第六章-由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水ppt課件

1、第六章 由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水 第一節(jié) 概述 一、水庫的防洪功能 在河流上筑壩建庫，目的在于興利除害。為了興利（灌溉、發(fā)電等），需要設(shè)置一定的興利庫容，調(diào)節(jié)年、月徑流，使之符合人們的要求。為水利水庫自身安全和下游防護(hù)區(qū)的安全，還必須設(shè)置一定的庫容攔蓄洪水。 水庫在設(shè)計(jì)水工建筑物時，必須選擇一相應(yīng)的洪水作為依據(jù),二、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 如何選擇水工建筑物的設(shè)計(jì)洪水，涉及一個標(biāo)準(zhǔn)問題，即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)： GB50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn) SL252-2000 水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn),確定水利水電工程等別,確定水工建筑物級別,根據(jù)水工建筑物級別確定 設(shè)計(jì)、校核洪水,結(jié)束,水利水電工程等別,水利水

2、電工程防洪標(biāo)準(zhǔn)： 正常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水：確定水庫的設(shè)計(jì)洪水位、設(shè)計(jì)泄洪流量等。不超過這種標(biāo)準(zhǔn)的洪水來臨時，水庫樞紐一切工作維持正常狀態(tài)。 非常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)校核洪水：確定水庫的校核洪水位。這種標(biāo)準(zhǔn)的洪水來臨時，水庫樞紐的某些正常工作可以暫時破壞，次要建筑物允許損毀，但主要建筑物必須確保安全。（啟動非常溢洪道,三、現(xiàn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的基本方法和內(nèi)容 基本方法 頻率計(jì)算法 以符合某一頻率的洪水作為設(shè)計(jì)洪水。如百年一遇、千年一遇等。 該方法將洪水作為隨機(jī)事件，根據(jù)概率理論由已發(fā)生的洪水來推估未來可能發(fā)生的符合某一頻率標(biāo)準(zhǔn)的洪水作為設(shè)計(jì)洪水,水文氣象法 因頻率計(jì)算缺乏成因概念，如果資料太短，用于推求稀遇洪水根

3、據(jù)就很不足。且近年來，我國一再出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)的特大洪水，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一再提高。 水文氣象法從物理成因入手，根據(jù)水文氣象要素推求一個特定流域在現(xiàn)代氣候條件下，可能發(fā)生的最大洪水(PMF)作為設(shè)計(jì)洪水,2. 設(shè)計(jì)洪水的內(nèi)容 設(shè)計(jì)洪峰流量 設(shè)計(jì)洪水內(nèi)容：設(shè)計(jì)時段洪量 設(shè)計(jì)洪水過程線 對于橋梁、涵洞、調(diào)節(jié)性能小的水庫：一般只推求設(shè)計(jì)洪峰流量，如葛洲壩電站，其泄洪閘以設(shè)計(jì)洪峰流量控制（Q m=110000m3/s)。 對于大型水庫：調(diào)節(jié)性能高，可以洪量控制，即庫容大小主要由洪水總量決定。如三峽水庫， 攔洪庫容300.2億m3。 一般水庫都以峰和量同時控制,設(shè)計(jì)洪水推求基本步驟,推求設(shè)計(jì)洪峰流量、時段洪量,選擇典

4、型洪水過程線,縮放典型洪水過程線,設(shè)計(jì)洪水 過程線,結(jié)束,資料三性審查,第二節(jié) 設(shè)計(jì)洪峰流量及設(shè)計(jì)洪量的推求 一、資料審查 “三性”審查：可靠性、一致性、代表性。 1.資料可靠性的審查與改正 實(shí)測洪水資料： 對測驗(yàn)和整編進(jìn)行檢查，重點(diǎn)放在觀測與整編 質(zhì)量較差的年份。包括水位觀測、流量測驗(yàn)、水位 流量關(guān)系等。 歷史洪水資料： 一是調(diào)查計(jì)算的洪峰流量可靠性；二是審查洪水發(fā)生的年份的準(zhǔn)確性,2. 資料一致性的審查與還原 所謂洪水資料的一致性，就是產(chǎn)生各年洪水的流域產(chǎn)流和匯流條件在調(diào)查觀測期中應(yīng)基本相同。 如果發(fā)生了較大的變化，需要將變化后的資料還原到原先天然狀態(tài)的基礎(chǔ)上，以保證抽樣的隨機(jī)性和能與歷史

