第八章由流量资料推求设计洪水.ppt

,第八章 由流量资料推求设计洪水Inquire into the design flood using flow data,一、洪水设计标准（1）几个基本概念防洪安全事故：洪水特征值（Q、Z、Wt等）超过容许的数量，致使工程不能完成其预定功能的事件。防洪安全事故风险率：水工建筑物在其设计的工作年限内不能完成预定功能的概率。又称系统失效风险率。,（2）计算表达式 Risk=pf=p RL 式中：L水工建筑物的荷载效应；R水工建筑物的承载能力。,8.1 概述,防洪安全事故的类型不同，荷载效应L和承载能力R的内容也不同。对堤防，L代表控制断面的洪水水位加上风浪爬高；R代表堤顶高程。对溢洪道，L代表溢洪道最大出流量；R代表溢洪道泄流能力。,防洪安全设计的荷载效应和承载能力受到众多不确定因素的作用。事故的发生是众多随机性综合作用的结果。一般情况下，荷载效应和承载能力是相互独立的，故：,（3）以洪水频率为基础的防洪安全设计 传统的以洪水频率为基础的防洪安全设计不考虑承载能力的随机性，而是作为确定性数据处理。防洪安全事故风险率的计算公式得到简化：,防洪设计的关键寻找荷载效应的分布函数。,荷载效应主要是由洪水所决定的，不同工程的荷载效应内容不同，因而起关键作用的洪水特征值也不同。,有些防洪工程的防洪作用比较简单，只需个别洪水特征值就能代表荷载效应。如对河道堤防工程，可选洪峰流量Qm为代表，因此可以用洪峰年极值的概率分布fQm(q)来代表荷载分布。则堤防溃决事故风险率可按下式计算：,根据上式,可由指定Qm求出相应的pf，也可由指定pf求出相应的Qm,（4）防洪安全设计的两类课题 防洪安全设计的两类课题有：水工建筑物本身的防洪安全问题；水工建筑物对下游的防洪安全问题。（5）水利水电工程的洪水设计标准我国的洪水设计标准为：根据防洪对象的重要性、工程规模以及发挥的效益，确定的统一的洪水频率p（设计标准风险率），但并非经济上最优。对防洪区的防洪安全标准，依据防护对象重要性分级设定。P196表8-1对水利水电工程枢纽本身的防洪标准，根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性，将工程分成5个等级，P197表8-2,枢纽工程中的各种水工建筑物，按照其所属的枢纽的等级、该水工建筑物本身的作用和重要性分成5个等级。P197表8-3不同级别永久性水工建筑物的正常运用和非正常运用的洪水标准。P198表8-4 满足某一标准的洪水的表达形式或计算途径分为两类：以洪水发生频率（或重现期）表示设计洪水和校核洪水的标准；此途径适用于大多数大中型水利工程。以气象上的“可能最大降水”推算“可能最大洪水”作为洪水的最高标准，此途径适用于土石坝、核电站等工程。,（1）问题的提出 根据水库调洪计算原理，在一定的调洪方式下，水库出流流量q(t)是入流流量Q(t)的函数，而不是个别入流洪水特征(如Qm和Wt)所能决定的。因此，对水库设计来说，需要预估的不仅是可能出现的洪峰流量数值，或某时段洪量的大小，而要预估可能出现的洪水流量过程即：设计洪水过程的计算问题。一次洪水过程包含多个特征，如洪峰和洪量，在一般情况下它们出现的频率是互不相等的。任何一场现实洪水过程的重现期或频率都是无法定义的。,二、设计洪水的含义,（2）设计洪水过程的概念 设计洪水过程是指：具有规定功能的一场特定洪水，其功能是：以频率等于设计标准的设计洪水为基础而规划设计出的工程，其防洪安全事故的风险率恰好等于指定的设计标准。,设计洪水是指符合设计标准的洪水，是堤防和水工建筑物设计的依据。描述设计洪水特性的三要素包括：设计洪峰流量-设计洪水过程的最大流量；不同时段的设计洪水量-设计洪水过程中1d、3d、7d等固定时段的连续最大洪水量。简称最大一日洪量、最大三日洪量、最大七日洪量等；设计洪水过程线-包含了设计洪水的所有信息，是水库防洪规划设计的重要依据。,设计洪水计算内容：设计洪峰流量；不同时段的设计洪量；设计洪水过程线。,(3)设计洪水计算的内容与途径,设计洪水计算途径：仅介绍具有水文气象资料的计算途径：由流量资料推求设计洪水；由暴雨资料推求设计洪水；由气象资料推求设计洪水。,由流量资料推求设计洪水计算框图,由暴雨资料推求设计洪水计算框图,由气象资料推求设计洪水计算框图,8.2 洪水资料分析处理,所谓样本选取（选样）是指从洪水流量资料中，确定逐年的洪水特征值。