水力学教程1015-第四章-年径流量及洪枯径流

第四章

年径流及洪枯径流4.5设计洪水流量与水位定义：河中流量急增，水位猛涨并具有一定危害性的大水洪水发生的原因：由于夏、秋季暴雨或大面积降雨引起的。此外，春季迅速融雪，冬季冰凌塞流等也造成灾害性洪水洪水设计洪水的确定方法：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。

此法把洪水作为随机事件，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，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，在给水排水、公路桥涵和水利、堤防设计中广泛应用此法水文气象法

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洪水设计洪水三要素：A.洪峰流量（Qm）的大小B.洪水流量逐时变化的情况

（洪水过程线：ABC曲线）C.一定时段内的洪水总量Wt（ABCDE曲线所包围的面积）Qm涨水历时落水历时一次洪水过程示意图洪水洪水

对于取水工程中的一级泵房，城市排洪工程、堤防工程，破坏问题主要取决于洪峰流量（或洪水水位），设计洪水问题可简化为设计洪峰流量（或洪水水位）；

容量很小的防洪水库，其破坏取决于一次洪水总量。入库洪水径流量超过水库拦蓄能力时即遭到破坏，此时设计洪水的含义可简化为设计洪水总量

对于较大水库，它有一定的调节功能，他的破坏与否，不仅取决于入库的洪水径流总量，还取决于泄洪方案及入库洪水的过程，这时设计洪水应考虑完整的洪水过程，即同时考虑洪水过程、洪峰流量及洪水总量

设计洪水考虑的设计频率标准实质上是工程的允许破坏率。工程建成后在使用年限中的破坏情况指的是连续K年的破坏率，计算式为：SK=1-(1-P)K式中，SK-连续K年的破坏率，也称风险率

K-工程应用年限

P-平均破坏率

工程破坏是对堤防、桥梁、涵洞、水库下游的防护河段及岸边的一级泵房而言，是指洪水流量超过了最大安全泄量而发生的漫溢淹没现象。实践中都以洪水的出现频率作为设计频率标准，也可用重现期来表示洪水洪水设计标准永久性水工建筑物的洪水设计标准

永久性水工建筑物指运行期间使用的建筑物a.主要建筑物：指失事后造成灾害或严重影响主要设备和设施使用的建筑物，如泵房、进水闸、出水管道和变电设施；b.次要建筑物：指失事后不造成灾害或对主要设备和设施使用影响不大并易于修复的建筑物，如护岸、挡水墙等设计洪水标准分为正常运用（设计标准）和非常运用（校核标准）两种情况，相应的洪水分别称为设计洪水和校核洪水

根据《室外给水设计规范》(GB50013-2006)，江河取水构筑物的防洪标准不应低于城市防洪标准，其设计洪水重现期不得低于100年。水库取水构筑物的防洪标准应与水库大坝的主要建筑物的防洪标准相同，并应采用设计和校核两级标准

泵房与水库工程分等指标如表3.4所示工程等级泵房装机流量m3/s水库总库容108/m3防洪供水保护城镇及工矿企业的重要性供水对象重要性I≥200≥10特别重要特别重要II200～5010～1重要重要III50～101～0.1中等中等IV10～20.1~0.01一般一般V<20.01~0.001——表3.4建筑物等级指标举例（GB/T50265-1997和SL252-2000）洪水设计标准

泵房与平原区水库永久性水工建筑物洪水标准如表4.11所示项目永久性水工建筑物级别资料来源12345泵房设计10050302010《泵房设计规范》GB/T50265-1997校核3002001005020水库设计300-100100-5050-2020-1010《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000校核2000-10001000-300300-100100-5050-20表4.11泵房与平原区水库永久性水工建筑物洪水标准（单位：年）注：此洪水标准指的是重现期洪水设计标准

公路和桥涵设计洪水频率如表4.12所示构造物名称公路等级高速公路一二三四特大桥1/1001/1001/1001/1001/100大、中桥1/1001/1001/1001/501/50小桥1/1001/1001/501/251/25涵洞及小型排水构造物1/1001/1001/501/25按具体情况确定路基1/1001/1001/501/25按具体情况确定表4.12公路和桥涵设计洪水频率表（JTGC30-2002和JTGB01-2003）洪水设计标准保障下游防护对象避免一定洪水威胁的防洪设计标准此类防洪设计标准取决于防护对象的重要性。当这种标准的洪水来临时，一般通过水库的调洪作用，控制下泄流量，使下游防洪控制点的洪水不超过那里的河道安全泄流量防护对象防洪标准城镇工矿区非农业人口/万人重现期/年特别重要城市≥150≥200重要城市特大型150-50200-100中等城市大型50-20100-50一般城市中型≤2050-20表4.13防护对象的防洪标准（GB50201-1994）洪水设计标准洪水资料审查可靠性

洪水资料可靠性审查的目的是减少观测和整编中的误差和改正其错误，重点是审查影响大的大洪水年份及非常时期。一般是通过各年水位流量关系的对比，上下游、干支流洪水过程的对比，与邻近河流的对比，暴雨与洪水径流的对比等方法来审查一致性

