工程地质与水文第九章

第九章由流量资料推求设计洪水,研究对象本章研究由流量资料推求设计洪水。研究内容1.防洪标准及其选择；2.洪峰、洪量样本系列的选样，资料的三性审查；3.特大洪水的处理，即不连续系列的经验频率和统计参数的计算方法；4.典型洪水的选择及放大方法。研究目的研究由流量资料推求设计洪水，以解决水库、堤防、桥涵等工程设计洪水的计算问题。,本章内容第一节概述第二节设计洪峰及设计洪量推求第三节设计洪水过程线推求第四节设计洪水的其它问题,第一节概述,内容提要1.设计洪水的定义；2.设计洪水的“三要素”；3.水库规模的划分等级及设计洪水标准；4.设计洪水推求的基本途径。学习要求掌握设计洪水的定义、洪水的特征值及正确选择洪水标准。,设计洪水的定义由于流域内降雨或溶雪，大量径流汇入河道，导致流量激增，水位上涨，这种水文现象，称为洪水。在进行水利水电工程设计时，为了建筑物本身的安全和防护区的安全，必须按照某种标准的洪水进行设计，这种作为水工建筑物设计依据的洪水称为设计洪水。,一、设计洪水和设计标准,1基本工程蓄洪滞洪工程：湖泊、库、分滞洪区挡水防潮工程：闸、坝、堤防、防洪墙排水泄洪工程：河道、排水渠、管道、泵站伴水工程：桥梁、码头、沿河建筑,水库,湖泊,滞蓄洪区,堤防,水闸,2设计标准（防洪标准）,工程设计运营期内遭受洪水破坏的概率。用洪水发生的频率或重现期来定义。,(1)水工建筑物的洪水设计标准对永久性建筑物,正常运用情况，即设计标准；非正常运用情况，即校核标准。建筑物的尺寸由设计洪水确定,当这种洪水发生时,建筑物应处于正常运用状态。校核洪水起校核作用,当其来临时,其主要建筑物要确保安全,但工程可处在非常情况下运行,即允许保持较高水位，电站、船闸等正常工作允许遭到破坏。,(2)下游防护对象的防洪标准下游防护对象的防洪标准根据防护对象的重要性选取。因为没有水库的安全，也就谈不上下游防护对象的安全，因此上述水库洪水标准一般都高于防护对象的防洪标准。,3设计洪水,符合设计频率并用于工程设计的一次洪水。,设计洪水三要素一次洪水过程可用3个控制性要素加以描述。设计洪峰流量Qm（m3/s），为设计洪水过程线的最大流量。设计洪水总量W（m3），为设计洪水的径流总量。设计洪水过程线，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，t2t1。T=t1+t2，称为洪水历时。,推求设计洪水的途径按工程性质不同，设计洪水分为：水库设计洪水;下游防护对象的设计洪水;施工设计洪水;堤防设计洪水；桥涵设计洪水等。,按所用资料不同，设计洪水的推求方法分为:由流量资料推求设计洪水;由暴雨资料推求设计洪水。,十三陵水库,潮白河向阳闸,长江荆江大堤,二、设计洪水的计算方法,由流量资料推求设计洪水由雨量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：先求符合一定频率的设计洪峰流量和时段设计洪量,然后通过典型缩放法构成一个完整的设计洪水过程线。由暴雨资料推求设计洪水：假定暴雨与对应的洪水同频率,先推求设计暴雨,经流域产流计算与汇流计算,最后求得设计洪水。由气象资料推求设计洪水：根据天气形势和风速、露点、降水等气象资料,分析和推求可能最大暴雨,然后经流域产流与汇流计算求出可能最大洪水。,复习思考题,一次洪水中，涨水期历时比落水期历时（）A.长B.短C.一样长D.不能肯定设计洪水是指（）A.符合设计标准要求的洪水B.设计断面的最大洪水C.任一频率的洪水D.历史最大洪水,设计洪水三个要素是（）A.设计洪水标准、设计洪峰流量、设计洪水历时B.洪峰流量、洪水总量和洪水过程线C.设计洪峰流量、1天洪量、三天洪量D.设计洪峰流量、设计洪水总量、设计洪水过程线大坝的设计洪水标准比下游防护对象的防洪标准（）。A.高B.低C.一样D.不能肯定选择水库防洪标准是依据（）。A.集水面积的大小B.大坝的高度C.国家规范,内容提要1.洪峰、洪量的选样方法；2.“三性审查”的内涵和方法；3.特大洪水重现期的确定；4.特大洪水的处理方法。学习要求掌握洪水选样、特大洪水处理、三点法配线和洪水同频率放大方法。,第二节设计洪峰和设计洪量计算,由流量资料推求设计洪水框图,1、洪水资料的审查,由流量资料推求设计洪峰流量和设计洪量时要经过选样、资料审查、频率计算和成果合理性分析几个步骤。