第八章 由流量资料推求设计洪水(HXJ)

1、1工程水文与水利计算工程水文与水利计算主讲教师：洪晓江主讲教师：洪晓江 TelTel：1 152834599665283459966 E-mail E-mail：2 2第八章由流量资料推求设计洪水1.概述概述2.洪水资料的分析处理洪水资料的分析处理3.设计洪峰流量及洪量的推求设计洪峰流量及洪量的推求4.设计洪水过程线的拟定设计洪水过程线的拟定5.分期设计洪水与施工设计洪水分期设计洪水与施工设计洪水本章主要内本章主要内容容3 一、概述一、概述1.问题的提出问题的提出为了水库自身安全和下游防护区的安全，必须设为了水库自身安全和下游防护区的安全，必须设置一定的库容拦蓄洪水。置一定的库容拦蓄洪水。 设

2、计洪水设计洪水拦洪库容拦洪库容设计洪水位；设计洪水位； 校核洪水校核洪水调洪库容调洪库容校核洪水位校核洪水位; ; 水库泄洪水库泄洪泄洪建筑物泄洪建筑物第八章 由流量资料推求设计洪水4一、概述一、概述2. 洪水设计标准洪水设计标准 水库防洪设计的依据。水库防洪设计的依据。 两类水库防洪问题：两类水库防洪问题： (1) 水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大Qt 情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要的坝顶高程等工程规模数据。的坝顶高程等工程规模数据。 水工建筑物防洪标准水工建筑物防洪标准 第八章 由

3、流量资料推求设计洪水5(2) 下游地区防洪问题，一般是水库下游河道下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不超过某一流量值。要求水库下泄流量不超过某一流量值。 防洪区的防洪安全标准防洪区的防洪安全标准 设计时根据建筑物级别和所在区域选定不同设计时根据建筑物级别和所在区域选定不同频率的防洪标准。频率的防洪标准。一、概述一、概述第八章 由流量资料推求设计洪水6一、概述一、概述第八章 由流量资料推求设计洪水设计永久性水工建筑物所采用的标准：设计永久性水工建筑物所采用的标准： 正常运用标准正常运用标准设计洪水设计洪水：确定水库的设计洪水位、：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种

4、标准的洪水来临时，水库枢纽设计泄洪流量等。不超过这种标准的洪水来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。一切工作维持正常状态。 非常运用标准非常运用标准校核洪水校核洪水：确定水库的校核洪水位。：确定水库的校核洪水位。这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。7一、概述一、概述3. 设计洪水的含义设计洪水的含义(1) 设计洪水设计洪水 按照一定的频率标准按照一定的频率标准 p 的设计洪水设计出的工程，的设计洪水设计出的工程，其防洪安全事

5、故的风险率恰好等于指定的设计标准。即其防洪安全事故的风险率恰好等于指定的设计标准。即在未来水库运行过程中，每年发生超过该设计水位或流在未来水库运行过程中，每年发生超过该设计水位或流量值的概率恰好等于量值的概率恰好等于 p 。第八章 由流量资料推求设计洪水8一、概述一、概述(2)设计洪水三要素设计洪水三要素右图中：右图中： T1涨水历时涨水历时 T2退水历时退水历时 T洪水总历时洪水总历时 W一次洪水总量一次洪水总量 Qm洪峰流量洪峰流量 洪水三要素洪水三要素：洪峰、洪量及洪水过程：洪峰、洪量及洪水过程设计洪水：设计洪水：设计洪峰流量、设计洪量、设计洪水过程线设计洪峰流量、设计洪量、设计洪水过程

