第六章 由流量资料推求设计洪水

1、第六章由流量资料推求设计洪水,重点,本章主要内容是由流量资料推求规定频率的、用于水库规划及水工建筑设计的流量过程线。资料三性审查、频率分析和过程线放大等基本原理与设计年径流大致相同本章学习重点有二特大洪水处理：不连序样本系列的经验频率和统计参数的计算用同频率放大法推求设计洪水过程线,目录,第一节概述第二节设计洪峰、洪量的计算第三节设计洪水过程线的推求第四节设计洪水其他问题,第一节概述,由于流域内降雨或融雪，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

2、水称为设计洪水,一、设计洪水,1.设计洪水概念,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,2.防洪措施(洪水是一种自然灾害),3.水库的防洪作用,削减洪峰：qmTm,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现在的10年一遇提高到100年一遇，保证了荆江的行洪安全。,第一节概述,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

3、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除此之外，还有水库下游防洪对象的防洪标准。当这种标准的洪水来临时，通过水库的调洪作用，控制下泄流量，使下游防洪控制点的洪水不超过那里的河道安全泄流量,二、水工建筑物的等级和防洪标准,第一节概述,第一节概述,1.设计洪水的类型,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,二、水工建筑物的等级和防洪标准,第一节概述,二、水工建筑物的等级和防洪标准,2.水工建筑物的洪水设计标准,在工程设计中,设计标准由国家制定,以设计规范给出。规划中按工程的种类、大小和重要性,将水工建筑物划分为若干等级,按

4、不同等级给出相应的设计标准对永久性建筑物,采用二级标准: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,第一节概述,二、水工建筑物的等级和防洪标准,表6.1水利水电工程分等指标,第一节概述,二、水工建筑物的等级和防洪标准,表6.2永久性水工建筑物级别,第一节概述,二、水工建筑物的等级和防洪标准,表6.3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）,第一节概述,二、水工

5、建筑物的等级和防洪标准,表6.4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）,第一节概述,二、水工建筑物的等级和防洪标准,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.下游防护对象的防洪标准,表6.5下游防护对象的防洪标准,第一节概述,洪水过程线可以概括为洪峰、洪量和洪水历时三个要素,三、洪水三要素,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

6、量，组成洪峰流量和洪量系列年最大值法:每年只选一个最大洪峰流量及某一历时的最大洪量年最大值法,方法简单,操作容易,样本独立性好洪峰选样:年最大值法洪量选样:固定时段选取年最大值法固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天,一、样本选取,第二节设计洪峰、洪量的计算,一、样本选取,第二节设计洪峰、洪量的计算,年最大洪峰流量可以从水文年鉴上直接查得，而年最大各历时洪量则要根据洪水水文要素摘录表的数据用梯形面积法计算,二、样本选取,第二节设计洪峰、洪量的计算,年最大洪峰流量可以从水文年鉴上直接查得，而年最大各历时洪量则要根据洪水水文要素摘录表的数据用梯形面积法计算,第二节设计洪峰、洪量的计算,可靠性

7、：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计洪水,二、资料审查,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

8、确定其量值大小及其重现期者。历史上的一般洪水是没有文字记载，没有留下洪水痕迹，只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,三、特大洪水的处理,第二节设计洪峰、洪量的计算,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(Nn)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,使计算成果更加合理、准确。等于在频率曲线的上端增加了一个控制点,第二节设计洪峰、洪量的计算,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，

9、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？,三、特大洪水的处理,第二节设计洪峰、洪量的计算,1.特大洪水序列,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Nn年内各年的

10、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,三、特大洪水的处理,第二节设计洪峰、洪量的计算,历史特大洪水：通过洪水痕迹，查水位流量关系获得；实测特大洪水：通过资料观测得到特大洪水确定以后，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,第二节设计洪峰、洪

11、量的计算,1.特大洪水序列,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（如图9.3.4）,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

12、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),第二节设计洪峰、洪量的计算,确定特大洪水重现期实例,第二节设计洪峰、洪量的计算,2.特大洪水的处理方法,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,三、特大洪水的处理,第二节设计洪峰、洪量的计算,独立样本法,已知条件：调查考证期N,实测期,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计算公

13、式:实测系列的经验频率仍按连序系列经验频率公式计算,第二节设计洪峰、洪量的计算,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,特点,独立样本法,第二节设计洪峰、洪量的计算,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年内统一排位计算公式特大洪水经验频率的计算同独立样本法,第二节设计洪峰、洪量的计算,调查考证期N,实测期,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

14、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,统一样本法,特点,适用于特大洪水的排位无遗漏,比较,第二节设计洪峰、洪量的计算,四、频率曲线线型选择,特大洪水频率曲线线型仍采用PIII型曲线,第二节设计洪峰、洪量的计算,1.矩法,在用矩法初估参数时，对于不连序系列，假定n-l年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的N-a年系列的均值和均方差相等,五、统计参数的确定,第二节设计洪峰、洪量的计算,2.目估适线适线法,原则,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

15、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。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,第二节设计洪峰、洪量的计算,频率计算中，统计参数的抽样误差与所选的频率线型有关，当总体分布为皮尔逊型，根据n年连序系列，并用矩法估计参数时，样本参数的均方误计算公式为,六、设计洪水估计值的抽样误差,第二节设计洪峰、洪量的计算,1.成果误差来源

16、,资料误差计算误差计算方法不完善,2.方法,(1)根据本站频率计算成果，检查洪峰、各时段洪量的统计参数与历时之间关系,随着历时的增加，洪量的均值也逐渐增大：W7W5W3Cv、Cs在一般情况下随历时的增长而减小:CV7CV5CV3各种曲线在使用范围内不应有交叉现象,七、计算结果的合理性检查,第二节设计洪峰、洪量的计算,(2)根据上下游站、干支流站及邻近地区各河流洪水的频率分析成果进行比较,洪峰、洪量的均值应自上游向下游递增，其模数则由上游向下游递减:W下游W中游W上游；Cv下游Cv中游Cv上游Cv、Cs在一般情况下是上游站的较大，下游站的较小下游站、干流站的频率曲线应高于上游站和支流站大流域洪峰

17、、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,第二节设计洪峰、洪量的计算,洪水的径流深应小于相应天数的暴雨深而洪水的Cv值应大于相应暴雨量的Cv值。,(3)与暴雨频率分析成果进行比较,第二节设计洪峰、洪量的计算,第三节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,洪水过程线的形状干变万化，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

18、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,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

19、设计洪水过程线的典型,一、典型洪水过程线的选择,第三节设计洪水过程线的推求,1.同倍比放大法,此法是按洪峰或洪量同一个倍比放大典型洪水过程线的各纵坐标值，从而求得设计洪水过程线。因此，此法的关键在于确定以谁为主的放大倍比值,如果以洪峰控制，其放大倍比为,如果以量控制，其放大倍比为,同倍比放大,方法简单,计算工作量小,但在一般情况下，KQ和Kw不会完全相等，所以按峰放大的洪量不一定等于设计洪量，按量放大后的洪峰不一定等于设计洪峰,二、放大方法,第三节设计洪水过程线的推求,2.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、W7D、，然后按洪峰、最大1天洪量、最大3天洪量、的顺序，采用以下不同倍比值分别将典型过程进行放大,