5、資料組成一個具有一致性的系列。 例如：上游建了比較大的水庫，則應(yīng)把建庫后的資料通過水庫調(diào)洪計(jì)算，修正為未建庫條件下的洪水,3. 資料代表性的審查與插補(bǔ)延長 實(shí)際工作中要求連續(xù)實(shí)測的洪水年數(shù)一般不少于2030年，并有特大洪水加入。 當(dāng)實(shí)測洪水資料缺乏代表性時，應(yīng)插補(bǔ)延長和補(bǔ)充歷史特大洪水，使之滿足代表性的要求。插補(bǔ)延長主要是采用相關(guān)分析的方法,二、樣本選取 河流上一年內(nèi)要發(fā)生多次洪水，每次洪水具有不同歷時的流量變化過程，如何從歷年洪水系列資料中選取表征洪水特征值的樣本，是洪水頻率計(jì)算的首要問題。 目前采用年最大值法選樣,年最大值法選樣： 即從資料中逐年選取一個最大流量和固定時段的 最大洪水總量，

6、組成洪峰流量和洪量系列。 固定時段一般采用1、3、5 、7、15、30天。大 流域、調(diào)洪能力大的工程，設(shè)計(jì)時段可以取得長些； 小流域、調(diào)洪能力小的工程，可以取得短一些,選樣示意圖,三、特大洪水的處理 1. 特大洪水 是指實(shí)測系列和調(diào)查到的歷史洪水中，比一般洪水 大得多的稀遇洪水。 歷史上的一般洪水是沒有文字記載和留下洪水痕跡,只有特大洪水才有文獻(xiàn)記載和洪水痕跡可供查證,所以調(diào)查到的歷史洪水一般就是特大洪水。 特大洪水可以發(fā)生在實(shí)測流量期間之內(nèi),也可以發(fā)生在實(shí)測流量期之外,前者稱資料內(nèi)特大洪水,后者稱資料外特大洪水(歷史特大洪水,特大洪水示意圖,資料內(nèi)特大洪水,資料外特大洪水 (歷史特大洪水,一

7、般 時，QN可以考慮作為特大洪水處理,2、為什么要考慮特大洪水？ 目前我們所掌握的樣本系列不長，系列愈短， 抽樣誤差愈大，若用于推求千年一遇、萬年一遇的稀 遇洪水，根據(jù)就很不足。 如果能調(diào)查到N年（Nn）中的特大洪水，就相當(dāng)于把n年資料展延到了N年，提高了系列的代表性，使計(jì)算結(jié)果更合理、準(zhǔn)確,3、特大洪水重現(xiàn)期 重現(xiàn)期是指某隨機(jī)變量的取值在長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次，又稱多少年一遇。 要準(zhǔn)確地定出特大洪水的重現(xiàn)期是相當(dāng)困難的，目前，一般是根據(jù)歷史洪水發(fā)生的年代來大致推估。 從發(fā)生年代至今為最大 N=設(shè)計(jì)年份-調(diào)查期發(fā)生年份+ 1 從調(diào)查考證的最遠(yuǎn)年份至今為最大 N=設(shè)計(jì)年份-文獻(xiàn)考證期最遠(yuǎn)年份

8、+ 1,例6-1：1992年長江重慶宜昌河段洪水調(diào)查結(jié)果分析,同治九年（1870年）川江發(fā)生特大洪水，沿江調(diào)查到石刻91處，推算得宜昌洪峰流量： Q m110000m3/s 如此洪水為1870年以來為最大，則： N=1992-1870+1123（年） 這么大的洪水平均130年左右發(fā)生一次，可能性不大,又經(jīng)調(diào)查，在四川忠縣長江北岸2km處的選溪山洞中調(diào)查到宋紹興23年（南宋趙構(gòu)年號）即1153年一次大洪水,該洪水小于1870年洪水，通過調(diào)查還可以肯定自1153年以來1870年洪水為最大，則1870年洪水的重現(xiàn)期為： N1992-1153+1840（年,可以看出： 這樣確定特大洪水的重現(xiàn)期具有相當(dāng)

