中国大坝设计洪水计算.doc

中国大坝设计洪水计算、评估与确定王正发摘要: 回顾了新中国成立60 年来中国大坝设计洪水计算的发展历程，总结了取得的经验和教训。在介绍现行规范规定的大坝设计洪水计算方法基础上，重点对中国大坝设计洪水的评估与确定进行了分析研究。关键词: 设计洪水; 计算; 评估; 确定; 中国; 大坝中图分类号: TV122 文献标识码: A 文章编号: 1006-2610(2013) 06-0001-05Calculation，Evaluation and Determination of Design Flood of Dams in ChinaWANG Zheng-faAbstract: The development history of calculation of the design flood of dams in China has been recalled since the founding of the People s Republic of ChinaFurthermore，the obtained experience and lessons are concluded and summarizedBased on the calculation methods for the flood design of dams specified in currently-applied codes，evaluation and determination of the design flood of dams in China are analyzed and studied especiallyKey words: design flood; calculation; evaluation; determination; China; dam0 前言中国是世界坝工大国，截至2008 年底，已建、在建30 m以上大坝5 443 座1-5。这些工程兴利除害，为中国国民经济发展发挥了巨大作用。因此，大坝安全在国民经济发展中具有特别重要的意义。衡量大坝安全的关键指标之一是其在运行期间能够抗御多大的洪水。此外，有些大坝水库还要承担下游某一区域或城市的防洪任务。这样就提出了大坝及水库下游区域或城市的防洪安全设计标准问题。大坝及其水库下游防护区的防洪安全，与被采用作为大坝设计依据的洪水标准有关。中国大坝防洪标准是以设计洪水来表示的，设计洪水计算成果是防洪标准的最终体现，其成果是水利水电工程大坝设计的重要设计参数，对水利水电工程的规模、防洪安全、枢纽布置、溢洪道设计起着重要作用，关系到工程的成败。60 年来，尤其是改革开放30 年来，中国大坝建设走过了一条充满艰辛和挑战的发展历程，在大坝设计洪水计算方面，经历了学习、模仿、借鉴国外经验到自主创新的发展道路，特别是各大中河流形成梯级开发以后，梯级水库设计洪水计算方法又迈上了一个新的台阶，积累了丰富的经验，取得了累累硕果。尽管我们在设计洪水计算方面已取得了很多理论研究成果，并积累了较丰富的实际工作经验，但是，鉴于设计洪水计算是一超长期的预报问题，由于资料、方法、设计人员的知识和经验等方面的原因，大坝设计洪水成果往往存在一定的不确定性。因此，在实际工作中，非常有必要对中国大坝设计洪水计算、评估与确定进行总结和研究。1 中国大坝设计洪水计算方法发展历程推求大坝设计洪水的途径和方法是随着雨洪资料信息的积累、工程建设和运行经验的增加，人们对洪水规律认识的不断深化而逐步发展和完善的。自1949 年中华人民共和国成立至今，中国大坝设计洪水计算方法经历了从历史洪水加成法逐步过渡到频率分析法，以及20 世纪70 年代以后引入可能最大洪水、20 世纪80 年代提出梯级水库设计洪水计算方法的发展过程6-7。