工程水文及水利计算-第9讲

工程水文及水利计算,门宝辉可再生能源学院,提纲,第一章绪论第二章水循环及径流形成第三章水文资料的观测、收集与处理第四章水文统计基本知识第五章设计年径流及径流随机模拟（分3讲）第六章由流量资料推求洪水（分3讲）第七章流域产、汇流计算（分4讲）第八章由暴雨资料推求设计洪水（分3讲）第九章水文预报第十章水库兴利调节计算（分2讲）第十一章水电站的水能计算（分2讲）第十二章水库防洪计算（分2讲）,第六章目录,第六章由流量资料推求设计洪水6-1概述6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求6-3设计洪水过程线的推求6-4分期设计洪水6-5入库设计洪水6-6设计洪水的地区组成,6-1概述,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。,洪水三个要素：洪峰、洪量和洪水历时。,1、设计洪水的定义,防洪措施(洪水是一种自然灾害)以蓄为主：水土保持、水库、分蓄洪区；以排为主：加高堤防、河道整治。,水库的防洪作用：,水库的防洪作用是很明显的，如三峡工程的防洪库容为221.5亿m3，可以使荆江河段防洪标准从原来的10年一遇提高到100年一遇，保证了荆江的行洪安全。,6-1概述,1、设计洪水的定义,在河流上筑坝建库能在防洪方面发挥很大的作用。水工建筑物的设计，必须选择一定标准的洪水作为依据，这个标准称为设计标准。,设计洪水：水利水电工程规划、设计中满足设计标准的洪水。,设计洪水的目的：为确定防洪工程的规模，预测工程未来运行期间可能出现的洪水。,设计洪水三要素：设计洪峰流量、不同时段设计洪量和设计洪水过程线。,6-1概述,1、设计洪水的定义,设计洪水经洪水调节计算后，可确定水库的防洪库容。,6-1概述,1、设计洪水的定义,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GB5020194防洪标准作为强制性国家标准，自1995年1月1日起施行。水利部于2000年又颁布了编号为SL2522000的水利水电工程等级划分及洪水标准。该标准根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性，将水利水电枢纽工程分为五等。,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,水利水电枢纽工程的等别,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,水利水电枢纽工程的水工建筑物，根据所属枢纽工程的等别，作用和重要性分为五级。,水工建筑物的级别,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,设计时根据建筑物级别选定不同频率作为防洪标准。,水利水电工程建筑物防洪标准分为正常运用和非常运用两种。,按正常运用洪水标准算出的洪水称为设计洪水，用它来决定水利水电枢纽工程的设计洪水位。宣泄正常运用洪水时，泄洪设施应保证安全和正常运行。,当河流发生比设计洪水更大的洪水时，选定一个非常运用洪水标准进行计算，算出的洪水称为非常运用洪水或校核洪水。,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准重现期（年）,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准重现期（年）,6-1概述,2、水工建筑物的等级和防洪标准,(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。,基本途径,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。,如葛洲坝枢纽工程，选用1788年洪水Qm=8600m3/s作为设计洪水，选用1870年洪水Qm=110000m3/s作为校核洪水。,6-1概述,3、设计洪水的基本途径、计算方法和计算内容,(2)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,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。,(3)水文气象法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。,6-1概述,3、设计洪水的基本途径、计算方法和计算内容,基本途径,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。,6-1概述,3、设计洪水的基本途径、计算方法和计算内容,计算方法,设计洪水类型：水库本身的设计洪水;水库下游防护对象的设计洪水;分蓄洪区的设计洪水;堤防设计洪水等。,设计洪水的计算内容：设计洪峰；设计洪量；设计洪水过程线。,6-1概述,3、设计洪水的基本途径、计算方法和计算内容,计算内容,1、洪水资料的审查,洪水频率计算一般要经过资料审查、选样、频率计算和成果合理性分析几个步骤。,可靠性：在应用资料之前，首先要对原始水文资料进行审查，洪水资料必须可靠，具有必要的精度，而且洪水系列中各项洪水相互独立，且服从同一分布等。,一致性：洪水形成条件要相同，当使用的洪水资料受人类活动如修建水库、河道整治等的影响有明显变化时，应进行还原计算，使洪水资料换算到天然状态的基础上。,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,代表性：反映在样本系列能否代表总体的统计特性。一般认为，资料年限较长，并能包括大、中、小等各种洪水年份，则代表性较好。,SL4493规定坝址或其上下游具有较长期的实测洪水资料(一般需要30年以上)，并有历史洪水调查和考证资料时，可用频率分析法计算设计洪水。,1、洪水资料的审查,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,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l、3、5、7、15、30天。,2、样本选取,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,若工程所在地点洪水资料较短或代表性不足，满足不了洪水计算的要求时，则应尽可能进行资料的插补延长。,点绘同次洪水相应洪峰或洪量（一年可取一次或几次）的相关图，就可根据参证站的洪水数据，通过相关图推算出设计站的洪水数据。,根据上下游测站的洪水特征相关关系进行插补延长,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,根据上下游测站的洪水特征相关关系进行插补延长,如果设计站的洪水由其上游的几个支流测站的洪水组成，则应将上游干支流测站的同次洪水错开传播时间叠加后，再与下游设计站的洪水点绘相关关系，进行插补延长。,若设计断面的资料很短，甚至完全没有实测资料，则无法建立与参证站的相关关系。,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,如果设计站与参证站相距很近，可考虑直接移用，必要时可作适当的修正。