6、线第八章 由流量资料推求设计洪水QtBCAT1T2TQmW洪水过程洪水过程9一、概述一、概述(3)(3)设计洪水推求方法设计洪水推求方法 由流量资料推求由流量资料推求频率分析适线法频率分析适线法 由暴雨资料推求由暴雨资料推求暴雨频率分析推求设计暴雨暴雨频率分析推求设计暴雨 + + 产汇流计算产汇流计算 由气象资料推求由气象资料推求根据流域的气象条件如温度、湿根据流域的气象条件如温度、湿风速、露点、降水等气象资料风速、露点、降水等气象资料, ,分析和推求可能最大暴雨分析和推求可能最大暴雨, ,然后经流域产汇流计算求出可能最大洪水。然后经流域产汇流计算求出可能最大洪水。第八章 由流量资料推求设计洪

7、水10一、概述一、概述由流量资料推求设计洪水计算的内容：由流量资料推求设计洪水计算的内容： (1) 洪水资料的收集和审查；洪水资料的收集和审查； (2) 根据水利工程的重要性，确定防洪设计标准根据水利工程的重要性，确定防洪设计标准p； (3) 进行洪峰流量进行洪峰流量Qm、各种时段洪量、各种时段洪量Wt (t=1d, 3d, 7d) 的的频率分析计算频率分析计算(注意注意特大值处理特大值处理)，分别求出设计标准，分别求出设计标准P下下的设计洪峰流量的设计洪峰流量Qmp和各种时段设计洪量和各种时段设计洪量Wtp； (4) 推求设计洪水过程线。推求设计洪水过程线。第八章 由流量资料推求设计洪水11

8、二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理1. 洪水样本选取洪水样本选取 目前采用目前采用选样：即从资料中逐年选取一个选样：即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。洪量系列。 固定时段固定时段一般采用一般采用1 1、3 3、5 5 、7 7、1515、3030天。大流域天。大流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域、调洪能力小的工程，可以取得短一些。、调洪能力小的工程，可以取得短一些。洪水资料包括洪水资料包括实测洪水资料实测洪水资料和和调查的历史

9、洪水资料调查的历史洪水资料。第八章 由流量资料推求设计洪水12第八章 由流量资料推求设计洪水二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理13二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理2. 洪水资料的审查和分析洪水资料的审查和分析 “三性三性”审查：审查： 可靠性、一致性、代表性可靠性、一致性、代表性(1) 可靠性审查可靠性审查实测洪水资料实测洪水资料：对测验和整编进行检查，重点放在观测与：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。流量关系等。历史洪水资料历史洪水资料： 一是审查计算的洪峰流量

10、可靠性；二是考一是审查计算的洪峰流量可靠性；二是考证洪水发生年份的准确性。证洪水发生年份的准确性。第八章 由流量资料推求设计洪水14二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理 (2) 一致性审查一致性审查 方法同年径流资料的一致性审查。方法同年径流资料的一致性审查。 如果洪水资料受到了影响，需要将受影响后的资料如果洪水资料受到了影响，需要将受影响后的资料还原到之前天然状态下，以保证抽样的随机性（减少人还原到之前天然状态下，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），并能与历史资料组成一个具有一致性的系为的干扰），并能与历史资料组成一个具有一致性的系列。列。第八章 由流量资料推求设计洪水15二、洪水

11、资料的分析处理二、洪水资料的分析处理 (3) 代表性审查代表性审查 同样可用同样可用参证站长系列对比分析参证站长系列对比分析审查其统计参数。审查其统计参数。 实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于3030年，并有特大洪水加入。年，并有特大洪水加入。 当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要是采用相关分析的方法。是采用相关分析的方法。第八章 由流量资料推求设计洪水16二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处

12、理第八章 由流量资料推求设计洪水3. 历史洪水的调查和考证历史洪水的调查和考证 (1) 什么是特大洪水？什么是特大洪水？ 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。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历史上的一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕迹，只有特大洪水才有，只有特大洪水才有文献记载和洪水痕迹文献记载和洪水痕迹可供查证，所可供查证，所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水。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，也可以发特大洪水可以发生在实测流量期间之内

