由流量资料推求设计洪水

会计学1由流量资料推求设计洪水

水利工程（水库、大坝）的作用：

1.兴利

2.防洪

6.1概述

水利工程的规模取决于河流来水量

1.

年径流、月径流过程年径流、月径流过程——兴利库容——Z正

2.洪水过程

设计洪水——拦洪（防洪）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1页/共79页第2页/共79页一、水库两类防洪问题：

1.

水库本身安全防洪问题当发生某一特大洪水情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，需确定溢洪道高程Z0和宽度B及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

2.

下游地区防洪安全问题为保证下游地区安全，要求水库下泄流量q不超过某一安全流量值q安。这时就要求水库蓄水。同样需确定溢洪道高程Z0和宽度B及坝顶高程等工程规模数据。

如何设计防洪库容？

——防护对象的设计洪水。第3页/共79页二、水库调洪作用

1.洪水概念右图中：

T1——涨水历时

T2——退水历时

T——洪水总历时

W——一次洪水总量

Qm——洪峰流量

洪水三要素：洪峰、洪量及洪水过程QtBCAT1T2TQmW洪水过程

2.水库调洪作用

削峰、蓄洪不同的洪水过程Q～t,经水库调洪，得到的Zm(V防洪)不同。第4页/共79页第5页/共79页三、设计洪水和设计标准

1.设计洪水

定义:为解决各类防洪问题，所提供的作为规划设计依据的各种设计标准的洪水。

性质：①它的设计标准是多少；②在某一标准下，如何确定设计洪水（设计洪峰、时段设计洪量和设计洪水过程线）。

分类：①设计洪水；②校核洪水

2.设计标准概念：根据工程的重要性，选定不同频率作为设计依据。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。

对于水利工程，常考虑两种防洪设计标准：

正常运用标准：水库枢纽正常运行，而不被破坏的标准。对应着设计洪水。

非常运用标准：水利工程不正常运用，主要水工建筑物必须确保安全的标准。对应着校核洪水。第6页/共79页

确定设计标准是一个非常复杂的问题。一般要结合水利工程及其主要建筑物的等级来综合确定。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）》第7页/共79页第8页/共79页四、设计洪水计算的基本方法和内容

1.我国推求设计洪水的发展

（1）历史最大洪水加大法以历史上发生过的最大洪水再加上一个安全值作为设计洪水。缺点：①对未来洪水超过历史最大洪水的可能性考虑不足，降低了工程的安全程度；②对大小不同，重要性不同的工程采用同一个标准，显然不合理。

（2）频率计算法

以符合某一频率的洪水作为设计洪水，如百年一遇、千年一遇等。该法将洪水作为随机事件，根据概率理论由已发生的洪水来推估未来可能发生的符合某一频率标准的洪水作为设计洪水。此法克服了历史加大法存在的缺点，根据工程的重要性和工程规模选择不同的标准，适用面较宽，在我国水利、电力、交通设计中应用广泛。

第9页/共79页

(3)水文气象法因频率计算缺乏成因概念，如果资料太短，用于推求稀遇洪水根据就很不足。且近年来，我国一再出现超标准的特大洪水，设计标准一再提高。水文气象法从物理成因入手，根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下，可能发生的最大洪水作为设计洪水。

2.设计洪水的内容

设计洪水三要素

设计洪峰流量、设计洪量、设计洪水过程线对于桥梁、涵洞、调节性能小的水库，一般可只推求设计洪峰流量。对于大型水库，调节性能高，可以洪量控制，即库容大小主要由洪水总量决定。如三峡水库，拦洪库容300.2亿m3。一般水库都以峰和量同时控制。

第10页/共79页3.设计洪水计算途径

1.直接途径

由流量资料直接推求设计洪水的方法

2.间接途径由降雨资料间接推求设计洪水的方法五、由流量资料推求设计洪水计算的布骤

1.洪水资料的收集和审查；

2.根据水利工程的重要性，确定防洪设计标准P；

3.作洪峰流量Qm、各种时段洪量Wt(t=1d,3d,7d)的频率计算，分别求出设计标准P下的设计洪峰流量QmP和各种时段设计洪量WtP；

4.推求设计洪水过程线。第11页/共79页第六章由流量资料推求设计洪水6.1概述

6.2设计洪峰流量QmP及设计洪量WtP的推求

6.3设计洪水过程线的推求

6.4分期设计洪水第12页/共79页一、洪水资料的选样

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，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。采用年最大值法选样从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。