9、大的不穩(wěn)定性，要準(zhǔn)確地確定重現(xiàn)期就要追溯到更遠(yuǎn)的年代，但追溯的年代愈遠(yuǎn)，河道情況與當(dāng)前差別越大，記載愈不詳盡，計(jì)算精度愈差，一般以明、清兩代六百年為宜,例6-2：河北省滹沱河黃壁莊水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。 (加入特大洪水提高樣本的代表性和設(shè)計(jì)洪水的可靠性,過程: 1955年設(shè)計(jì)，資料n=18年： Q0.1%=12600m3/s； 1956年發(fā)生特大洪水Q=13100m3/s，直接加入資料系列（n=19），未做特大洪水處理： Q0.1%=25900m3/s,將1956年洪水做特大洪水處理，但不加歷史特大洪水： Q0.1%=19700m3/s； 再加入歷史特大洪水（1794、1853、1917、1939

10、）： Q0.1%=22600m3/s 1963年又發(fā)生了一次特大洪水 ， Q=12000m3/s ，加入并做特大洪水處： Q0.1%=23300m3/s,由此可見：加入特大洪水有助于提高樣本的代表性和設(shè)計(jì)洪水的可靠性。但應(yīng)注意的是，年代越久，由于河流演變等原因，推算的洪峰流量可能存在較大誤差，必須盡可能的從多方面考察、論證,4、考慮特大洪水時經(jīng)驗(yàn)頻率的估算 加入特大洪水后，資料系列的特征： （1）連序系列和不連序系列： 所謂“連序”與“不連序”，不是指時間上連續(xù)與否，只是說所構(gòu)成的樣本中間有無空位,特大洪水加入系列后，樣本成為不連序系列，其經(jīng)驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算與連序系列不同。 考慮特大洪水

11、時經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算基本上是采用將特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率與一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率分別計(jì)算的方法。 兩種計(jì)算方法：獨(dú)立樣本法、統(tǒng)一樣本法,設(shè)： N 歷史調(diào)查期年數(shù)； n 實(shí)測系列的年數(shù)； ln年中的特大洪水項(xiàng)數(shù)； a N年中能夠確定排位的特大洪水項(xiàng)數(shù)（含 資料內(nèi)特大洪水 l 項(xiàng)）； m 實(shí)測系列在n中由大到小排列的序號， m=l+1 ，l+2，.，n； Pm 實(shí)測系列第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率； PM 特大洪水第M序號的經(jīng)驗(yàn)頻率， M=1，2，.，a,1）獨(dú)立樣本法 把實(shí)測一般洪水系列與特大洪水系列都看作是從總體中獨(dú)立抽出的兩個隨機(jī)連序樣本，各項(xiàng)洪水可分別在各個系列中進(jìn)行排位。特大洪水系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為,實(shí)測系

12、列的經(jīng)驗(yàn)頻率仍按連序系列經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算,當(dāng)實(shí)測系列中含有特大洪水時，雖然這些特大洪水提到與歷史特大洪水一起排序，但這些特大洪水亦應(yīng)在實(shí)測系列中占序號，即實(shí)測系列的排序?yàn)?m=l+1,l+2,.,n,2）統(tǒng)一樣本法 將實(shí)測系列與特大值系列共同組成一個不連序系列，作為代表總體的一個樣本，不連序系列各項(xiàng)可在歷史調(diào)查期N年內(nèi)統(tǒng)一排位。 特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率仍采用下式： （n - l）項(xiàng)實(shí)測一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為,例6-4：特大洪水經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,5、考慮特大洪水時統(tǒng)計(jì)參數(shù)的確定 （1）初步估計(jì)參數(shù)矩法 假設(shè)系列中n-l年的一般洪水的均值為 、均方差為n-l，在假設(shè)它們與除去特大洪水后的N-a年總的

13、一般洪水系列的均值 、均方差 N-l 相等，即,的條件下可導(dǎo)出： 其中：xj特大洪水；xi一般洪水,Cs值： 對于Cv0.5的地區(qū)，Cs=(34）Cv； 對于0.51.0的地區(qū)，Cs=(23）Cv； 此外，還可以采用權(quán)函數(shù)法來估計(jì)Cs,四、頻率曲線線型選擇 P-型頻率曲線 五、頻率曲線總體參數(shù)估計(jì) 1.經(jīng)驗(yàn)適線法（目估適線法） 盡量照顧點(diǎn)群的趨勢 曲線通過點(diǎn)群中心 側(cè)重考慮中上部的較大洪水點(diǎn)據(jù) 對特大洪水作具體分析 2.優(yōu)化適線法（略,六、推求設(shè)計(jì)洪峰、洪量 求指定頻率的水文變量設(shè)計(jì)值,例6-5：某河水文站實(shí)測洪峰流量資料共30年，歷時特大洪水2年，歷時考證期102年，試用矩法初選參數(shù)進(jìn)行配線

