第七章由流量资料推求设计洪水.ppt

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1、第七章 由流量资料推求设计洪水,上章要点：资料的“三性”审查不同长度资料时的设计年径流计算方法本章要点：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洪水过程线。设计洪峰、洪量的推求不连续样本频率及统计参数计算同频率放大法推求设计洪水过程线,第一节 概 述一、洪水 定义：暴雨或融雪产生大量径流汇入河中，产生 峰高量大而稀遇的水文现象。洪水三要素：洪峰、洪量和洪水过程线,洪水超过江河、湖、海、水库等水体的承受或容纳能力而泛滥成灾，则形成灾害性洪水。,二、洪水灾害,1954年长江1963年海河1975年淮河1991年江淮1994年珠江1995年湘资沅水及赣江1998年长江及松花江等,197

2、5年河南板桥水库溃坝,台风雨：1975.8.7日一日最大雨量达到1005毫米，8.58.7三天的降雨量达1605毫米。水库总库容有5亿，而三天进入水库水量有6.97亿立方。板桥水库最大溃坝流量达到78200立方米秒(1954年长江洪水宜昌站的洪峰流量66800立方米秒)最直接的原因：水库泄洪道闸门锈死，不能开启而造成 失事。23万人死亡，京广线中断18天，影响正常通车48天，直 接经济损失约为100亿。,酿成洪灾的原因在于两方面：1、降水集中，河流流量峰高量大；2、河道泄量受限，容纳不下，宣泄不及，造成漫溢或冲决堤防，泛滥成灾。,三、洪灾原因,按照规定防洪标准，因地制宜采取恰当的工程措施和非工

3、程措施，以削减洪峰流量，或者加大河床过水能力，并加固堤防，使遇不超过设计标准的洪水时，下泄洪水流量不超过河道允许泄量，达到尽可能地减少洪灾损失。,四、防洪任务,五、设计标准如何推算工程的设计洪水，涉及一个设计标准问题。定义：工程或防护区抗御洪水能力，反映防洪安全要求，以洪水发生频率或重现期表示。标准选用：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。根据部颁标准，结合实际选用。,主要防洪标准规范中的主要标准包括：水工建筑物防洪标准：设计标准、校核标准正常运用标准设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种标准洪水

4、来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。非常运用标准校核洪水：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破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。防护对象的防洪标准：下游遭遇这种标准洪水时，通过水库及其它防洪措施的调蓄，使控制点的洪水不超过河道允许的安全泄量。,水利水电枢纽工程分等指标,水工建筑物级别划分,水工建筑物防洪标准,下游防护对象的防洪标准,六、设计洪水定义：工程规划设计依据的洪水，或符合防洪标 准的洪水。为了保证工程安全，规划设计时，以某一标准的洪水作为防御对象，使建筑的工程遇到不超过这种标准的洪水时不会被破坏。工程规划设计中所依据的一定标准的

5、洪水，即为设计洪水。,七、设计洪水计算途径,资料三性审查选样，组成洪峰、洪量统计系列考虑特大洪水进行频率分析计算，推求设计洪峰、洪量选典型洪水过程放大，求设计洪水过程线。与年径流频率计算区别：一个内插，一个外延。,八、推求设计洪水基本程序,一、洪水资料审查“三性”审查：可靠性、一致性、代表性（1）资料可靠性的审查与改正实测洪水资料：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、水位流量关系等。历史洪水资料：一是调查计算的洪峰流量可靠性；二是审查洪水发生的年份的准确性。,第二节设计洪峰、洪量的推求,一、洪水资料审查,（2）资料一致性的审查与还原 所谓洪水资料的一

6、致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），和历史资料组成一个具有一致性的系列。例如上游建了比较大的水库，则应把建库后的资料通过水库调洪计算，修正为未建库条件下的洪水。,一、洪水资料审查,（3）资料代表性的审查与插补延长 当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时，则认为具有代表性；否则，则认为缺乏代表性。实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于30年，并有一定数量的历史洪水调查资料。审查常用方法：长系列参证变量对比法 当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和

7、补充历史特大洪水，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。,（4）洪水资料审查小结 洪水资料：实测洪水、历史洪水 资料审查：可靠性改正 一致性还原 代表性展延 历史洪水：大小、发生年份考证 资料要求：30年以上实测资料，若干历史特大洪水。,一、洪水资料审查,二、选 样1、选样方法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，如何从历年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。目前采用年最大值法选样：即从资料中逐年选取一个最大值分别组成洪峰流量、不同历时洪量系列。它们可以发生在年内同次或不同次洪水中。,2、样本系列 选样原则：年最大值法，

8、分别独立选取样本：洪峰流量系列、不同历时洪量系列 固定时段：一般采用l、3、5、7、15、30天,三、特大洪水处理根据资料代表性审查的要求，必须引入特大洪水资料。那么什么是特大洪水、为什么一定要加入特大洪水、加入特大洪水后的频率计算与前面介绍的方法一样吗？如果不一样又该如何进行处理？,1、什么是特大洪水？定义：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，通过历史洪水调查，能知其数量大小和重现期的洪水。类型：实测特大洪水、历史特大洪水注释：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。,特大洪水类型类