固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天。大流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域，调洪能力小的工程，可以取得短一些（3小时、6小时、12小时等）。

洪水资料包括实测洪水资料和调查的历史洪水资料。第13页/共79页月-日：7-47-57-67-77-87-97-107-117-12流量：704191390242037204730537045603170月-日：7-137-147-157-167-177-187-197-20流量：25002010173014801230110015802550月-日：7-217-227-237-247-257-267-277-28流量：32302490192014701090875875875实测洪水过程例:第14页/共79页二、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。

2.资料一致性的审查与还原

所谓洪水资料的一致性，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），和能与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.

第15页/共79页

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20～30年，并有特大洪水加入。当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，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。如:1)利用上、下站或邻近站洪水资料延展；

2）利用本站洪峰、洪量关系延展；

3）利用降雨资料延展。三、特大洪水的调查、考证与处理

1什么是特大洪水?

特大洪水是指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。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.

特大洪水可以发生在实测流量期间之内,也可以发生在实测流量期之外,前者称资料内特大洪水,后者称资料外特大洪水(历史特大洪水).

第16页/共79页历史调查期实测期QNQN资料内特大洪水资料外特大洪水(历史特大洪水)历史调查期实测期第17页/共79页

2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（N>>n）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。

例：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算：

1955年设计，资料n=18年，Q0.1%=12600m3/s；

1956年发生特大洪水Q=13100m3/s，直接加入资料系列（n=19），未做特大洪水处理，Q0.1%=25900m3/s；将1956年洪水做特大洪水处理,但不加历史特大洪水,Q0.1%=19700m3/s；再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939），Q0.1%=22600m3/s；1963年又发生了一次特大洪水Q=12000m3/s，加入并做特大洪水处理，Q0.1%=23300m3/s。第18页/共79页

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。第19页/共79页Nn19921870Qm＝110000m3/s

3特大洪水重现期

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。①从发生年代至今为最大

N=设计年份-调查期发生年份+1②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

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Qm＝110000m3/s。若此洪水为1870年以来为最大，则

N=1992-1870+1＝123（年）这么大的洪水平均130年就发生一次，可能性不大。

第20页/共79页

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。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

N＝1992-1153+1＝840（年）Nn19921870Qm＝110000m3/s1153

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21页/共79页

4特大洪水的调查与计算

调查历史文字记载、洪水痕迹调查、走访等形式。

计算

1）水位-流量关系曲线法

2）比降法

QZZ河流纵断面第22页/共79页四、设计洪峰流量QmP及设计洪量WtP的推求

1.资料条件

设有a年特大洪峰流量资料Qmi(i=1,2,…,a),其中可能有l项实测大洪水;n年实测洪峰流量资料Qmj(j=l+1,l+2,…,n),Nn19921870Qm＝110000m3/s1153第23页/共79页2.考虑有特大洪水时经验频率的估算（1）加入特大洪水后,资料系列的特征：不连序。缺测

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。第24页/共79页

所以特大洪水加入系列后，样本成为不连序系列，其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计算方法，称为特大洪水处理。考虑特大洪水时经验频率的计算基本上是采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算的方法。目前国内有两种方法计算特大洪水与一般洪水经验频率：独立样本法、统一样本法。第25页/共79页Nna项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......TQ(m3/s)......实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n缺测关键：确定a，l

，N。第26页/共79页设：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第27页/共79页（2）独立样本法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。第28页/共79页Nn199218701153例：l=？a=？N=？提问：第29页/共79页（3）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。

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：第30页/共79页a项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......PQ(m3/s)...PmPM实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n...PMa1-PMa第31页/共79页

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。第32页/共79页[例6-1]某站自1935～1972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=33N1=70N2=141192119031949186718521832197219031832193519211949第33页/共79页独立样本法：