,（1）资料可靠性的审查与改正（2）资料一致性的审查与还原（3）资料代表性的审查与插补延长,洪水或暴雨资料选样的原则,应满足独立随机选样的要求,并符合防洪设计标准的含义。而每年有多个洪峰、时段洪量、时段雨量,国内外常见的有四种选择方法。,年最大值法一年多次法年超大值法超定量法,2、频率计算中的选样方法,（）年最大值选样法每年只选一个最大的量值,如年最大洪峰流量,年最大一天洪量,年最大三小时连续降雨量等等。这样,若有年实测资料就可以选出个年最大值组成一个年系列,作为频率计算的样本。年最大值法一般适用于设计频率较小的情况,如江河上的水利工程设计。,（2）一年多次选样法一年多次法是每年选出最大个数值,因而年资料可以选出个值组成一个样本。,（3）年超大值法从年资料中选出最大个值组成一个样本系列。,（4）超定量法这一方法首先确定最低选择数值,然后把年资料大于这一选择数值的个值选入,组成一个样本。这一选样方法在我国城市排水设计中应用较为广泛。,3、特大洪水,(1)特大洪水定义比系列中一般洪水大得多的洪水称为特大洪水,并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期者。,历史洪水考证,（2）特大洪水重现期的确定,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-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-调查考证期最远年份+1,实测期、调查期、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大洪水的时期。文献考证期：从具有连续可靠文献记载历史大洪水的时期。,【例6.1】确定特大洪水重现期实例。经长江重庆宜昌河段洪水调查，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。如此洪水为1870年以来为最大,则N=1992-1870+1=123(年)，这么大的洪水平均123年就发生一次,可能性不大。又经调查,忠县东云乡长江岸石壁有两处宋代石刻，记述绍兴二十三年癸酉六月二十六日水泛涨。这是长江干流上发现最早的洪水题刻。据洪痕实测，忠县洪峰水位为155.6米。又据历史洪水调查，宜昌站洪峰水位为58.06米，推算流量为92800m3/s，3天洪量为232.7亿m3。宋绍兴23年即1153年，该次洪水,也小于1870年洪水,可以肯定自1153年以来1870年洪水为最大,故1870年洪水的重现期为：N=1992-1153+1=840(年),A、独立系列法：认为两个样本来自同一总体，把两样本的点据点绘在同一张图上，适线确定总体的分布曲线。B、统一系列法：a个历史大洪水与n个实测一般洪水共同组成一个N年的样本。,4、不连续系列经验频率和统计参数的计算,1）洪水经验频率的估算,特大值频率：,独立系列法一般样本频率：,特大值频率：,统一系列法一般样本频率：,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的，这在理论上有些不合理，但比较简便，在特大洪水排位可能有错漏时，因不相互影响，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。,2）考虑特大洪水时统计参数的确定A、矩法,适线过程中注意点,尽量照顾点群的趋势，使曲线通过点群中心侧重考虑上中部分的较大洪水点据,B、三点法,5、推求设计洪峰和设计洪量,在所采用的洪峰、洪量频率曲线上，用设计频率就可查得相应的设计洪峰和设计洪量。,【算例】某河某站具有19551982年间共26年实测洪峰流量资料，推求1000年、100年、20年一遇洪峰流量。,（1）特大洪水重现期考证调查考证得1890年最大洪峰流量18000m3/s，为18901982年间最大，其重现期N=19821890193年,（2）配线法估计统计参数特大洪峰频率:,实测资料洪峰流量频率（独立系列法）：,3查算设计洪峰流量Q0.1%22800m3/s；Q1%17100m3/s；Q5%13100m3/s,7738m3/s；Cv0.35；Cs1.75,频率配线结果:,6、合理性检查,设计值的统计参数与历时之间的关系：历时越大，洪量均值越大；对于调蓄作用小少的河流，Cv随历时增加而减小。