水文学第四章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 设计洪峰流量与水位计算,第一节 概述,一、问题的提出,在河流上兴建水库，目的在于兴利除害。为了兴利（灌溉、发电等），需要设置一定的兴利库容，调节年、月径流，使之符合人们的要求。,但水库单单有兴利库容是否就行了,第六章 设计洪峰流量与水位计算第一节 概述,1,为水利水库自身安全和下游防护区的安全，还必须设置一定的库容拦蓄洪水。,设计洪水拦洪库容设计洪水位；,校核洪水调洪库容校核洪水位;,水库泄洪泄洪建筑物；,为水利水库自身安全和下游防护区的安全,2,死水位Z,死,和死库容V,死,；正常蓄水位Z,蓄,和兴利库容V,兴,；,防洪限制水位Z,限,和结合库容V,结,；防洪高水位Z,防,和防洪库容V,防,；,设计洪水位Z,设,和拦洪库容V,拦,；校核洪水位Z,校,与调洪库容V,调,；,水库总库容：V总= V,死,+ V,兴,+ V,调,- V,结,死水位Z死和死库容V死；正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴 ；,3,三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，100年一遇洪水位166.9m，设计洪水位（1000年一遇）175m，校核洪水位180.4m，坝顶高程185m。总库容393亿m,3,（175m以下），兴利库容165m,3,，防洪库容221.5m,3,，水库库面面积1084km,2,。,三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落,4,二、设计洪水的涵义和设计标准,水库防洪设计的依据。,两类水库防洪问题：,1. 水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大,Q,t,情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要的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,二、设计洪水的涵义和设计标准,5,2. 下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不超过某一流量值。,如何设计防洪库容？,防护对象的设计洪水。,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。,2. 下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不,6,如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问题，即,设计标准,。,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。,确定设计标准是一个非常复杂的问题。,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）,GB50201-94防洪标准,如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问,7,水工建筑物的防洪标准：,水工建筑物的防洪标准：,8,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。不超过这种标准的洪水来临时，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。,正常运用标准设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄,9,防护对象的防洪标准：,防护对象的防洪标准：,10,三、 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，如葛洲坝电站，其泄洪闸以设计洪峰流量控制（Qm=110000m,3,/s)。,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m,3,。,一般水库都以峰和量同时控制。,三、 设计洪水的内容,11,四、设计洪水的计算途径,1、由流量资料推求设计洪水,适用条件：设计断面有足够的实测流量资料,2、由暴雨资料推求设计洪水,适用条件：设计断面流量资料不足而雨量资料较好时,3、地区综合法推求设计洪水,适用条件：设计流域（主要是小流域）缺乏降雨径流资料时,四、设计洪水的计算途径,12,第二节 设计洪峰流量及设计洪量的推求,一、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 设计洪峰流量及设计洪量的推求,13,2. 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。,2. 资料一致性的审查与还原,14,3. 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2030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。,3. 资料代表性的审查与插补延长,15,二、样本选取,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。,二、样本选取,16,T=1,天,T=5,天,T=3,天,t(d),Q(m,3,/s),Q,m,W,1,W,5,W,3,T=1天T=5天T=3天t(d)Q(m3/s)QmW1W5W,17,在洪水资料审查中，样本的代表性要求洪水系列长2030年，并有特大洪水加入。,那么下面主要讲什么是特大洪水、为什么要加入特大洪水、加入特大洪水进入后如何进行处理等问题,在洪水资料审查中，样本的代表性要求洪水系列长2,18,三、特大洪水的处理,1.概述,(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).,三、特大洪水的处理,19,历史调查期,实测期,Q,N,Q,N,资料内特大洪水,资料外特大洪水,(历史特大洪水),一般 时，Q,N,可以考虑作为特大洪水处理。,历史调查期,实测期,历史调查期实测期QNQN资料内特大洪水资料外特大洪水一般,20,（2） 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。,从发生年代至今为最大,N=设计年份 - 调查期发生年份 + 1,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,（2） 特大洪水重现期,21,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Q,m,110000m,3,/s。