由流量资料推求设计洪水.ppt

第四章由流量资料推求设计洪水第一节概述一 洪水当流域内下了一场暴雨或者冰雪融化时 大量径流汇入河中 导致流量激增 水位上涨 涨到峰值之后 流量减少 水位下落 这种现象 称为洪水 1 洪水三要素洪水过程线 洪峰 洪量 洪峰Qm m3 s 为洪水过程线的最大流量 洪水总量W m3 为洪水的径流总量 从起涨点A上涨 到达峰顶B后流量逐渐减小 到达C点退水结束 流量过程线ABC下的面积就是洪水总量W 洪水过程线 洪水从A到B点的时距t1为涨水历时 从B到C点的时距t2为退水历时 一般情况下 t2 t1 T t1 t2 称为洪水历时 二 设计洪水设计洪水 符合设计频率并用于工程设计的一次洪水 1 设计洪水的意义设计洪水计算是通过对暴雨 洪水等资料的分析 寻求它们的规律 从而对未来长时期内的洪水情势作出切实可靠的预估 推求出在设计地点将来可能出现的符合设计标准的洪水 为取水工程和防洪工程的规划设计提供必要的水文依据 设计洪水包括两方面的含义 一是按照何种标准作为计算依据 二是依据这种标准如何确定洪水数值 2 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 国际上尚无统一的设计标准 水利部于1994年制订了GB50201 94 防洪标准 作为强制性国家标准 自1995年1月1日起施行 三 设计洪水的基本途径 计算方法和计算内容1 基本途径 1 历史最大洪水加乘法以历史上发生过的最大洪水再加一个乘数作为设计洪水 此法有二个缺点 没有考虑未来洪水超过历史最大洪水的可能性 使人产生不安全感 对大小不同 重要性不同的工程采用一个标准 显然不合理 频率计算法以符合某一频率 设计标准 的洪水作为设计洪水 如百年一遇 此法把洪水作为随机事件 根据概率理论由已发生的洪水来推估未来可能发生的符合某一频率标准的洪水作为设计洪水 此法克服了历史加乘法存在的缺点 根据工程的重要性和工程规模选择不同的标准 适用面较宽 在我国水利 电力 公路桥涵 航道 堤防设计中被广泛应用 水文气象法因频率计算缺乏成因概念 如果资料太短 用于推求稀遇洪水根据就很不足 且近年来 我国一再出现超标准的特大洪水 设计标准一再提高 水文气象法从物理成因入手 根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下 可能发生的最大洪水作为设计洪水 2 计算方法 由流量资料推求设计洪水 由暴雨资料推求设计洪水 无资料地区的设计洪水 3 计算内容 设计洪峰 设计洪量 设计洪水过程线 第二节设计洪峰流量及设计洪量的推求 一 资料审查1 可靠性实测洪水资料 对测验和整编进行检查 重点放在观测与整编质量较差的年份 包括水位观测 流量测验 水位流量关系等 而且洪水系列中各项洪水相互独立 且服从同一分布等 历史洪水资料 一是调查计算的洪峰流量可靠性 二是审查洪水发生的年份的准确性 2 一致性所谓洪水资料的一致性 就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同 如果发生了较大的变化 需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上 以保证抽样的随机性 减少人为的干扰 和能与历史资料组成一个具有一致性的系列 3 代表性当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时 则认为具有代表性 否则 则认为缺乏代表性 实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于20 30年 并能包括大 中 小等各种洪水年份 并有特大洪水加入 二 洪水资料选择河流上一年内要发生多次洪水 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 年最大值法年最大值选样原则 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 固定时段一般采用1 3 5 7 15 30天 同一年内所选取的各种洪水特征值可以在同一场洪水中取 也可以在不同场洪水中选取 只需遵循 最大 的原则即可 T 1天 T 5天 T 3天 t d Q m3 s Qm W1 W5 W3 三 洪水资料的插补和展延1 上下游或邻近流域站资料的移用若设计断面的上游或下游有较长期记录的参证站 设计站与参证站流域面积相差不超过3 且区间无分洪 滞洪设施时 可考虑将上游或下游参证站的洪峰数值直接移用到设计站 如果两站流域面积相差不超过15 且流域自然地理条件比较一致 流域内暴雨分布比较均匀 可按下式修正移用到设计站 Qm F F nQm 式中 Qm Qm 设计站 参证站洪峰流量 m3 s F F 设计站 参证站流域面积 km2 n 指数 对于大中型河流 n 0 5 0 7 对于F 100km2的小流域 n 0 7 也可根据实测洪水资料分析确定 当设计断面的上游或下游不远处均有观测资料 可认为洪峰随流域面积的增长呈直线变化 便可按流域面积进行内插 2 利用洪峰 洪量关系插补和展延利用本站或邻站 上下游站或邻近流域站 同次洪水的洪峰和洪量的相关关系 或洪峰流量相关关系进行插补和展延 3 利用本流域暴雨径流关系插补和展延径流系列 洪水峰量频率计算成果的可靠程度是与所用资料的代表性密切相关的 而资料的代表性又往往受资料系列长度的制约 我国目前大多数站的流量资料一般都不长 约50年左右 根据这样短的系列推求百年一遇以上的稀遇洪水 难免会有很大的误差 而且成果也往往不稳定 显然 解决这一问题需从多方面努力 其中通过历史洪水的调查 获得历史上一些大洪水 特大洪水的信息 加入样本 是非常有效的措施 四 特大洪水的处理1 概述 1 什么是特大洪水 特大洪水是指实测系列和调查到的历史洪水中 比一般洪水大得多的稀遇洪水 