,（1）直接移用：若设计断面上游或下游不远处有较长资料的测站，两者集水面积不超过3%，且中间未进行天然和人为的分洪滞洪时，可以直接移用。,根据上下游测站的洪水特征相关关系进行插补延长,（2）面积修正：若面积相差超过3%，但不大于10%20%，且暴雨分布较均匀时，进行面积修正：,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（3）面积内插：若设计断面的上、下游不远处各有一参证站，并且都有实测资料，一般可假定洪峰及洪量随着集水面积呈线性变化，可以利用面积线性内插：,根据上下游测站的洪水特征相关关系进行插补延长,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,通常根据调查到的历史洪峰或由相关法求得缺测年份的洪峰流量，利用峰量关系可以推求相应的洪水总量。,根据本站峰量关系进行插补延长,利用暴雨径流关系进行插补延长,若流域内有长期暴雨资料时，可根据洪水缺测年份的流域最大暴雨量，通过产流、汇流计算，推求出相应的洪水过程，再在洪水过程中摘取洪峰流量和各时段洪量。简化的办法是建立某一定时段流域平均暴雨量与洪峰流量、时段洪量的相关关系，由暴雨资料插补洪水资料。,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,若有与设计流域自然地理特征相似、暴雨洪水成因一致的邻近流域，如果资料表明该流域同次洪水的各种特征值，与设计流域的洪水特征之间确实存在良好的相关关系，也可用来插补延长。,根据相邻河流测站的洪水特征值进行延长,3、洪水资料的插补延长,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,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。,特大洪水的定义,根据短系列资料作频率计算时，当出现一次新的大洪水以后，设计洪水数值就会发生变动，所得成果很不稳定。如果在频率计算中能够正确利用特大洪水资料，则会提高计算成果的稳定性。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,例：某站有n=18年的洪峰系列，假如第19年又发生了一场非常大的洪水，其频率为1(19+1)=5%，其值远远大于其它洪水。因此，从整个洪水系列来看，我们可能会问第19年发生的洪水，其频率是否是5%？对于这种洪水，我们应该如何确定其频率？,特大洪水的定义,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,特大洪水类型：历史特大洪水、实测特大洪水。,历史特大洪水：通过洪水痕迹，查水位流量关系获得。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,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Nn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。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,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。,特大洪水重现期的确定,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。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,特大洪水重现期的确定,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。,历史特大洪水和实测特大洪水，都要在调查期或文献考证期内进行排位，在排位时不仅要考虑已经确定数值的特大洪水，也要考虑不能定量但能确定其洪水等级的历史洪水，并排出序位。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,确定特大洪水重现期的实例。,经长江重庆宜昌河段洪水调查，清同治9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。此次洪水为1870年以来为最大，1992年进行工程设计，则N=19921870+1=123（年），这么大的洪水平均123年就发生一次，可能性如何，还需作进一步的考证。,【例题61】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,后经调查，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。宋绍兴二十三年为1153年。据实测洪痕，该年忠县洪峰水位为155.6m，宜昌站洪峰水位为58.06m，推算流量为92800m3/s，3d洪量为232.7亿m3。该年洪水小于1870年洪水，故认为自1153年以来1870年洪水为最大，1870年洪水的重现期重新确定为N=19921153+1=840（年）。如前所述，长江葛洲坝枢纽工程，即以接近千年一遇的1870年洪水作为校核洪水。,确定特大洪水重现期的实例。,【例题61】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,特大洪水处理的意义,目前我国所掌握的样本系列不长，抽样误差较大，若用于推求千年一遇、万年一遇的稀遇洪水，根据不足。如果能调查到N年（Nn）中特大洪水，等于在频率曲线的上端增加了一个控制点，提高了系列的代表性，将使计算成果更加合理、可靠。,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,1955年规划河北省滹(hu)沱河黄壁庄水库时，按当时掌握的19191955年期间20年实测洪水资料推求千年一遇设计洪峰流量为Qm=7500m3/s。1956年发生了一次洪峰流量为13100m3/s的特大洪水，显然原设计成果偏小。将1956年特大洪水直接加入实测系列组成21年的样本资料，直接进行频率计算是不合适的。后在滹沱河调查到1794年、1853年、1917年和1939年4次特大洪水，再将1956年洪水和历史调查洪水作为特大洪水值处理，求得千年一遇设计洪峰Qm=22600m3/s，比原设计值大80%。1963年又发生了一次大洪水，洪峰流量为12000m3/s，将其作为特大洪水也加入样本，求得千年一遇设计洪峰流量Qm=23500m3/s。两次计算的洪峰流量只相差4%，设计值已趋于稳定合理。,【例题62】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,连序系列中各项经验频率的计算方法，已在第四章中论述，不予重复。,不连序系列的经验频率，有以下两种估算方法：独立样本法、统一样本法。,洪水经验频率的估算,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,独立样本法,（1）已知条件：,（2）方法：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。