9、型：实测特大洪水、历史特大洪水,2、为什么要考虑特大洪水？,在样本系列不长时，一般频率计算方法的成果变动很大。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，使计算结果更合理、准确、稳定。如n18年，第19年发生特大洪水，p5,3、特大洪水的考察,特大洪水大小及重现期确定大小：根据实测或调查的洪痕资料计算重现期：通过调查考证等，获知它在整个调查期 系列中的排位确定。如：1870年历史特大洪水是1153年至2002年最 大的洪水：N=20021153+1=850（年）,4、加

10、入特大洪水后的系列特征,连续样本：洪水系列中没有特大洪水值，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。不连续样本：系列中有特大洪水值，其重现期 N必大于实测系列年数 n，而在Nn年内各年洪水数值无法查得，中间存在一些空位，由大到小是不连序的。,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。,5、特大洪水的处理,定义：不连序系列的经验频率和统计参数的计算与连序系列不同。这样就要研究有特大洪水时的经验频率和统计参数的有别于一般洪水的频率计算方法，称为特大洪水处理。目的：提高计算成果稳定性方法：采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的

11、经验频率分别计算的方法。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：独立样本法、统一样本法。,6、频率计算方法变量说明,设：N 历史调查期年数；n 实测系列的年数；l n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（含资料内特大洪水l项）；m 实测系列在n中由大到小排列的序号，m=l+1，l+2，.，n；Pm 实测系列第m项的经验频率；PM 特大洪水第M序号的经验频率，M=1,2,.,a,频率计算方法的变量说明,频率计算方法独立样本法思路：实测和特大值系列分别作为独立样本，各 项洪水在各自样本中分别连续排位计算。实测系列：特大值参与排位，只取一般洪水成果特大系列：仅计算特大

12、洪水 特点：出现重叠 取频率较小值,实例分析 某站有19301972实测资料，另调查1903、1921两项历史洪水，70年中未漏掉比1903大的洪水，前三项洪水排序为1949、1921、1903，计算各项洪水频率。,频率计算方法统一样本法思路：实测与特大值共同组成一不连续系列，代表 总体一个样本，各项在调查期统一排位。条件：特大洪水：一般洪水：特点：特大洪水排位无遗漏,统一样本法公式说明,统一样本法理论说明,实例分析,频率计算方法实例比较,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，并考证应从实测系列中抽出作为特大值处理。另外，查明自19

13、03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。,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,计算分析,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：,计算分析,独立样本法：,1940年,1968年,194

14、9年 已抽到上面排序,实测期n=33：,统一样本法：,.,.,.,计算分析,计算分析,上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立，这在理论上有些不合理，但比较简单。在特大洪水排位可能有错漏时，因不互相影响，这方面讲则是比较合适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统一样本法更好一些。,方法比较,7、洪水统计参数的矩法初估,思路：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-年系列的均值和均方差相等，即,N1,l,矩法公式均值推导,矩法公式CV值推导,矩法公式CS值的假定,四、推求设计洪峰、洪量,方法：根据经验频率和初估参数，

15、目估适线凑出 洪峰和不同时段洪量的理论频率曲线，由设计频率查得设计值。目估配线原则：（1）尽量照顾点群趋势，侧重考虑中上部；（2）尽量靠近精度较高点据；（3）不可机械通过特大洪水点据，而偏离点群 太远，应在特大洪水误差范围内调整；（4）统计参数应与地区变化相协调。,五、设计洪水成果的合理性分析,分析检查的原则：（1）水量平衡（2）雨洪径流形成规律（3）水文现象随时空变化规律（4）其它因素对洪水影响,1、随时间变化规律分析,随历时增加，W7W3W1 Cv7Cv3Cv1 各种曲线在使用范围 内不能相交。,2、随地区变化规律分析,从上下游站分析 一般洪峰、洪量均值从上游向下游增加，CV 值从上游向下

16、游变小 下游站、干流站频率曲线高于上游、支流站 从水文相似区分析 洪峰、洪量均值，一般大流域大于小流域 CV 值一般小流域大，大流域小,3、从形成洪水的暴雨方面分析 洪水径流深应小于相应天数的暴雨深 洪水Cv值应大于相应暴雨的Cv值。4、与国内外极大洪水记录对比分析,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。思路：选择典型洪水（按设计峰、量放大）设计洪水过程线,1、典型洪水过程线的选择,主要考虑因素：1）洪水（尤其是特大洪水）的形成规律和天气条件；2）洪水过程，如大洪水出现的时间、季节、峰型（单峰、双峰或连续峰）、主峰位置、洪水上涨历时、洪量集中程度等。,1、