13、，也可以发生在实测流量期之外生在实测流量期之外, ,前者称前者称资料内特大洪水资料内特大洪水，后者称资，后者称资料外特大洪水料外特大洪水( (历史特大洪水历史特大洪水) )。17二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理第八章 由流量资料推求设计洪水 (2) 洪水调查的意义洪水调查的意义为什么要考虑特大值？为什么要考虑特大值？ 目前我们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差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，显愈大，若用于推求千年一遇、万年一遇的稀遇洪水，显然根据很不足。然根据很不足。 如果能调查到如果能调查到N年（年（Nn）中的特

14、大洪水，就相当于把）中的特大洪水，就相当于把n年资料展延到了年资料展延到了N年，提高了系列的代表性，使计算结年，提高了系列的代表性，使计算结果更合理、准确。果更合理、准确。二、洪水资料的分析处理二、洪水资料的分析处理第八章 由流量资料推求设计洪水 (3) 特大洪水的重现期特大洪水的重现期 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。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。前，一般是根据历史洪水发生的年代

15、来大致推估。 从发生年代至今为最大从发生年代至今为最大 N= N=设计年份设计年份 - - 发生年份发生年份 + 1 + 1 从调查考证的最远年份至今为最大从调查考证的最远年份至今为最大 N= N=设计年份设计年份 - - 文献考证期最远年份文献考证期最远年份 + 1 + 11819 可靠性、一致性、代表性审查可靠性、一致性、代表性审查年最大值法选样年最大值法选样峰、量频率计算峰、量频率计算特大洪水处理特大洪水处理设计洪峰和设计洪量设计洪峰和设计洪量选择典型洪水选择典型洪水同倍比或同频率缩放同倍比或同频率缩放设计洪水过程线设计洪水过程线成果合理性检验成果合理性检验由流量资料推求设计洪水框图由流

16、量资料推求设计洪水框图20三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水1. 连续系列和不连续系列连续系列和不连续系列 所谓所谓“连序连序”与与“不连序不连序”，不是指时间上连续与，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。否，只是说所构成的样本中间有无空位。 21三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水2. 不连续系列的经验频率计算不连续系列的经验频率计算 考虑特大洪水时经验频率的计算基本上是采考虑特大洪水时经验频率的计算基本上是采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率用将特大洪水的经验频率

17、与一般洪水的经验频率分别计算分别计算的方法。的方法。 目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法：验频率的方法：统一样本法统一样本法、独立样本法独立样本法。22设：设：N 历史调查期年数：历史调查期年数：n 实测系列的年数；实测系列的年数；l n 年中的特大洪水项数；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（含年中能够确定排位的特大洪水项数（含 资料内特大洪水资料内特大洪水 l 项）；项）；m 实测系列由大到小排列的序号，实测系列由大到小排列的序号， m=l+1，l+2，.，n；Pm 实测系列第实测系列第m项的经验频率；项的经验

18、频率；PM 特大洪水第特大洪水第M 序号的经验频率，序号的经验频率，M=1,2,.,a三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水 23Nna a项特大洪水项特大洪水M=1,2,.,aM=1,2,.,a实测期内特大洪水，实测期内特大洪水，l项项.TQ(m3/s).实测一般洪水，实测一般洪水，n-l 项项m = l+1, l+2, . , n缺测缺测24(1)(1)统一样本法统一样本法 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列，作为代表总体的一个样本，不连序系列各

19、项可在历史调查期历史调查期N N年内统一排位。年内统一排位。 特大洪水特大洪水的经验频率采用下式的经验频率采用下式: :(1,2, )1MMPMaN( (n-l ) )项实测项实测一般洪水一般洪水的经验频率计算公式为：的经验频率计算公式为：(1)(1,2,)1maamlPPPmlllnnl 三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水25 a项特大洪水项特大洪水M=1,2,.,a=1,2,.,a实测期内特大洪水，实测期内特大洪水，l项项.PQ(m3/s).PmPM实测一般洪水，实测一般洪水，n-l项项m=l+1,l+2,.,n.Pa1-Pa(1)1ma