用数理统计法进行洪水频率计算的前提是要求资料满足一致性。需要对洪水资料进行还原计算，一般还原到不决口、不溃堤、不改道的正常情况。对于大面积的水土保持措施和大中型水利工程措施的影响，往往把资料还原到没有大规模人类活动影响之前的天然洪水状况代表性

洪水系列的代表性是指该洪水系列分布对于总体分布的代表程度。通常只能选取在同一气候、地理条件下具有长期资料的测站作为参证站，近似地作为总体。洪水资料选择由于受到观测资料的限制，同时也为了简化计算，通常用洪水过程的一些数字特征来反映洪水的特性，如洪峰流量Qm，一次洪水总量Wt，一日或三日的洪水量W1、W3等，并把他们作为随机变量来进行频率分析

所谓选样问题，指根据工程设计的要求选用哪些洪水的数字特征作为分析研究的对象，以及如何在连续的洪水时程中选取这些数字特征年最大值法

从每年实测资料中选取一个最大流量（或水位）组成样本系列的方法称为年最大值法

优点：独立性好，符合数理统计的要求

缺点：所选某年最大值可能小于其他某些年份的次大值，抛弃了不少宝贵的洪水信息；而有些年份虽然只发生了一些小洪水，但又必须从中选出一个来统计，这会使样本系列未必能代表洪水流量（或水位）的总体特点

洪水资料选择洪水资料选择超大值法与超定量法选样的区别超大值法选样的个数一般为实测年数的3-5倍

超定量法要选取≥标准值的样本，而超大值法则不需要考虑标准值问题超大值法与超定量法选样的相同点求次累积频率P’及次重现期T’的公式相同

【例】当a0=5，n=20年，求按大至小次序排列后资料第二项的次累积频率、年累积频率、次重现期、重现期洪水资料选择

洪水资料选择

选样方法的采用视设计要求而定。

超定量法可在制定暴雨公式时采用；

超大值法比较符合排水工程的设计条件，因此常在此类工程中用来选样，例如，雨水沟、内河码头，一般并不要求在一年中天天都保证不受水淹，而是允许一年内有几次超过标准的暴雨或洪水出现，因此宜用超大值法或超定量法；

在取水工程及水利工程中，往往不允许工程的正常运转受到多次破坏，因此，常以百年一遇，千年一遇或万年一遇为设计频率标准，为保证资料的独立性，宜用年最大法

设计洪峰流量或水位的推求频率分析中有关问题的说明

频率分析的目的是为了求一合适的理论累积频率曲线。

存在问题：P-III型曲线和克里茨基-闵凯里曲线在数学上虽有一定的理论根据，但以此作为水文系列几率分布的总体模型，则论证不足

解决方案：对于重要工程，计算成果还应结合物理成因加以分析，经过多方面的比较论证后才能作为设计依据。

目前对洪水资料进行频率分析，首选P-III型曲线

设计洪峰流量或水位的推求2.利用洪峰、洪量关系插补和展延利用本站或邻站（上下游站或邻近流域站）同次洪水的洪峰和洪量的相关关系，或洪峰流量相关关系进行插补和展延利用本流域暴雨和径流关系插补和展延径流系列

在湿润地区，因降雨与径流关系密切，而且因暴雨资料比径流资料容易收集，故常通过暴雨径流关系推算出洪峰流量。或者先通过产流汇流分析求出洪水过程线，然后再选取洪峰流量

注意：插补和展延年数不易过多，最多不得超过实测年数。建立相关关系至少有10组以上同步观测数据，点据在坐标中的分布应比较均匀，各点据与回归线的相对误差一般应<20%。相关线外延的幅度一般不宜超过实际变幅的50%。曲线相关时，其转折处要有实测点据控制。如果相关图的精度很差，则不要勉强用来插补和展延设计洪峰流量或水位的推求

设计洪峰流量或水位的推求【例】某站有1961-1987年连续实测洪峰流量资料，另调查考证至1888年，共得到大小不一的特大洪峰流量三个，试求最大项的重现期设计洪峰流量或水位的推求【解】N=T2-T1+1=（1987-1888+1）年=100年2.连续系列与不连续系列

洪峰流量系列分为两类：连续系列指的是连续实测、插补和展延的资料由大到小排序时，序号连续，如图所示，n为连续系列的项数有特大值的不连续系列

在N年内，除n年有实测记录外，其他年份为缺测年份，由大到小排序时存在一些空位，序号不连续，此种系列成为不连续系列

设计洪峰流量或水位的推求a+l个特大洪水汇中，l个发生在实测资料之内，称为资料内特大洪水；a个发生在实测系列之外，称为资料外特大洪水

适用于实测系列的代表性较好，而历史洪水排位可能有错漏的情况设计洪峰流量或水位的推求

适用于历史洪水排位无错漏的情况，目的为了避免历史洪水的经验频率与实测系列的经验频率重叠设计洪峰流量或水位的推求

设计洪峰流量或水位的推求设计洪峰流量或水位的推求

设计洪峰流量或水位的推求

设计洪峰流量或水位的推求(3)含特大值系列的偏态CSN的选取CSN值与一般资料的确定方法相同，按适线法试算

我国大部分河流洪峰流量资料的CSN值介于（2-4）CVN之间。北方河流的CVN值较大，CSN值接近2CVN；南方河流CVN值较小，CSN值接近4CVN