17、典型洪水过程线的选择,选择原则：1、峰高、量大接近设计值的洪水；2、具有代表性，能反映流域大洪水特性；3、对工程不利（峰形集中、主峰靠后）洪水；4、与下游洪水遭遇情况最不利的典型。,2、典型洪水过程线的放大 典型洪水一般峰、量都达不到设计要求，必须进行放大，使其符合设计标准，即推求的设计洪水过程线。放大方法：,（1）同倍比放大法方法：按峰或量同一个倍比放大典型洪水。以峰控制：以量控制：设计过程：优点：简单、工作量小，适用于峰量关系较好，峰或量控制的水利工程。缺点：峰、量无法同时达到设计值。,同倍比放大法说明,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、量哪个起主要

18、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。,（2）同频率放大法方法：采用洪峰和洪量的不同倍比值，分别将典型过程放大，使放大后的峰和不同时段洪量均分别等于设计值，即峰和量同时达到设计值。,放大倍比及设计过程的确定洪峰：1日洪量：3日洪量：设计过程：,同频率放大法的适用范围优点：比较符合设计标准，计算成果较少受所选 典型不同的影响。缺点：改变原有典型的雏形，可能相差较远。改善：尽量减少放大层次，控制历时不宜过多。适用范围：峰量均对水工建筑物防洪安全起控制 作用的工程。,同频率放大法说

19、明,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：对于放大后过程线的不连续现象，徒手修匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。,设计过程线的修匀方法 不同历时衔接处，由于倍比不同产生突变，需要在保持设计洪峰及各控制时段洪量不变原则下，将放大洪水过程线修匀为光滑过程线。,3、算 例已知：QmP=3530，W1P=42600，W3P=72400,W7P=118000 QmD=1620，W1D=20290，W3D=31250,W7D=57620计算：同频率放大法推求设计洪水过程线。求解：计算放大倍比,放大典型过程及修匀,看表712,本章小结 由流量资料推求设计洪水，主

20、要包括峰量频率计算和典型过程放大两部分。重点内容包括：洪水资料选样。包括峰和量的选样方法。特大洪水处理。不连续样本及其经验频率计算方法：独立样本法、统一样本法。推求设计洪水过程线。同倍比、同频率放大 资料“三性”审查，成果“合理性分析”。,课堂讨论思考1、分析设计洪水和设计年径流频率计算的主要异同点。2、某河段已查明在N年中有a项特大洪水，其中l个发生在实测系列n年内。在特大洪水处理时，对这种不连续系列的统计参数的计算，我国广泛采用考虑特大洪水情况的矩法公式。该公式包含了哪些假定？这些假定与实际情况符合吗？为什么？3、由流量资料推求设计洪水，为何要考虑特大洪水？为什么还要进行特大洪水处理？如何

21、处理？,课堂讨论选择1、对设计流域历时特大洪水调查考证的目的是。A提高系列的一致性；B提高系列的可靠性；C提高系列的代表性；D使洪水系列延长一年。2、用典型洪水同频率放大法推求设计洪水，则放大后。A峰不一定等于设计洪峰，量等于设计洪量；B峰等于设计洪峰，量等于设计洪量；C峰等于设计洪峰，量不一定等于设计洪量；D峰和量都不等于设计值。3、对放大后的设计洪水进行修匀是依据。A过程线光滑；B过程线与典型洪水相似；C水量平衡；D典型洪水过程线的变化趋势。,课堂讨论判断1、某一历史洪水从发生年份以来为最大，则该特大洪水的重现期发生年份-设计年份。2、一般来说，设计洪水的径流深应小于相应天数的设计暴雨深，

22、洪水的Cv值应小于相应暴雨的Cv值。,课堂讨论计算题1、某水文站有19502001年的实测洪水资料，其中最大的三年洪峰流量依次为：2680 m3/s，1050 m3/s，900 m3/s。其中1998年的洪峰流量为实测期内的特大洪水。另根据洪水调查，1870年发生的洪峰流量为3500 m3/s和1932年发生洪峰流量为2400 m3/s的洪水，是1850年以来仅有的两次历史特大洪水。用统一样本法推求上述五项洪峰流量的经验频率。现已根据19502001年的实测洪水资料序列（不包括1998年洪峰）求得实测洪峰流量系列均值为560 m3/s，变差系数为0.95。试用矩法公式推求1850年以来的不连续洪峰流量序列的均值和变差系数。,课堂讨论计算题2某水库坝址处有19541984年实测洪水资料，其中最大的四年洪峰流量依次为：15080m3/s、9670m3/s、8320m3/s、7780m3/s。此外，调查到1924年发生过一次洪峰流量为16500m3/s的大洪水，是1883年以来最大的一次洪水，且18831953年间其余洪水的洪峰流量均在10000m3/s以下。试考虑特大洪水处理，用独立样本法和统一样本法分别推求上述五项洪峰流量的经验频率（取小数点后四位）。,课外作业4,教材P115：复习思考题74,课堂作业,洪水频率计算中，为什么必须考虑特大洪水和对特大洪水进行处理？,