1852年1832年1921年1867年调查期N2=141：统一样本法：

同独立样本法第34页/共79页独立样本法：

1949年1903年1921年已抽到上面排序调查期N1=70：统一样本法：

第35页/共79页独立样本法：

1940年1968年1949年已抽到上面排序实测期n=33：统一样本法：

.........第36页/共79页3.考虑特大洪水时统计参数的确定（1）初步估计参数——矩法假设系列中n-l年的一般洪水的均值为xn-l、均方差为σn-l，它们与除去特大洪水后的N-a年总的一般洪水系列的均值xN-a、均方差σN-a相等，即:xj——特大洪水；xi——一般洪水则可导出：第37页/共79页Nna项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......tQ(m3/s)......实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n缺测第38页/共79页

求P-Ⅲ型曲线三个统计参数：x，Cv，Cs，在经验频率曲线上任选三点.根据P-Ⅲ型曲线的性质有xPxP1xP2xP3P1P2P3（P1,xP1)，(P2,xP2)，(P3,xP3)（2）三点法初估参数如已知某曲线的数学方程，用选点法可确定方程中的参数。

[例]直线方程y=a+bx

在直线上任选两点，有：

y1=a+bx1y2=a+bx2

解之可得a，b第39页/共79页联解得：令：S是Cs的函数，称为偏度系数。计算时，可先计算S值，查S—Cs关系表，求Cs。再查Cs—Φ值表，得Φ(P1,Cs)，Φ(P2,Cs)，Φ(P3,Cs)。第40页/共79页再联解下式得：三点的选取一般为：1～50～99%3～50～97%5～50～95%10～50～90%第41页/共79页[例6-2]已知某水库坝址处共有1972～1990年19年的实测洪峰流量资料。另外，通过历史洪水调查得知，1922年发生过一次大洪水，是1922年来最大，1963年洪水则为第二大洪水。试根据点绘的经验频率曲线，用三点法初估参数。P(%)Qm(m3/s)20807602605%50%95%选点：Q5%=2080m3/sQ50%=760m3/sQ95%=260m3/s第42页/共79页计算S值：由S查得：由Cs查附表1Φ值表，得：计算得：第43页/共79页4、推求设计洪峰、洪量

1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PⅢ型）；

3初估参数x

、Cv

、Cs

；

4根据x、Cv、Cs，查附表1或附表2，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(多次配线)，从中选择一条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线；

6求指定频率的水文变量设计值。（3）Cs值：对于Cv

≤0.5的地区，Cs=(3～4)Cv

；

对于0.5<Cv

≤1.0的地区，Cs

=(2.5～3.5)Cv；

对于Cv

>1.0的地区，Cs=(2～3)Cv；第44页/共79页5、洪水频率计算时注意事项

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）如拟合不好，可考虑特大洪水重现期的调整五、算例确定a,l,n,N，排序并计算经验频率，点绘经验点据；

a=2l=0n=30N=102第45页/共79页第46页/共79页第47页/共79页取Cv=0.7，令Cs=3Cv。查附表2，得不同频率P的Kp值。则Qp=Kp×Q或查附表1，得不同频率P的Φ值，计算Qp。2用矩法初估统计参数第48页/共79页第49页/共79页第50页/共79页第51页/共79页第52页/共79页求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%=4.87×587=2860m3/s或查附表1，得Φ=4.84，代入有Q0.5%=587×（1+0.8×4.84）=2860m3/s

第53页/共79页六、设计洪水估计值的抽样误差

频率计算是用有限样本估算总体的参数,必然存在误差.