20、amlPPPnl 1MMPN26（2）独立样本法）独立样本法 把实测一般洪水系列与特大洪水系列分别看作是把实测一般洪水系列与特大洪水系列分别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。特大洪水系列的经验频分别在各个系列中进行排位。特大洪水系列的经验频率计算公式同前率计算公式同前, ,实测系列的经验频率仍按连序系列经实测系列的经验频率仍按连序系列经验频率公式计算：验频率公式计算：(1,2, )1mmPmllnn 三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水27三、设计洪峰流量

21、及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水3. 洪水频率曲线线型洪水频率曲线线型 P-P-型频率曲线型频率曲线4.频率曲线参数估计频率曲线参数估计 经验适线法(目估适线法) (1) 尽量照顾点群的趋势 (2) 曲线通过点群中心 (3) 侧重考虑中上部中上部的大洪水点据 (4) 对特大洪水作具体分析28三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水矩法初步估计参数矩法初步估计参数 111anjiji lNaxxxNnl 2211111anvjiji lNaCxxxxNnlx 3 40.52.5 3.50.51.02 31.0vv

22、svvvvCCCCCCCniixnx1121()11niivxxCnx29三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水5. 推求设计洪峰、洪量推求设计洪峰、洪量例例8.3.5(1)在频率格纸上点绘经验点据；在频率格纸上点绘经验点据；(2)选定频率分布线型（一般选用选定频率分布线型（一般选用P-型）；型）；(3)参数估计参数估计 x、Cv，Cs=23 Cv ；(4)根据根据 x、Cv、Cs ，查附表，查附表1，计算，计算xp值，以值，以xp为纵坐标，为纵坐标，p为横坐标，即可得到理论频率曲线；为横坐标，即可得到理论频率曲线；(5)根据理论频率曲线与经验点

23、据的配合情况，从中选择一根据理论频率曲线与经验点据的配合情况，从中选择一条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线；条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线；(6)求指定频率的水文变量设计值。求指定频率的水文变量设计值。30三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水6. 设计成果的合理性分析设计成果的合理性分析 (1) (1) 检查洪峰、各时段洪量的统计参数与历时之间的关检查洪峰、各时段洪量的统计参数与历时之间的关系。随历时增长，均值增大，系。随历时增长，均值增大，CvCv、CsCs一般减小。一般减小。不能交不能交叉叉。PQ W7d5d3d31三、设计洪峰

24、流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水 (2) (2) 根据上下游、干支流及邻近地区各河流洪水频率分根据上下游、干支流及邻近地区各河流洪水频率分析成果进行比较。从上游到下游，均值增大析成果进行比较。从上游到下游，均值增大PW3d3d（下游站、干流站）（下游站、干流站）3d3d（上游站、支流站（上游站、支流站）32三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水 (3) (3) 与暴雨频率分析结果进行比较与暴雨频率分析结果进行比较 一般洪水径流深应小于相应天数的暴雨深，而洪水一般洪水径流深应小于相应天数的暴雨深，而洪水的的

25、Cv值大于相应暴雨量的值大于相应暴雨量的Cv值值( (考虑到历史特大洪水资料考虑到历史特大洪水资料) )。33三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水7. 设计洪水的抽样误差设计洪水的抽样误差 频率计算是用有限样本估算总体的参数频率计算是用有限样本估算总体的参数,必然存在误差。必然存在误差。 设计洪水设计洪水xp的均方误近似公式为：的均方误近似公式为： 式中，式中，B为为Cs与与P的函数，见的函数，见 B 值诺莫图值诺莫图8-4。BnCxvxp34三、设计洪峰流量及洪量的推求三、设计洪峰流量及洪量的推求第八章 由流量资料推求设计洪水7. 设计洪水的

