工程水文学第九章课件.ppt

第九章 由流量资料推求设计洪水,目 录,第一节 概 述第二节 设计洪峰流量、设计洪量的推求第三节 设计洪水过程线的推求第四节 分期设计洪水（不讲）第五节 入库设计洪水（不讲）第六节 设计洪水的地区组成（不讲）,重 点,主要内容：由流量资料推求规定频率的设计流量过程线学习重点：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,一、问题的提出 在河流上兴建水库，目的在于兴利除害。为了兴利（灌溉、发电等），需要设置一定的兴利库容，调节年、月径流，使之符合人们的要求。 但水库单单有兴利库容是否就行了呢？,第一节 概 述,为水利水库自身安全和下游防护区的安全，还必须设置一定的库容拦蓄洪水 设计洪水拦洪库容设计洪水位 校核洪水调洪库容校核洪水位 水库泄洪泄洪建筑物,第一节 概 述,1、死水位Z死和死库容V死；2、正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴 ；3、防洪限制水位Z防和防洪库容V防；4、设计洪水位Z设和拦洪库容V拦5、校核洪水位Z校与调洪库容V调；6、水库总库容：V总= V死+ V兴 + V调,第一节 概 述,三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，100年一遇洪水位166.9m，设计洪水位（1000年一遇）175m，校核洪水位180.4m，坝顶高程185m。总库容393亿m3（175m以下），兴利库容165m3，防洪库容221.5m3，水库库面面积1084km2。,第一节 概 述,水库防洪设计的依据 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Qt 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。 如何设计调洪库容和泄洪建筑物？ 水工建筑物的设计洪水,第一节 概 述,2. 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。 如何设计防洪库容？ 防护对象的设计洪水,第一节 概 述,第一节 概 述,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,1. 设计洪水概念,如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问题，即设计标准 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 我国：SDJ12-78水利水电枢纽工程等级划分及设 计标准（山区、丘陵区部分）（试行） GB50201-94防洪标准,第一节 概 述,设计时根据水工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。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,二、水工建筑物的等级和防洪标准,第一节 概 述,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 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,第一节 概 述,三、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,下游防护对象的防洪标准,第一节 概 述,设计洪水过程线可以概括为设计洪峰流量、不同时段设计洪量和设计洪水过程线三个要素,四、设计洪水三要素,第二节 设计洪峰流量、设计洪量的推求,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,一、资料审查,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,二、样本选取,第二节 设计洪峰、洪量的计算,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,实测资料和调查到的历史洪水中，比系列中一般洪水大得多的稀遇洪水称为特大洪水, 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,历史调查期,历史调查期,实测期,实测期,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,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,历史调查期,历史调查期,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、洪量的计算,1. 特大洪水序列,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,第二节 设计洪峰、洪量的计算,2. 特大洪水重现期,例1992年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Qm110000m3/s。,N,n,1992,1870,Qm110000m3/s,如此洪水为1870年以来为最大，则N=1992-1870+1123（年）。这么大的洪水平均123年就发生一次，可能性不大。,确定特大洪水重现期实例,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年一次大洪水。,N,n,1992,1870,Qm110000m3/s,1153,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 N1992-1153+1840（年）。,确定特大洪水重现期实例,第二节 设计洪峰、洪量的计算,这样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，计算精度愈差，一般以明、清两代六百年为宜。