常选洪峰流量、固定时段最大洪量作为洪水的特征值。固定时段长一般取1d、3d、7d等。,一、洪水样本选取,年最大值法选样：每年选取一次最大值，n年资料可选出n项年极值，包括洪峰流量和各种时段的洪量。,二、洪水资料的审查和分析 进行洪水资料的可靠性、一致性、代表性审查。方法与“年径流资料审查”相同。,可靠性审查：审查资料是否存在人为或天然原因造成的资 料错误或时空不合理现象。一致性审查：审查资料是否具有相同的成因条件，即是否来自同一总体。代表性审查：审查资料系列（样本）与总体的接近程度，即样本能否较好地代表总体。三、历史洪水的实地调查与文献考证（1）历史洪水调查的意义 洪水峰量频率计算成果的可靠性与资料的代表性密切相关，资料的代表性又主要受到资料系列长短的制约。目前国内河流,的实测流量和雨量资料时间都不是太长，即使通过插补展延后的资料长度也仅有40-60年左右。根据短系列资料来推算百年以上一隅的稀遇洪水，可能就会存在较大的抽样误差。由于水文上不得不根据样本去估计总体，所以洪峰、洪量频率计算成果的可信程度与资料的代表性很有关系，如果在实测资料之外能将调查到的特大洪水加入，进行频率计算，可以提高频率计算的精度。特大洪水是指比实测系列中的一般洪水大得多的稀遇洪水。包括调查历史洪水和实测洪水中的特大值。,（2）历史洪水的实地调查和文献考证 提高样本代表性的主要途径是增加样本长度。主要途径有：插补延长；历史洪水调查；古洪水探测。,例：三峡水库的设计洪水，按千年一遇标准设计。依据的是宜昌站实测洪水系列（从1887年开始至1992年计算）。如果仅仅依靠实测系列进行计算，推求千年一遇的设计值，将具有较大的抽样误差。通过历史洪水调查得到了至1153年的若干历史特大洪水信息。,其中，1870年洪水是1153年1992年共840年以来的最大洪水。将调查考证的历史洪水加入到实测洪水系列共同组成样本，扩大了样本信息，提高了代表性。,通过古洪水探测，表明1870年洪水可能是2500年以来的最大洪水。这样1870年洪水的极端性进一步得到证实。,（3）历史洪水在调查考证期中的排位分析 历史洪水峰量的数值确定后，为了估算其经验频率（重现期）需要分析各各次历史洪水调查考证期内的排列序号。,历史洪水分期,实测期：具有洪水观测资料年份（包括插补延长年份）,调查期：最早的调查洪水发生年份迄今的一段时期、实测以外的部分,考证期：有历史文献资料可以考证的时期（少数可定量，多数难定）,历史洪水分级,非常洪水,特大洪水,大洪水,8.3 设计洪峰流量及洪量的推求,一、连序和不连序样本系列 洪水样本系列分为连序序列和不连序系列。（1）连序系列：系统中没有特大洪水值-没有通过历史洪水调查考证；系列中各项数值直接按从大到小次序统一排位，各项之间没有空位，由大到小次序相连。（2）不连序系列：系统中有特大洪水值，特大洪水值与其它洪水值之间有空位，整个样本的排序不连序。(3)不连序样本的组成：历史洪水和实测洪水系列中的l 个特大值构成一组样本，单独在 N 中排队；实测系列中的所有洪水（包括 l 个特大值）构成一组样本，单独在 n 中排队。,二、不连序样本系列的经验频率计算,经验频率计算公式：,M特大洪水排位的序号，M=1，2，a;N调查最远的年份至实测资料最后一年的年数；m实测洪水排位的序号，m=l+1，l+2，n;l 实测洪水系列中特大值的项数；n实测洪水的项数。,例：某水文站有1949-2008年实测洪峰流量资料，其中1963年洪峰流量为实测范围内最大，达到14800m3/s，其它实测值按大小排列为8130、7800、3760、3300。另外调查到两场历史洪水，其中1860年的洪峰为18100m3/s，1912年的洪峰为12800m3/s，调查期内没有遗漏大洪水资料。试采用分开处理法求出各洪峰流量的经验频率，并列出计算式。,表1 洪峰流量经验频率计算表,三、洪水频率曲线线型 对于洪水变量，目前还无法从理论上论证采用何种频率曲线线型来描述其统计规律。国际水文界洪水频率曲线线型选择各异，差别很大，常用线型多大20余种，主要有：极值型和型分布、广义极值分布（GEV）、对数正态分布（L-N）、皮尔逊（P-）分布和对数皮尔逊分布等等。美国主要以对数皮尔逊型为主，英国以广义极值分布（GEV）为主。我国洪水频率曲线线型基本上是学习俄罗斯（原苏联），一直采用皮尔逊（P-）型曲线。