历史上的一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕迹 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 特大洪水可以发生在实测流量期间之内 也可以发生在实测流量期之外 前者称资料内特大洪水 后者称资料外特大洪水 历史特大洪水 历史调查期 实测期 QN QN 资料内特大洪水 资料外特大洪水 历史特大洪水 一般时 QN可以考虑作为特大洪水处理 历史调查期 实测期 2 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 N n 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 使计算结果更合理 准确 稳定 例 河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算 1955年设计 资料n 18年 Q0 1 12600m3 s 1956年发生特大洪水Q 13100m3 s 直接加入资料系列 n 19 未做特大洪水处理 Q0 1 25900m3 s 将1956年洪水做特大洪水处理 但不加历史特大洪水 Q0 1 19700m3 s 再加入历史特大洪水 1794 1853 1917 1939 Q0 1 22600m3 s 1963年又发生了一次特大洪水Q 12000m3 s 加入并做特大洪水处理 Q0 1 23300m3 s 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 2 考虑特大洪水时经验频率的估算加入特大洪水后 资料系列的特征 1 连序系列和不连序系列 缺测 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 a 连续系列 b 不连续系列 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 所以特大洪水加入系列后 样本成为不连序系列 其经验频率和统计参数的计算与连序系列不同 这样就要研究有特大洪水时的经验频率和统计参数的计算方法 称为特大洪水处理 特大洪水处理的关键 特大洪水大小 重现期的确定 经验频率的计算 实测特大洪水 通过资料观测得到 历史特大洪水 通过洪水痕迹 查水位流量关系获得 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 例如某站1940 1982年有实测洪水资料 其中1963年洪水最大 1940年次大 另调查到自1903年以来 为首的三次大洪水的排位为1921年 1963年 1903年 且在此80年间不会漏掉比1903年更大的洪水 另通过文献考证 1903年以前还有三次大于1921年的洪水 其排位为1867年 1852年 1832年 但小于1921年的洪水 则无法查清 该站的洪峰流量即为不连序系列 2 特大洪水重现期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 从发生年代至今为最大 N 设计年份 调查期发生年份 1 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 例 1992年在长江重庆 宜昌河段进行洪水调查 了解到同治九年 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 N n 1992 1870 Qm 110000m3 s 若此洪水为1870年以来最大 则N 1992 1870 1 123 年 事实上 该次大洪水平均130年就发生一次的可能性并不大 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年发生过一次大洪水 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 N n 1992 1870 Qm 110000m3 s 1153 说明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 计算精度亦愈差 一般地 以明 清两代六百年为宜 3 经验频率的计算连序系列中各项经验频率的计算方法 已在前面论述 不予重复 不连序系列的经验频率 有以下两种估算方法 1 独立样本法2 统一样本法 设 N 历史调查期年数 n 实测系列的年数 l n年中的特大洪水项数 a N年中能够确定排位的特大洪水项数 含资料内特大洪水l项 m 实测系列在n中由大到小排列的序号 m l 1 l 2 n Pm 实测系列第m项的经验频率 PM 特大洪水第M序号的经验频率 M 1 2 a N n a项特大洪水M 1 2 a 实测期内特大洪水 l项 T Q m3 s 实测一般洪水 n l项m l 1 l 2 n 缺测 独立样本法把实测系列与特大值系列均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 特大洪水系列的经验频率计算公式为 特点 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 统一样本法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 特大洪水经验频率的计算同独立样本法 实测系列中其余的 n l 项 则均匀分布在1 PMa频率范围内 即 N n a项特大洪水M 1 2 a 实测期内特大洪水 l项 T Q m3 s 实测一般洪水 n l项m l 1 l 2 n 缺测 PM PMa Pm 比较 上述两种方法 我国目前都在使用 一般说 独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立 这在理论上有些不合理 