1979 年，中国原水利部和电力工业部总结20多年的实践经验，并参照各国已取得的成果，联合颁发了水利水电工程设计洪水计算规范(试行) ，在设计洪水计算上终于走上了统一方法、统一技术标准的道路。这个规范比较充分地总结了中国大坝设计洪水计算的经验和教训，强调了“多种方法、综合分析、合理选用”的设计洪水计算原则。自1979 年中国水利水电工程设计洪水计算规范颁布执行后，各工程设计中有了统一的技术标准，设计洪水计算成果相对比较稳定，这一时期在传统的频率计算方法中，对参数估计方法也进行了较多的研究，并取得了不少成果。从20 世纪80 年代末到1990 年初，在原水利水电规划设计总院的组织下，长江水利委员会水文局等单位对1979 年颁布的设计洪水计算规范进行了修订。1993 年水利部和能源部颁布了新的水利水电工程设计洪水计算规范，增加了有关设计洪水地区组成和干旱、岩溶、冰川地区设计洪水计算方面的内容。1995 年又编写并出版了与1993 年规范配套的水利水电工程设计洪水计算手册。2006 年水利部水利水电规划设计总院又组织专家对1993 年的规范进行了修编。2010 年中国水电顾问集团水电水利规划设计总院组织专家对1993 年水利部、能源部共同发布的水利水电工程设计洪水计算规范进行修编，单独发布水电工程设计洪水计算规范，增加受水库调蓄影响的设计洪水、抽水蓄能电站、潮汐电站设计洪水等方面的内容。至此中国大坝设计洪水计算在内容和方法上，已经形成了一整套比较完整的体系。2 中国设计洪水计算的主要经验60 年来，中国广大水文科研和设计工作者在实践中不断探索新问题，深入分析中国暴雨洪水规律，在跟踪、借鉴、学习世界各国设计洪水计算最新理论的同时，不断研究和完善设计洪水计算方法，逐步形成了一套符合中国河流流域自然条件的设计洪水计算方法体系，取得了许多经验和教训6。中国大坝设计洪水计算的主要经验有:(1) 只有坚持实事求是的科学态度，才能有正确的计算方法和计算结果;(2) 重视基本资料;(3) 重视历史暴雨洪水资料的调查考证;(4) 认真贯彻“多种方法、综合分析、合理选用”的原则;(5) 重视对计算成果的合理性检查。3 设计洪水计算31 天然设计洪水计算根据中国设计洪水计算规范的规定，计算天然设计洪水，按资料条件的不同，可选用下列3 种方法:(1) 坝址或其上、下游邻近地点具有30 年以上实测和插补延长的洪水流量资料，并有调查历史洪水时，可采用频率分析法计算设计洪水。(2) 工程所在地区一般具有30 年以上实测和插补延长的暴雨资料，并有暴雨洪水对应关系时，可采用频率分析法计算设计暴雨，再推算设计洪水。(3) 工程所在流域内洪水和暴雨资料均短缺时，可利用邻近地区实测或调查暴雨和洪水资料，进行地区综合分析，估算设计洪水。上述天然设计洪水计算方法可以概括为2 类:一类是通过流量资料推求设计洪水，即所谓“直接法”; 另一类是通过雨量资料推求设计洪水，即“间接法”。由于前者所依据的基本资料为实测流量过程，中间环节相对较少，工程设计计算中大多采用这类方法。311 根据流量资料推求设计洪水根据流量资料推求天然情况下的设计洪水，主要内容包括设计洪水三要素，即设计洪峰流量、设计时段洪量和设计洪水过程线的分析计算。推求设计洪量的方法和设计洪峰流量的方法均为频率分析法，故以推求设计洪峰流量为例介绍具体分析步骤。首先，按防洪安全标准的含义及独立选样原则，对实测洪水资料进行选样，得出洪峰流量样本系列，并分析它的可靠性、一致性和代表性; 其次是对历史洪水及其考证期进行分析、确定; 最后应用频率分析方法进行设计洪峰流量的分析计算，经合理性分析后，确定采用成果。中国1979 年颁布的设计洪水计算规范及以后的历次规范均规定，经验频率计算采用期望公式8-10。依连序系列和不连序系列，经验频率计算采用不同的公式。