,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（3）计算公式：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：,独立样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（4）实例分析：某站有19301972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QQ1903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？,独立样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,独立样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（5）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。适用于历史洪水的排位可能有错漏的情况。,独立样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（1）已知条件：,（2）方法：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。,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（3）计算公式：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(nl)项，则均匀分布在l-P频率范围内，即,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,均匀分布：条件抽样：因为nl项实测洪水的洪峰小于特大洪水Q，所以nl项实测洪水的经验频率大于P。假设：nl项实测洪峰的频率均匀落在N项洪峰的频率范围1P上。,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（4）实例分析：某站有19301972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QQ1903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？,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,（5）特点：适用于特大洪水的排位无遗漏。,统一样本法,洪水经验频率的估算-不连续序列,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,独立样本法比较简单，但是在使用经验频率公式点绘不连序系列时，会出现所谓的“重叠”现象；当调查考证期N年中为首的数项历史洪水确系连序而无错漏，为避免历史洪水的经验频率与实测系列的经验频率的重叠现象，采用统一样本法较为合适。,独立样本法与统一样本法的比较,洪水经验频率的估算,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,独立样本法,统一样本法,独立样本法与统一样本法的比较,洪水经验频率的估算,4、特大洪水的处理,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,样本系列各项的经验频率确定之后，就可以在频率格纸上确定经验频率点据的位置。点绘时，可以不同符号分别表示实测、插补和调查的洪水点据，其为首的若干个点据应标明其发生年份。通过点据中心，可以目估绘制出一条光滑的曲线，称为经验频率曲线。,在SL4493中规定“频率曲线线型一般应采用皮尔逊型。特殊情况，经分析论证后也可采用其他线型”。,5、频率曲线线型选择,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,在用矩法初估参数时，对于不连序系列，假定nl年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的N年系列的均值和均方差相等，即，可以导出参数计算公式：,6、频率曲线参数的估算,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,6、频率曲线参数的估算,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,6、频率曲线参数的估算,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,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CsCv值。,对于Cv0.5的地区，用CsCv34进行配线；,对于0.5Cv1.0的地区，用CsCv=2.53.5进行配线；,对于Cv1.0的地区，用CsCv23进行配线。,6、频率曲线参数的估算,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,适线法应尽量照顾点群的趋势，使曲线通过点群中心，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，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适线，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。,在洪水频率计算中，我国规范统一规定采用适线法。适线法有两种：一种是经验适线法(或称目估适线法)，另一种是优化适线法。,6、频率曲线参数的估算,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,根据上述方法计算的参数初估值，用适线法求出洪水频率曲线，然后在频率曲线上求得相应于设计频率的设计洪峰和各统计时段的设计洪量。,目估适线适线法的原则：（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。,7、推求设计洪峰、洪量,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,某河水文站实测洪峰流量资料共30年见表6-4第（2）栏，历史特大洪水2年见表6-4第（2）栏，历史考证期102年，试用矩法初选参数进行配线，推求该水文站200年一遇的洪峰流量。,解：（1）计算经验频率，并点绘经验频率曲线,【例题63】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,【例题63】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,解：（2）用矩法计算统计参数。,【例题63】,6-2设计洪峰流量及设计洪水总量的推求,解：（3）选配洪水频率曲线。根据统计参数计算成果，取