,第二节 设计洪峰、洪量的计算,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。,3. 特大洪水的经验频率计算,连序系列中各项经验频率的计算方法，已在第七章中论述，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,第二节 设计洪峰、洪量的计算,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。,把实测一般洪水系列与特大洪水系列都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：,当实测系列中含有特大洪水时，虽然这些特大洪水提到与历史特大洪水一起排序，但这些特大洪水亦应在实测系列中占序号，即实测系列的排序为m=l+1,l+2,.,n。,独立样本法（分别处理法）,N,n,特大洪水的排列序号 M=1,2,.,a,实测期内特大洪水，l项,.,.,T,Q(m3/s),.,.,实测系列洪水排列序号，n-l 项，m=l+1,l+2,.,n,缺测,历史调查期年数 （自最远的调查考证年份至今的年数）,实测系列年数,PM,Pm,独立样本法,独立样本法,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,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。 特大洪水的经验频率仍采用下式,( n-l )项实测一般洪水的经验频率计算公式为：,统一样本法（统一处理法）,第二节 设计洪峰、洪量的计算,a项特大洪水的排列序号 M=1,2,.,a,实测期内特大洪水，l 项,.,.,T,Q(m3/s),.,.,实测系列洪水排列序号, m=l+1,l+2,.,n , 共n-l 项，,缺测,PM1,Pm,PMa,统一样本法,1-PMa,一般洪水经验频率：,特大洪水经验频率：,统一样本法,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,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,例某站自19351972年的38年中，有5年因战争缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，其次为1954年，并考证1949年应从实测系列中抽出作为特大值处理。另外，查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位为1921、1949、1903年，并能判断在这70年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到在1903年以前，还有三次大于1921年的特大洪水，其序位是1867、1852、1832年，但因年代久远，小于1921年洪水则无法查清。现按上述两种方法估算各项经验频率。,n=33,N1=70,N2=141,1921,1949,1903,1949,1921,1867,1852,1832,1972,1903,1832,1935,洪峰流量的经验频率计算结果表,N=141,N=70,n=33,独立样本法：,1852年,1832年,1921年,1867年,调查期N2=141：,统一样本法：,同独立样本法,独立样本法：,1949年,1903年,1921年 已抽到上面排序,调查期N1=70：,统一样本法：,独立样本法：,1940年,1968年,1949年 已抽到上面排序,实测期n=33：,统一样本法：,.,.,.,1. 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）侧重考虑中上部的较大洪水点据 4）对特大洪水作具体分析2. 优化适线法,四、频率曲线线型选择,第二节 设计洪峰、洪量的计算,特大洪水频率曲线线型仍采用PIII型曲线,五、频率曲线参数估计,（1）将实测资料有大到小排列，计算各项的经验频率，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P型）；（3）初估一组参数 x 、Cv和 Cs；（4）根据 x、Cv、Cs，查附表，计算xp值，以xp为纵坐标，P为横坐标，即可得到频率曲线；（5）根据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，相应该曲线的参数便是总体参数的估值；（6）求指定频率的水文变量设计值。,六、推求设计洪峰、洪量,第二节 设计洪峰、洪量的计算,特大洪水,0.019+(1-0.019)*(1/31)=0.05,(1-0.019)*(1/31)=0.031,1/103=0.01,1/31=0.032,取Cv=0.7，令Cs=3Cv查附表2，得不同频率P的Kp值。则Qp=KpQ或查附表1，得不同频率P的值，用式（7-44）计算Qp。,（1）计算经验频率，并点绘经验点据,（2）用矩法计算统计参数,第二节 设计洪峰、洪量的计算,（3）选配洪水频率曲线,求200年一遇的洪峰流量？ P=0.5%，Cv=0.8，Cs=3.5Cv=2.8查附表2，得Kp=4.87，代入Q0.5%=4.87 587=2859m3/s或查附表1，得=4.84，代入,有 Q0.5%=587（1+0.84.84）= 2859m3/s,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,七、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）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，洪量均值增大，时段平均流量均值减小，Cv、Cs一般减小。,第二节 设计洪峰、洪量的计算,八、计算成果的合理性分析,（2）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，洪峰、洪量均值递增、径流模数递减,第二节 设计洪峰、洪量的计算,八、计算成果的合理性分析,（3）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，而洪水的Cv值大于相应暴雨量的Cv值。