下游及干支流洪水的关系合理性分析：自上游向下游，峰量均值递增，Cv递减。与暴雨频率分析成果比较：洪水的径流一般小于相应天数的暴雨深。各种历时的洪量频率曲线在使用范围内不应交叉,复习思考题,1.在洪水峰、量频率计算中，洪峰流量选样的方法是（）。A.最大值法B.年最大值法C.超定量法D.超均值法2.在洪水峰、量频率计算中，洪量选样的方法是（）。A.固定时段最大值法B.固定时段年最大值法C.固定时段超定量法D.固定时段超均值法3.确定历史洪水重现期的方法是（）。A.根据适线确定B.按暴雨资料确定C.按国家规范确定D.由历史洪水调查考证确定,4.某一历史洪水从发生年份以来为最大，则该特大洪水的重现期为（）。A.N=设计年份-发生年份B.N=发生年份-设计年份+1C.N=设计年份-发生年份+1D.N=设计年份-发生年份-15.对特大洪水进行处理的内容是（）。A.插补展延洪水资料B.代表性分析C.经验频率和统计参数的计算D.选择设计标准,7.资料系列的代表性是指（）。A.是否有特大洪水B.系列是否连续C.能否反映流域特点D.样本的频率分布是否接近总体的概率分布8.三点法配线适用于（）。A.连续系列和不连续系列B.连续系列C.不连续系列D.视系列的长短而定9.对设计站历年水位流量关系曲线对比分析的目的是（）。A.检查洪水的一致性B.检查洪水的可靠性C.检查洪水的代表性D.检查洪水的大小,10.对设计流域自然地理、水利化措施历年变化情况调查研究的目的是（）。A.检查系列的一致性B.检查系列的可靠性C.检查系列的代表性D.检查系列的长短11.对设计流域历史特大洪水调查考证的目的是（）。A.提高系列的一致性B.提高系列的可靠性C.提高系列的代表性D.使洪水系列延长一年12.对设计流域洪水资料长短系列的统计参数相互对比的目的是（）。A.检查系列的一致性B.检查系列的可靠性C.检查系列的代表性D.检查系列的长短,13.对设计站与上下游站平行观测的流量资料对比分析的目的是（）。A.检查洪水的一致性B.检查洪水的可靠性C.检查洪水的代表性D.检查洪水的大小14.在峰、量相关分析中，随洪量统计历时的加长，则（）。A.相关程度愈高B.相关程度愈低C.相关程度不变D.相关程度可能高也可能低,内容提要1.典型洪水的选择方法；2.同倍比放大法和同频率放大法；3.放大后洪水的修匀方法；学习要求掌握典型洪水的选择和放大方法、放大后洪水的修匀方法。,第三节设计洪水过程线推求,1选择典型过程选择典型洪水的原则：（1）洪水峰高量大:洪水特性比较接近设计条件。（2）洪水的特性具有代表性:发生季节、地区组成、洪峰次数、洪水历时、峰量关系、主峰位置代表流域大洪水一般特性。（3）洪量集中、洪峰偏后:洪水过程对工程不利。,1典型洪水过程线的选择,2、典型洪水过程线的放大,同倍比放大法按峰放大(2)按量放大,同倍比法采用按同一倍比对典型洪水过程线的纵标值（流量值）进行缩放来推求设计洪水过程线。缩放倍比:,或,同倍比法保证得出的设计洪峰或洪量符合设计频率。,Qp(t)kQD（t）,按3d洪量放大,按洪峰放大,按1d洪量放大,QP(m3/s),同频率缩放法按不同历时采用不同倍比对典型洪水过程线的纵标值进行缩放，得出的设计洪峰及不同历时设计洪量均符合设计频率。洪峰缩放倍比：洪量缩放倍比：,推求设计洪水过程线Qp(t)k0QD（t）Qp(t)QD（t）t（ti-1，ti）在缩放后流量过程线时段交界面上，由于缩放倍比的差别，流量过程线不连续，需加以修正。修正的原则是：修正后各时段洪量满足设计值。,【算例】已知某水库设计和典型洪峰、洪量资料，采用同频率法推求p1设计洪水过程线。,1推求各时段放大倍比k03530/16202.18k142600/202902.10k31（7240042600）/（3125020290）2.72k73（11760072400）/（5762031250）1.71,2典型洪水过程线按对应倍比缩放,复习思考题,1.用典型洪水同倍比法（按峰的倍比）放大推求设计洪水，则（）。A.峰等于设计洪峰、量等于设计洪量B.