对n 项连序系列，经验频率计算采用数学期望公式计算:（1）对不连序系列， 1963 年钱铁8提出了下列确定不连序系列经验频率的公式; 对于其中a 个特大洪水，经验频率公式为:(1) a 个特大洪水的经验频率为:（2）(2) n-1 个连序洪水的经验频率为:或式中: a 为在N 年中连序顺位的特大洪水项数; N 为历史洪水调查考证期; n 为实测洪水系列项数; l 为实测洪水系列中抽出作特大值处理的洪水项数; M为a 个特大洪水按大小排列的序数; m 为n 个实测洪水按大小排列的序数; PM为历史洪水中第M 项的经验频率; Pm为实测系列中第m 项的经验频率。如果在N 年之外，有更远的N 年内的调查洪水，则同样可把N 年内的历史洪水与N年内的历史洪水以及实测洪水组成不连序系列，按上述公式估算各项经验频率。中国现行的水利水电工程设计洪水计算规范9-10规定频率曲线线型一般应采用P-型曲线。特殊情况，经分析论证后也可采用其他线型。P 型曲线的密度函数f(x) 为:P 型曲线的三参数、和a0与均值、离差系数和偏态系数的关系如下:多数水文资料的最小值大于0，此时一定要:CS 2CV (9)P 型频率曲线的统计参数采用均值X、变差系数CV和偏态系数CS表示。统计参数一般采用矩法或其他参数估计方法初估，适线法确定。尽管估计P-型分布统计参数的方法很多，如矩法、概率权重矩法、极大似然法、权函数法、单权函数法、双权函数法、线性矩法等，但迄今在中国还没有一种能使广大水文科研和设计人员都能接受的参数估计方法，在工程设计中，最终常以适线法来确定理论频率曲线的统计参数。当统计参数确定后，根据P-型曲线的离均系数值P表或模比系数KP值表，用下列公式计算各频率天然设计洪水的设计值:XP = X(1 + PCV) 或XP = KPX (10)对于梯级水库天然设计洪水计算，先选择各梯级电站的水文设计代表站，分别计算各站天然设计洪水，对设计成果进行合理性检查，合理取用各水文站设计洪水成果。根据各水文设计代表站及各梯级水库坝址的集水面积，合理进行站坝转换，得到各梯级水库大坝天然设计洪水成果。312 根据雨量资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水，其最大优点在于能充分利用暴雨资料，特别是当工程所在流域流量资料不足时，常成为主要的途径。该方法的前提假定是设计暴雨与据之推算的设计洪水是同频率的。其主要分析计算步骤为:(1) 设计暴雨分析计算。包括暴雨洪水特性分析、暴雨的时面深关系分析、暴雨频率分析、设计暴雨雨型。(2) 产流分析计算。也称为降雨径流关系分析或净雨计算，通常有降雨径流相关法和扣损法两大类。(3) 汇流分析计算。包括流域坡面汇流和河道汇流。根据设计流域面积的大小，流域汇流计算常采用推理公式法、单位线法以及各种基于流域蓄泄关系的方法。随着计算机的应用，在中国大坝设计洪水计算中流域产、汇流计算也采用流域降雨径流模型。流域降雨径流模型正由集总式降雨径流模型向分布式和基于GIS 的降雨径流模型发展。中国对产汇流理论的突出贡献是赵人俊等提出了新安江模型。313 根据水文气象成因推求设计洪水利用水文气象学的原理和方法，估算出可能最大降水(Probable Maximum Precipition，简称PMP) ，然后经流域产流、汇流计算，转化为可能最大洪水(ProbableMaximum Flood，简称PMF) ，这是推求水利水电工程设计洪水的主要途径之一。中国从20 世纪50 年代末到1960 年初开始开展PMP/PMF 的研究工作、20世纪70 年代末引入到工程设计中。1999 年黄河水利委员会王国安教授级高工编写出版了可能最大暴雨和洪水计算原理与方法专著11，总结出了中国推求PMP/PMF 的方法和步骤。32 设计洪水过程线设计洪水过程线应采用放大典型洪水过程线的方法推求，通常应选择能反映坝址以上流域洪水特性、对工程防洪运用较不利的实测大洪水作为典型。放大典型洪水过程线时，根据工程和流域洪水特性，可采用同频率放大法和同倍比放大法。