26、抽样误差设计洪水的抽样误差 在实际工作中，对大型或重要的中型工程，应计算校核在实际工作中，对大型或重要的中型工程，应计算校核洪水的抽样误差。如果成果偏小，应加安全修正洪水的抽样误差。如果成果偏小，应加安全修正xP： 一般不超过计算校核值的一般不超过计算校核值的20%。 校核洪水采用成果校核洪水采用成果： xp+xPpPxx35四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水目的目的：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模尺寸等调洪演算，以确定防洪建筑物的规模尺寸等定义定义：设计洪水过程线是指具有某一频率标准的洪水过设计洪水过程线是指具有某一频率标准的洪水过程线。程线。方

27、法方法：类似推求设计年径流的年内分配，从实测资料中类似推求设计年径流的年内分配，从实测资料中选取选取典型洪水过程线典型洪水过程线，按设计洪峰、洪量放大，即得设计，按设计洪峰、洪量放大，即得设计洪水过程线。洪水过程线。 36四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水1. 典型洪水过程线的选取典型洪水过程线的选取 原则：原则： 1) 1) 峰高量大，接近设计条件下的稀遇洪水；峰高量大，接近设计条件下的稀遇洪水； 2) 2) 代表性代表性( (季节、洪峰次数、峰量关系季节、洪峰次数、峰量关系) )； 3) 3) 对工程防洪不利对工程防洪不利( (峰型集中、主峰靠后

28、、与下游洪峰型集中、主峰靠后、与下游洪水遭遇水遭遇) )。 37四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水1. 典型洪水过程线的选取典型洪水过程线的选取 若符合条件的洪水过程可能不止一条，也可以选择若符合条件的洪水过程可能不止一条，也可以选择几个典型过程，分别推求设计洪水过程线，供调洪计算几个典型过程，分别推求设计洪水过程线，供调洪计算时分析比较。时分析比较。 38四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水2. 放大方法放大方法 (1)(1)同倍比放大法同倍比放大法 按洪峰控制的放大倍比：按洪峰控制的放大倍比： 按洪量控制

29、的放大倍比：按洪量控制的放大倍比：mpmdQkQkpkdWkW39四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水特点：特点：用同一放大倍比放大典型过程。用同一放大倍比放大典型过程。注意：注意：(1) (1) 用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个起主用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个起主要作用；要作用； (2) (2) 设计洪水过程线的峰或量偏离设计值。设计洪水过程线的峰或量偏离设计值。“以峰以峰控制控制”，则洪峰等于设计值，洪量不一定等于设计值；，则洪峰等于设计值，洪量不一定等于设计值；“以量控制以量控制”，则时段洪量等于设计值，而洪峰不一定，则时段洪量等于设

30、计值，而洪峰不一定等于设计值。等于设计值。40四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水 (2)(2)同频率放大（峰量同频率放大法）同频率放大（峰量同频率放大法） 洪峰放大倍比：洪峰放大倍比： 最大最大1 1天洪量放大倍比：天洪量放大倍比： 最大最大3 3天洪量除最大天洪量除最大1 1天以外，其余两天的放大倍比：天以外，其余两天的放大倍比： mpQmdQkQ111pdWkW313 131ppddWWkWW41特点：特点：放大后的过程线，其洪峰流量和各时段的洪量都放大后的过程线，其洪峰流量和各时段的洪量都符合同一设计频率。符合同一设计频率。注意：注意：(1) (1) 时段划分，不宜过多，一般以时段划分，不宜过多，一般以3 3段或段或4 4段为宜；段为宜； (2) (2) 对于放大后过程线的不连续现象，可徒手修对于放大后过程线的不连续现象，可徒手修匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。四、设计洪水过程线的拟定四、设计洪水过程线的拟定第八章 由流量资料推求设计洪水42 n三、同倍比法与同频率法的异同点三、同倍比法与同频率法的异同点 1 1、不同、不同 1)1)概念不同概念不同 2)2)适