14、，推求該水文站200年一遇的洪峰流量,某站洪峰流量頻率曲線,取C v=0.7，令Cs=3Cv。查附表2，得不同頻率P的KP值。則 Q P=K P Q或查附表1，得不同頻率P的 值，用公式計(jì)算 Q P,參數(shù)估計(jì),第一次適線結(jié)果,某站洪峰流量頻率曲線,某站洪峰流量頻率曲線,第二次（最終）適線結(jié)果,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 Q0.5%=4.87587=2859m3/s 或：查附表1，得=4.84，代入 有： Q0.5%=587 （1+0.84.84） = 2859m3/s,七、設(shè)計(jì)洪水估計(jì)值的抽樣誤差 頻率計(jì)算是用有

15、限樣本估算總體的參數(shù)，必然存在誤差。 統(tǒng)計(jì)參數(shù)的誤差與所選的頻率曲線線型有關(guān)。當(dāng)總體分布為P-型，對于n年連序序列，用矩法估計(jì)參數(shù)時，樣本的均方誤的計(jì)算公式為,均值的相對誤差為： 設(shè)計(jì)洪水xp的均方誤近似公式為： 其中：B為CS和P的函數(shù)，查諾模圖。 規(guī)范規(guī)定：對大型或重要的中型工程，應(yīng)計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)洪水的抽樣誤差。經(jīng)綜合分析檢查，如果成果偏小，應(yīng)加安全修正，一般不超過計(jì)算值的20,或,八、計(jì)算成果的合理性檢驗(yàn) （1）檢查洪峰、各時段洪量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與歷時之間的關(guān)系； 歷時增長，均值增大，Cv、Cs一般減小,第三節(jié) 設(shè)計(jì)洪水過程線的推求 定義：設(shè)計(jì)洪水過程線是指具有某一標(biāo)準(zhǔn)的洪水過程線。 作用 ：

16、調(diào)洪演算，以確定防洪建筑物的規(guī)模尺寸等。 方法：類似推求設(shè)計(jì)年徑流的年內(nèi)分配，從實(shí)測資料中選取典型洪水過程線，按設(shè)計(jì)洪峰、洪量放大，即得設(shè)計(jì)洪水過程線。 同頻率放大、同倍比放大,一、典型洪水過程線的選擇 1、考慮原則： 峰高量大，接近設(shè)計(jì)條件下的稀遇洪水。 代表性，其發(fā)生季節(jié)、地區(qū)組成、洪峰次數(shù)、峰量關(guān)系能代表本流域大洪水。 對安全不利，峰型集中、主峰靠后,一般地：若符合條件的洪水過程可能不止一條，也可以選擇幾個典型過程，分別推求設(shè)計(jì)洪水過程線，供調(diào)洪計(jì)算時分析比較。 例如丹江口水庫設(shè)計(jì)時，就曾選擇了1935年和1964年洪水兩個典型，前者是夏季洪水的典型，后者是秋季洪水的典型,二、放大方法

17、1、同頻率放大（峰量同頻率放大法） 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，其余兩天的放大倍比,特點(diǎn)：放大后的過程線，其洪峰流量和各時段的洪量都符合同一設(shè)計(jì)頻率。 注意： 1. 時段劃分，不宜過多，一般以3段或4段為宜； 2. 對于放大后過程線的不連續(xù)現(xiàn)象，可徒手修勻，修勻后仍應(yīng)保持洪峰和各時段洪量等于設(shè)計(jì)值,2. 同倍比放大 按洪峰控制的放大倍比： 按洪量控制的放大倍比,特點(diǎn)：用同一放大倍比放大典型過。 注意： 1. 用峰控制還是用量控制，要看峰、量哪個其主要作用； 2. 設(shè)計(jì)洪水過程線的峰或量偏離設(shè)計(jì)值?！耙苑蹇刂啤?，則洪峰等于設(shè)計(jì)值，洪量不一定等于設(shè)計(jì)值；“以量控制”，則時段洪量等于設(shè)計(jì)值，而洪峰不一定等于設(shè)計(jì)值,設(shè)計(jì)洪水推求基本步驟,推求設(shè)計(jì)洪峰流量、時段洪量,選擇典型洪水過程線,縮放典型洪水