统计参数的误差与所选的频率曲线线型有关。当总体分布为PⅢ型，对于n年连序序列，用矩法由样本估计统计参数时，其均方误的计算公式为：第54页/共79页设计洪水xp的均方误近似公式为：

在实际工作中，对大型或重要的中型工程，应计算校核标准洪水的抽样误差。如果成果偏小，应加安全修正ΔxP：一般不超过计算值的20%。设计洪水采用成果：xp++ΔxP式中，B——为Cs与P的函数，见B值若莫图。第55页/共79页七、计算成果的合理性检验（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，均值增大，Cv、Cs一般减小。PQW7d5d3d第56页/共79页(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，均值增大、模数减小PW3d（下游站、干流站）3d（上游站、支流站）（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57页/共79页第六章由流量资料推求设计洪水6.1概述

6.2设计洪峰流量QmP及设计洪量WtP的推求

6.3设计洪水过程线的推求

6.4分期设计洪水第58页/共79页

目的：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模、尺寸等。

定义：设计洪水过程线是指具有某一标准的洪水过程线。方法：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，根据设计洪峰、时段设计洪量按一定比例缩放典型洪水过程线，得设计洪水过程线。

第59页/共79页一、典型洪水过程线的选择

1

选择典型所考虑的因素：

1）洪水（尤其是特大洪水）的形成规律和天气条件；

2）洪水过程特征，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。

2典型洪水选择原则：

1）峰高量大原则尽量选择峰高量大的接近设计条件下的实测洪水过程；

2）代表性原则从季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等方面考虑；

3）对工程不利原则峰型集中、主峰靠后、与下游洪水遭遇。第60页/共79页二、典型洪水过程线放大

若符合条件的洪水过程可能不止一条，也可以选择几个典型洪水过程，分别推求设计洪水过程线，供调洪计算时分析比较。例如丹江口水库设计时，就曾选择了1935年和1964年洪水两个典型，前者是夏季洪水的典型，后者是秋季洪水的典型。放大方法峰量同频率控制方法(同频率放大法)峰或量同倍比控制方法(同倍比放大法)第61页/共79页第62页/共79页1.同倍比放大

1)概念用同一个放大倍数放大典型洪水过程线，从而得到设计洪水过程线的方法。

2）放大倍数计算

a.当洪峰起决定作用时，或调节性能低的水库，一般以洪峰控制，称“以峰控制”，其放大倍比：

典型洪峰流量设计洪峰流量第63页/共79页b.当时段洪量起决定作用时，或调节性能高的水库，一般以某时段洪量控制，称“以量控制”，其放大倍比：

其中t=1d,3d,7d,…设计时段洪量典型时段洪量3)典型洪水过程的缩放用同一个放大倍数放大典型洪水过程线，即：

典型洪水过程设计洪水过程第64页/共79页特点：用同一放大倍比放大典型过程。简单。注意：1.用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个起主要作用；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。典型洪水过程线设计洪水过程线第65页/共79页例：用同倍比放大法计算放大倍数解：当洪峰流量为控制时，放大倍数为：当3天洪量为控制时，放大倍数为：第66页/共79页2.同频率放大（峰量同频率放大法）

1)概念放大典型洪水过程线时，按洪峰和不同时段的洪量分别采用不同的倍比，使放大的洪水过程线的洪峰流量和各时段洪量分别等于设计洪峰流量和设计洪量。即放大后的洪水过程线为同一设计频率的方法。

2）放大倍数计算洪峰放大倍比：

第67页/共79页

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：最大7天洪量除最大3天以外，其余四天的放大倍比：其余类推第68页/共79页3)典型洪水过程的缩放用不同放大倍数放大典型洪水过程线，即：第69页/共79页

例：某水库设计标准P=1%的洪峰和1天、3天、7天洪量，以及典型洪水过程线的洪峰和1天、3天、7天洪量如下表。要求用同频率放大法计算放大倍数。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第70页/共79页

解：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：最大7天洪量除最大3天以外，其余四天的放大倍比：第71页/共79页三、同倍比法与同频率法的异同点

1.不同

1）概念不同

2）适用条件不同同倍比法：多峰洪水且洪峰或某时段洪量起作用同频率法：峰量关系不好且洪峰、洪量对调洪均起作用的的流域洪水

2.优缺点优缺同倍比：简单、快捷；峰、量不能保持同一频率；能保持典型洪水过程线的形状与设计标准有较大差异。同频率：峰、量同频率；复杂；

符合设计标准放大的典型洪水过程线的形状与实际有差异第72页/共79页第六章由流量资料推求设计洪水6.1概述

6.2设计洪峰流量QmP及设计洪量WtP的推求

6