为大坝防洪安全推求的设计洪水过程线应是入库洪水过程线，它与坝址断面设计洪水过程线是有区别的。入库洪水过程线一般比坝址断面洪水过程线峰型更尖瘦，峰现时间要提前。因此，由坝址断面设计洪水过程线求得的大坝防洪库容一般要小于由入库设计洪水过程线求得的大坝防洪库容。对这个问题，目前已提出来多种处理方法。33 受上游水库调蓄影响的设计洪水计算近年来，在水能资源丰富的河流上逐渐形成干支流多梯级水库群的开发格局，有愈来愈多的水利水电工程在工程设计阶段需考虑上游梯级水库群的调节影响。在进行水库工程本身的防洪安全设计时，如果工程上游有调蓄作用较大的已建或近期即将建设的梯级水库或水库群，则应考虑这些水库的调洪作用对下游设计断面的设计洪水的影响。上游梯级水库的调洪作用改变了下游水库设计断面天然洪水的洪峰流量、时段洪量及洪水过程线形状，从而改变了下游水库设计断面洪水的概率分布。为了推求下游水库设计断面的设计洪水，最直接的方法是将实测洪水流量资料按梯级水库的调洪规则逐年进行模拟调洪，推求出下游水库设计断面的洪水过程线，从中统计出受上游水库调洪影响后下游水库设计断面洪水的特征值系列。但根据受水库调洪影响后的洪水系列进行频率计算遇到了实际困难，一方面，这种系列难以用任何已知的频率曲线线型来适配，以达外延的目的; 另一方面，根据这个系列点绘的经验频率点据也难以用一条光滑的曲线来拟合，其外延趋势是不确定的。特别是有些水库的下泄流量，在某种频率的洪水上下发生突变，经验频率曲线即使外延幅度不大，都可能有很大误差。因此，在实际应用中，都是采用在一定概化条件下的近似方法，主要有地区组成法、频率组合法和随机模拟法。(1) 地区组成法是在设计水库断面某一指定防洪标准情况下，通过拟定洪水地区组成来确定各分区设计洪水过程线。根据梯级水库调洪原则进行上游梯级水库调洪计算，求得各种频率上游梯级水库的下泄流量过程线，再按设计拟定的洪水地区组成方式，经与区间洪水过程组合后，得到设计水库受上游梯级水库调蓄影响的设计洪水过程线，统计其特征值作为设计水库的设计洪水成果。该方法概念清晰，计算简便，较适用于工程设计。缺点是各分区洪水过程具有随机性，是千变万化的，拟定的洪水地区组成方式难以也不可能包括全部遭遇组合，存在局限性。(2) 频率组合法可以考虑洪水的所有地区组成及其相应的发生概率，能较好地反映水库对不同频率洪水的调洪效应，而且该法比较直观，不必对水库的调洪规则进行简化，适用于各种条件，特别是水库调洪规则比较复杂及梯级水库采用联合防洪调度的情况。其缺点是对资料条件要求高，另外，随着梯级水库数量的增加，计算工作量呈幂指数增加。(3) 随机模拟法利用随机生成足够长系列的多站同步洪水过程线直接做调洪计算，得出水库下游断面洪水特征值的概率分布。它不必简化调洪函数，也不必处理复杂的洪水组合遭遇问题。同时，它把洪水特征值(峰、量) 与过程线合并起来处理，减少了一些处理环节，使问题变得单纯，这是它的优点。它的精度主要取决于所建立的模型是否合理，是否能反映设计流域洪水的客观规律。其缺点是洪水过程线的生成是利用已有的洪水资料信息，将来各分区洪水如何变化是未知的，通过随机模拟得到的洪水过程线没有增加未来洪水变化的信息量，仅仅是对过去发生的洪水过程特征的一种简单再现，尚不足以指导工程设计。综合上述分析，地区组成法虽存在一定的局限性，但在工程设计中已获得广泛应用。并且常选择对工程防洪安全不利的组合，具有相当的安全性。4 设计洪水评估与确定41 设计洪水评估在洪水频率分析计算中，不可避免地会存在各种误差(如系列代表性差，计算有误、适线不当等) ，以及各种不确定因素(如概率分布、参数估计方法、设计人员的工程经验及风险偏好等) 。因此，为提高大坝设计洪水成果的精度，对设计洪水计算成果要进行评估。根据中国的经验，在洪水频率计算中，除了必须尽可能地应用历史洪水和古洪水资料外，实测或插补资料的精度、系列代表性和统计参数的合理性分析也是十分重要的。中国大坝设计洪水评估是通过洪水资料评估和成果合理性分析来实现的。