,四、频率曲线参数估计,1、矩法初估参数,a 特大洪水(包括历史洪水和实测中的特大值)个数;N调查最远的年份至实测资料最后一年的年数；l 实测洪水系列中特大值的项数；n实测洪水的项数。,2、适线法确定参数 方法步骤同年径流量频率计算相同，不再赘述。,广东省南水水库年最大洪峰流量频率曲线图,五、算例,广东省南水水库各时段年最大洪量频率曲线图,六、设计成果的合理性分析,由于资料短使计算所得的各项参数EX，CV，Cs以及各种频率的设计值Xp带有或大或小的误差，必须对单站的计算成果通过面上比较合理性分析。,1、本站的洪峰及各种历时洪量之间对比（1）本站时段洪量的频率曲线在实用范围内不应相交；（2）时段洪量的均值随历时的增加而增加，增率随历时的增加而减小。,当上下游地理、气候、地形条件相似时，洪峰流量Qm和时段洪量Wt的均值从上游向下游递增,而均值模数(Qm/Fn或Wt/Fn)递减，Cv自上向下递减。,2、根据上下游和干支流洪水关系分析,但也有特殊的情况：如黄河自包头以下暴雨大，地形陡，Cv反而自上向下增大。,绘制洪峰、洪量的均值或设计值与流域面积的关系图，分析点据的分布是否与暴雨及地形等因素的分布相适应。绘制洪峰、洪量均值模数Qm/Fn、Wt/Fn及Cv的等值线图,与暴雨的均值和Cv等值线图进行比较，如存在明显不协调，应分析原因。,（2）稀遇频率的设计洪水与国内实测大洪水记录进行比较,3、其他分析,（1）与邻近河流洪水统计参数及设计值进行比较,（3）从暴雨径流之间的关系进行分析 指定频率P时段暴雨量的设计值同历时洪量(折算成径流深)的设计值。,七、设计洪水值的抽样误差,1、设计值的抽样分布,采用洪水设计值抽样分布的标准差来衡量其不确定程度。,对P-III型分布，设计值抽样分布标准差的近似计算式：,B值由p和Cs查诺模图得到。,若设计值是根据完全样本推求的，n=实测资料年限n。若设计值是根据不完全样本推求的，则：,c反映调查洪水项数的系数。一项洪水时，c=0.2；二或三项时，c=0.3；三项以上时，c=0.4。d反映调查洪水精度的系数。一般，d=0.2；较可靠，d=0.3；精确，d=0.4。,以洪峰流量为例，由一组实测样本估计出的Qp值比“总体真值”可能大也可能小。为此通常在求得的设计值上加一个安全修正值，以策安全。,2、安全修正值,认为设计值抽样分布的标准差越大，成果偏离真值的幅度可能越大。所以：,已知：n=17年，N=38年，EQ=5250 m3/s，CV=0.36，CS=1.44，仅有一项历史洪水，资料可靠。计算0.1%设计值的安全修正值。,算例:,8.4 设计洪水过程线的拟定,一、典型洪水过程线的选取（1）资料完整、精度高；（2）洪峰高、洪量大，接近设计情况；（3）具有代表性并且对防洪不利。一般峰型集中且主峰偏后的洪水过程对防洪不利。,二、典型洪水过程线的放大 常用的有同倍比放大、同频率放大两种方法。,1、同倍比放大（1）概念：按洪峰或时段洪量放大典型洪水过程线的方法。（2）做法：对整个典型洪水过程线采用同一倍比进行放大。对于堤防：按峰放大 K=QP/QD 对于蓄泄洪区：按量放大 K=WTP/WTD 则QP(t)=KQD(t),（3）特点优点方法简单，对峰、量关系较好时使用。缺点受典型影响大，放大后洪峰和洪量不能同时达到 设计值。,2、同频率放大（1）概念：放大典型洪水过程线时，按洪峰和不同时段洪量分别采用不同的倍比放大，使放大后的设计洪水过程线洪峰和时段洪量都等于设计值。,目前大、中型水库规划设计中主要用该方法。,（2）步骤 不同的放大倍比计算 洪峰放大倍比为：KQ=QP/QD,洪量的放大倍比分别为：K1=W1P/W1D K3-1=（W3PW1P）/（W3DW1D）K7-3=（W7PW3P）/（W7DW3D）式中：W1P、W3P、W7P分别为1、3、7日的设计洪量；W1D、W3D、W7D分别为1、3、7日的典型洪量。将不同时段的洪量按不同倍比放大，峰按峰的倍比放大。,绘图 在放大过程中，由于各时段的放大倍比不同，放大交界处会产生不连续现象，使过程线呈锯齿形。应徒手修匀，使成为光滑曲线。但要保持设计洪峰和各历时的设计洪量不变。,特点优点受典型洪水过程影响小，放大后洪峰和不同时段洪量均符合设计值。缺点有时会较大程度地改变典型洪水过程线的形状。,教材P212 例题,习题：P224 8-2,本章结束,谢谢！,