但比较简单 在特大洪水排位可能有错漏时 因不互相影响 这方面讲则是比较合适的 当特大洪水排位比较准确时 理论上说 用统一样本法更好一些 4 实例分析某站有1930 1972年n 43年实测流量资料 实测期外 调查1903 1921年两个历史洪水 1903年 1972年N 70年中 未漏掉Q Q1903的洪水 且按大小排位 首三项洪水为Q1949 Q1921 Q1903 试求各项洪水的经验频率 解 N 70 n 43 l 1 1次实测特大洪水 a 3 3次特大洪水 m 2 3 n 调查期N 70独立样本法统一样本法 五 统计参数的确定在用矩法初估参数时 假设系列中n l年的一般洪水的均值为xn l 均方差为 n l 它们与除去特大洪水后的N a年总的一般洪水系列的均值xN a 均方差 N a相等 即 xj 特大洪水 xi 一般洪水 则可导出 偏态系数Cs 用矩法计算误差较大 参考附近地区资料选定一个Cs Cv值 对于Cv 0 5的地区 用Cs Cv 3 4进行配线 对于0 5 Cv 1 0的地区 用Cs Cv 2 5 3 5进行配线 对于Cv 1 0的地区 用Cs Cv 2 3进行配线 试错适线法的原则 1 尽量照顾点群的趋势 使曲线通过点群中心 2 当经验点据与曲线线型不能全面拟合时 可侧重考虑上中部分的较大洪水点据 3 对调查考证期内为首的几次特大洪水 要作具体分析 一般说来 年代愈久的历史特大洪水加入系列进行配线 对合理选定参数的作用愈大 但这些资料本身的误差可能较大 因此 在适线时不宜机械地通过特大洪水点据 否则使曲线对其他点群偏离过大 但也不宜脱离大洪水点据过远 4 应考虑统计参数在地区上的变化规律 使之能与地区上的变化相协调 根据上述方法计算的参数初估值 用试错适线法求出洪水频率曲线 然后在频率曲线上推求相应于设计频率P的设计洪峰QmP和各统计时段的设计洪量WTP 取CV 0 7 令CS 3CV 查附录B 得不同频率P的KP值 则QP KP Q或查附录A 得不同频率P的 P值 则计算QP PCV 1 Q 求200年一遇的洪峰流量 P 0 5 CV 0 8 CS 3 5CV 2 8查附录B 得KP 4 87 Q0 5 4 87 587 2859m3 s或查附录A 得 P 4 84 代入QP PCV 1 Q 有Q0 5 587 1 0 8 4 84 2859m3 s 六 设计洪水估计值的抽样误差频率计算是用有限样本估算总体的参数 必然存在误差 统计参数的误差与所选的频率曲线线型有关 当总体分布为P 型 对于n年连序序列 用矩法估计参数时 用书45页式2 26 2 33计算误差 SL44 93规定 对大型工程或重要的中型工程 用频率分析计算的校核标准洪水 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 即设计洪水应采用安全保证值xP xP 七 计算成果的合理性检验1 检查洪峰 各时段洪量的统计参数与历时之间的关系 历时增长 均值增大 CV CS一般减小 P QW 7d 5d 3d 各种曲线在使用范围内不应有交叉现象 2 根据上下游 干支流及邻近地区各河流洪水的频率分析成果进行比较 从上游到下游 均值递增 模数递减 P W 3d 下游站 干流站 3d 上游站 支流站 Cv Cs在一般情况下是上游站的较大 下游站的较小 大流域洪峰 洪量的均值大于小流域的 Cv Cs在一般情况下是小流域的较大 大流域的较小 3 与暴雨频率分析成果进行比较 洪水的径流深应小于相应天数的暴雨深 洪水的Cv值应大于相应暴雨量的Cv值 4 将稀遇的设计值与国内河流大洪水记录进行比较 对于千年一遇 万年一遇的洪水 最好与国内外相应面积的大洪水记录进行比较 如低于其下限很多或超过其上限很多 应深入分析其原因 以上所述 可作为成果合理性检查的参考 如发现明显的不合理之处 应分析原因 将成果加以修正 三 设计洪水过程线的推求设计洪水过程线 具有某一设计标准的洪水过程线 但是 洪水过程线的形状千变万化 且洪水每年发生的时间也不相同 是一种随机过程 目前尚无完善的方法直接从洪水过程线的统计规律求出一定频率的过程线 为了适应工程设计要求 目前仍采用放大典型洪水过程线的方法 使其洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计标准的频率值 即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线 放大典型洪水过程线时 根据工程和流域洪水特性 可选用同频率放大法或同倍比放大法 一 典型洪水过程线的选择典型洪水过程线是放大的基础 从实测洪水资料中选择典型时 资料要可靠 同时应考虑下列条件 1 选择峰高量大的洪水过程线 其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况 2 要求洪水过程线具有一定的代表性 即它的发生季节 地区组成 洪峰次数 峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性 3 从水库防洪安全着眼 选择对工程防洪运用较不利的大洪水典型 如峰型比较集中 主峰靠后的洪水过程 这样求得的防洪库容较大 工程偏于安全 4 如水库下游有防洪要求 应考虑与下游洪水遭遇的不利典型 一般按上述条件初步选取几个典型 分别放大 并经调洪计算 取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型 二 放大方法目前采用的典型放大方法有峰量同频率控制方法 简称同频率放大法 和按峰或量同倍比控制方法 简称同倍比放大法 1 同频率放大法此法要求放大后的设计洪水过程线的峰和不同时段 1天 3天 的洪量均分别等于设计值 具体做法是先由频率计算求出设计的洪峰值QmP和不同时段的设计洪量值W1P W3P W7P 并求典型过程线的洪峰QmD和不同时段的洪量W1D W3D