(1) 洪水资料评估: 主要评估历史洪水及其重现期、实测或插补资料的精度以及系列代表性。(2) 合理性分析: 洪水统计参数一般具有一定的水文意义，如均值是衡量流域洪水量级的特征值，CV是表征流域洪水年际变化情况的特征值，CS是反映流域中大小洪水出现概率的特征值。由于洪水具有地区性特点，其特征值主要受到气候和地理条件的支配，通常可表示为地理经、纬度的函数，因此可在地图上画出洪水特征值的等值线图。利用该等值线图所显示的地理规律可对位于这一地区的某一领域的洪水统计参数进行合理分析，或进行必要的修正。叶永毅12等早在1950 年代就倡导这一做法，并称之为统计参数的地区协调。此外，河流上、下游同一洪水统计参数及不同时段洪量统计参数之间也存在一定关系。中国学者结合实际工作分析探讨了这些关系，并用于洪水统计参数的合理性分析。42 设计洪水确定421 中国大坝设计洪水确定的原则洪水由于受自然和非自然因素变化的影响，其发生具有随机性，人们对其变化规律的认识还处在半经验、半理论的较低水平，再加上洪水资料的缺乏，设计洪水的分析计算主要是在对雨洪资料统计规律的初步认识的基础上进行的，往往仅根据短短的30 50 年的资料去推求千年或万年一遇的设计洪水，谈何容易? 其间的不确定性可想而知。实际上，地球万物随时随地都在变化，真正意义上的多少年一遇的设计洪水本来就没有真值，所估算的设计洪水成果仅仅是对想象中的“真值”的一种近似。随着雨洪资料的增加，设计洪水成果估算值是变化的，再加上设计人员的经验以及采用的方法不同，这种不确定性有可能更大。中国水文工程师在确定大坝设计洪水时所依据的原则是: 在现有雨洪资料的基础上，依据已发布的规程规范，采用多种分析计算方法进行水利水电工程的设计洪水计算，并对成果进行合理性分析，综合确定所采用的设计洪水成果，尽可能使其成果的不确定性降到最小，把握好经济与安全的尺度。422 大坝防洪标准的水文安全度大坝防洪标准是指水库大坝保证自身防洪安全所必须达到防御洪水的标准，反映水库大坝自身抵御洪水的能力。世界上没有绝对安全的大坝，大坝均存在失事的风险，差别仅仅是失事的风险大小而已。传统的大坝防洪安全分析认为漫坝风险主要来自超标洪水。大坝在整个运行期间抗御洪水的安全度取决于设计洪水重现期T(年) 和设计使用年限N，中国现行大坝防洪标准的水文安全度为:（11）423 安全修正值由于种种原因，由频率计算求得的符合某一防洪安全设计标准P 的设计洪水XP是带有误差的，金光炎13研究了采用矩法估计连序系列的统计参数，计算XP的抽样误差，并导出了下列计算的XP抽样误差的公式:（12）式中: XP为XP的抽样误差; X为均值; CV为离均系数; n 为样本容量; B 为偏差系数CS和频率P 的函数。谭维炎等曾采用离差绝对值和最小的适线准则，通过统计试验求得了该函数的计算图表。中国学者将XP作为安全修正值加到所求得的XP上，以策大坝防洪安全，但这种做法显然是存在一定缺陷的。应通过原始资料的精度、系列的代表性、历史洪水调查考证程度、古洪水研究成果精度以及统计参数和设计值的合理性分析后，来作定性判断。当发现有偏小可能，为安全计，应在校核标准洪水设计值上再加安全修正值。安全修正值的数据，可根据综合分析成果偏小的可能幅度并参考均方误差计算结果来确定。中国设计洪水计算规范规定: “对大型工程或重要的中型工程，用频率分析法计算的校核标准设计洪水，应计算抽样误差。经综合分析检查后，如成果有偏小的可能，应加安全修正值，一般不超过计算值的20%。”424 10 000 年一遇洪水与PMF根据GB50201-94防洪标准、SL 252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准和DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准的规定，