,第二节 设计洪峰、洪量的计算,八、计算成果的合理性分析,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,类似推求设计年径流的年内分配，从实测资料中选取典型洪水过程线，按设计洪峰流量、时段洪水总量放大，即得设计洪水过程线。 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,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和原则：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 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,一、典型洪水过程线的选择,第三节 设计洪水过程线的推求,洪峰放大倍比：最大1天洪量放大倍比：最大3天洪量除最大1天以外，其余两天的放大倍比：,第三节 设计洪水过程线的推求,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的洪量均分别等于设计值。,特点： 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。注意：1. 时段划分，不宜过多，一般以3段或4段为宜；2. 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。,1. 同频率放大法,第三节 设计洪水过程线的推求,1. 同频率放大法,第三节 设计洪水过程线的推求,1）按洪峰控制的放大倍比：2）按洪量控制的放大倍比：,1. 同倍比放大法,第三节 设计洪水过程线的推求,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,特点：用同一放大倍比放大典型过程注意：1. 用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个其主要作用；2. 设计洪水过程线的峰或量偏离设计值 “以峰控制”，则洪峰等于设计值，洪量不一定等于设计值；“以量控制”，则时段洪量等于设计值，而洪峰不一定等于设计值。,1. 同倍比放大法,第三节 设计洪水过程线的推求,3比较,用同频率放大法求得的洪水过程线，比较符合设计标准，计算成果较少受所选典型不同的影响，但改变了原有典型的雏形，适用于峰量均对水工建筑物防洪安全起控制作用的工程同倍比放大法计算简便，适用于峰量关系较好的河流，以及防洪安全主要由洪峰或某时段洪量控制的水工建筑物,第三节 设计洪水过程线的推求,4实例,第三节 设计洪水过程线的推求,某水库千年一遇设计洪峰和各历时洪量计算成果，用同频率法推求设计洪水过程线,4实例,第三节 设计洪水过程线的推求,第四节 设计洪水的其它问题,1. 定 义,利用建库前坝址处的流量资料所推求的坝址断面处的设计洪水，称为坝址设计洪水；入库洪水是指水库建成后通过各种途径进入水库回水区的洪水，入库洪水包括三个部分,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）,2. 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,一、入库设计洪水,3. 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。,4. 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,式中 Q入库为时段平均入库洪水流量(m3/s); Q出库为时段平均出库流量(m3/s) ; V1、V2为时段初、末水库蓄水量(m3);W损失-时段平均水库损失流量(m3)； t为计算时段(s),第四节 设计洪水的其它问题,5. 入库设计洪水的计算方法,水利工程的设计应该以建库后的洪水情况作为设计依据，当坝址洪水与入库洪水差别不大时，可用坝址设计洪水近似代替。当两者差别较大时，以入库设计洪水进行水库防洪规划更为合理。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,第四节 设计洪水的其它问题,1. 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,2.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,二、分期设计洪水,第四节 设计洪水的其它问题,3. 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,二、分期设计洪水,第四节 设计洪水的其它问题,1. 为什么要推求分区设计洪水,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度计算等问题，需要分析设计洪水的地区组成。由于大流域暴雨分布不均匀, 各分区洪水特性各异,洪水来量不同,各区域或干、支流洪水的遭遇情况复杂, 因此给设计洪水地区组成的计算带来一定的复杂性,三、设计洪水的地区组成,第四节 设计洪水的其它问题,2. 分析计算方法,从实测资料中选择几次有代表性,对防洪不利的大洪水作为典型,以设计断面的设计洪量为控制,按典型年的各区洪量组成比例计算各区相应的设计洪量。 选择典型年时,应对流域内的洪水,尤其是大洪水的形成规律和天气条件、洪水过程特征,如大洪水出现的时间、季节、峰型、主峰位置、洪水上涨历时、 洪量集中程度等进行分析,典型年法,第四节 设计洪水的其它问题,2. 分析计算方法,同频率地区洪水组成法是根据防洪要求，指定某一分区出现与下游设计断面同频率的洪量，其余各分区的相应洪量按实际洪量组成比例分配当下游设计断面发生频率为P的设计洪量 时，上游断面也发生同频率的洪水 ，区间发生相应洪水当下游设计断面发生频率为P的设计洪量 时，区间也发生同频率的洪水 ，上游断面发生相应洪水,同频率法,第四节 设计洪水的其它问题,