峰等于设计洪峰、量不一定等于设计洪量C.峰不一定等于设计洪峰、量等于设计洪量D.峰和量都不等于设计值2.用典型洪水同频率放大推求设计洪水，则（）。A.峰不一定等于设计洪峰、量等于设计洪量B.峰等于设计洪峰、量不一定等于设计洪量C.峰等于设计洪峰、各历时量等于设计洪量D.峰和量都不等于设计值,3.用典型洪水同倍比法（按量的倍比）放大推求设计洪水，则（）。A.峰等于设计洪峰、量等于设计洪量B.峰等于设计洪峰、量不一定等于设计洪量C.峰不一定等于设计洪峰、量等于设计洪量D.峰和量都不等于设计值4.一般水库在由典型洪水放大推求设计洪水时，常采用（）。A.同频率放大法B.同倍比放大法C.可任意选择两种方法之一D.同时用两种方法5.选择典型洪水的原则是“可能”和“不利”，所谓不利是指（）。A.典型洪水洪峰靠前B.典型洪水洪峰居中C.典型洪水洪峰靠后D.典型洪水洪量较大,6.典型洪水同频率放大的次序是（）。A.短历时洪量、长历时洪量、峰B.峰、长历时洪量、短历时洪量C.短历时洪量、峰、长历时洪量D.峰、短历时洪量、长历时洪量7.对放大后的设计洪水进行修匀是依据（）。A.过程线光滑B.过程线与典型洪水相似C.水量平衡D.典型洪水过程线的变化趋势,第四节设计洪水的其它问题,内容提要1.讨论入库设计洪水的有关问题；2.讨论分期设计洪水的有关问题；3.讨论设计洪水地区组成问题。学习要求掌握入库洪水与坝址洪水的异同；掌握分期设计洪水的分期方法；掌握推求设计洪水地区组成的方法。,1、入库设计洪水,定义入库设计洪水是指通过各种途径进入水库的洪水，它由三部分组成：回水末端或干流断面洪水；水库周边断面洪水（区间洪水）；水库库面降水（库面洪水）。,入库洪水与坝址洪水的差异,库区产流条件改变,入库洪量增大;原河槽调蓄能力丧失,入库洪水洪峰增高,峰形更尖瘦;流域汇流时间缩短,峰现时间提前,洪峰增大;入库洪水无实测资料,只能用间接方法推求。,水力及水文特性的变化,建库后水面面积增大,蒸发损失加大,年径流减少,次洪径流增大；水面增大,糙率减小,波速改变；建库后汇流曲线改变,洪峰增高,历时缩短。,入库洪水的计算,合成流量法：即由入库断面洪水、区间洪水和库面洪水同时流量迭加而成。水量平衡法：当水库已经建成运用，为复核设计洪水，由于这时已积累了一定资料，可以利用水库水量平衡关系推求入库洪水。,入库设计洪水的计算方法,推求入库设计洪水的方法有：（1）推求历年最大入库洪水，组成最大入库洪水样本系列，采用频率分析的方法推求一定标准的入库设计洪水。（2）首先推求坝址设计洪水，然后反算成入库设计洪水。（3）推求坝址设计洪水，并选择典型坝址洪水及相应的典型入库洪水。以坝址设计洪水的放大倍比放大典型入库洪水，作为设计入库洪水。,2分期设计洪水,定义分期设计洪水是指一年中某个时期所拟定的设计洪水。因为在水库管理调度运行和施工期防洪中，各分期的洪水成因和洪水大小不同，必须分别计算各时期的设计洪水。,分期划分划定分期洪水时，应对设计流域洪水季节性变化规律进行分析，并结合工程的要求来考虑。一般，可根据设计流域的实测洪水资料，点绘洪水年内分布图，并描绘平顺的外包线。分期一般原则：应按洪水成因和出现季节划定分期，分期一般不短于1个月。考虑到洪水发生的随机性，分期年最大洪水选样时，可跨期选样，跨期一般为5天，最多不超过10天,分期设计洪水的计算划定分期；分期洪水选样，仍采用分期内年最大值法；对各分期洪水样本系列进行频率计算，推求各分期设计洪水过程线，方法同前；成果合理性检查：可将分期洪水的峰量频率曲线和全年最大洪水的峰量频率曲线画在同一张频率格纸上，检查其相互关系是否合理；一般情况下，分期洪水的变化幅度比年最大洪水的变化幅度更大，分期洪水系列的CV应大于年最大洪水的CV。,3、设计洪水的地区组成,为研究流域开发方案，计算水库对下游的防洪作用，以及进行梯级水库或水库群的联合调洪计算等问题，需要分析设计洪水的地区组成。,对流域出口流量影响因素,流域内暴雨分布不均匀流域各区段洪水来量不同干支流来水的组合复杂,分析计算途径,根据实测资料，结合调查资料和历史文献，对流域内洪水地区组成的规律性进行综合分析。现行洪水地区组成的计算常用典型年法和同频率地区组成法。,典型年法,方法：从实测资料中选择有代表性、对防洪不利的大洪水为典型，以设计断面的