端附近的干支流有天生桥站、蔗香站、这洞站、八茂、甲板、平腊 和天峨七个水文站。八茂、甲板和平腊站距离水库很近，我们为了计算方便，将此三 个水文站合并为一个站进行计算，简称三站。其余的区域合并为区间。分区图见图 32 1 。 图3 2 - 1 流域分区图 1 7 第一篇入库洪水与坝址洪水的计算 第三章合成流量法入库淮水的推求 七个水文站中大多具有5 8 年至8 8 年3 1 年的实测1 3 平均流量，为了充分利用实 测资料信息，决定对部分缺测年份进行插补展延。 一、天生桥站 天生桥站缺1 9 8 6 1 9 8 8 年逐日平均流量，利用下式进行插补： q 天2 ( q 蘸一q 这) j ：! ! 麓 s - ，) ，一，j 盍 其中：q * 、q 藏、q t 分别表示天生桥站、蔗香站、这洞站的日平均流量； ，。，蕞、，j 宣分别为天生桥站、蔗香站、这洞站的集水面积。 利用上式插补得到天生桥站的日平均流量，其年径流量的误差一般不超过2 5 。 表3 2 - 2 是利用上述插补公式计算的1 9 8 0 1 9 8 5 年汛期( 5 l o 月份) 径流量和实测 径流量的误差分析表。 表3 2 - 2插补公式误差分析表 年份插补资料( 亿m 3 )实测资料( 亿珊3 )相对误差( ) 1 9 8 0 年1 4 7 71 3 5 68 9 1 1 9 8 1 钽1 4 8 61 3 0 51 3 9 0 1 9 8 2 芷1 4 8 61