,N,n,1992,1870,Q,m,110000m,3,/s,如此洪水为1870年以来为最大，则N=1992-1870+1123（年）。这么大的洪水平均130年就发生一次，可能性不大。,例1992年长江重庆宜昌河段洪水调查Nn1992187,22,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。,N,n,1992,1870,Q,m,110000m,3,/s,1153,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,N1992-1153+1840（年）。,又经调查，在四川忠县长江北岸2km处的选溪山洞中,23,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。,这样确定特大洪水的重现期具有相当大的不,24,（3）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（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。,（3）为什么要考虑特大洪水？,25,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，,Q,0.1%,=12600m,3,/s,；,1956年发生特大洪水Q=13100m,3,/s，直接加入资料系列（n=19），未做特大洪水处理，,Q,0.1%,=25900m,3,/s,；,将1956年洪水做特大洪水处理，但不加历史特大洪水，,Q,0.1%,=19700m,3,/s,；,再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939）， Q,0.1%,=,22600m,3,/s；,1963年又发生了一次特大洪水 Q=12000m,3,/s ，加入并做特大洪水处理，,Q,0.1%,=23300m,3,/s。,例：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算：,26,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。,由此可见加入特大洪水有助于提高样本的代表性和,27,2.考虑特大洪水时经验频率的估算,加入特大洪水后，资料系列的特征：,（1）,连序系列和不连序系列：,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。,2.考虑特大洪水时经验频率的估算缺测 所谓“连,28,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。,所以特大洪水加入系列后，样本成为不连序,29,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,；,P,m,实测系列第,m,项的经验频率；,P,M,特大洪水第,M,序号的经验频率，,M,=1,2,.,a,设：,30,N,n,a,项特大洪水M=1,2,.,a,实测期内特大洪水，,l,项,.,.,T,Q(m,3,/s),.,.,实测一般洪水，,n-,l,项,m=,l,+1,l,+2,.,n,缺测,Nna项特大洪水M=1,2,.,a实测期内特大洪水，l项,31,（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。,（2）独立样本法特大洪水系列的经验频率计算公式为： 当实,32,（2）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：,（2）统一样本法(n-l)项实测一般洪水的经验频率计算公式为,33,a,项特大洪水,M,=1,2,.,a,实测期内特大洪水，,l,项,.,.,P,Q(m,3,/s),.,P,m,P,M,实测一般洪水，,n-,l,项,m=,l,+1,l,+2,.,n,.,P,Ma,1-P,Ma,a项特大洪水M=1,2,.,a实测期内特大洪水，l项.,34,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。,上述两种方法，我国目前都在使用。一般说,35,例6-1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=33,N,1,=70,N,2,=141,1921,1949,1903,1949,1921,1867,1852,1832,1972,1903,1832,1935,例6-1某站自19351972年的38年中，有5年因战,36,独立样本法：,1852年,1832年,1921年,1867年,调查期N,2,=141：,统一样本法：,同独立样本法,独立样本法： 1852年1832年1921年1867年调查期,37,独立样本法：,1949年,1903年,1921年 已抽到上面排序,调查期N,1,=70：,统一样本法：,独立样本法： 1949年1903年1921年 已抽到上面,38,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：,.,.,.,独立样本法： 1940年1968年1949年 已抽到上面,39,3.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,x,n-l,、均方差为,n-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,x,N-a,、均方差,N-a,相等，即:,x,j,特大洪水；,x,i,一般洪水,则可导出：,3.考虑特大洪水时统计参数的确定xj特大洪水；xi一,40,（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：,y,1,=a+bx,1,y,2,=a+bx,2,解之可得a，b,（2）三点法初估参数解之可得a，b,41,我们知道,P,-型曲线有三个统计参数，,x,，,Cv,，,Cs,，于是在经验频率曲线上任选三点:,根据,P,-型曲线的性质有：,x,P,x,P,1,x,P,2,x,P,3,P,1,P,2,P,3,（,P,1,x,P1,)，(,P,2,x,P2,)，(,P,3,x,P3,),我们知道P-型曲线有三个统计参数，x，Cv，C,42,联解得：,令：,S,是,Cs,的函数，称偏度系数。计算时，可由计算的,S,值，查,S,Cs,关系表，求,Cs。,再查,Cs,值表，得,(,P,1,Cs,)，,(,P,2,Cs,)，,(,P,3,Cs,)。,联解得：令：S是Cs的函数，称偏度系数。计算时，可由计算的S,43,再联解下式,得；,三点的选取一般为：,15099% 35097%,55095% 105090%,再联解下式得；三点的选取一般为：15099%,44,例6-2已知某水库坝址处共有19721954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(%),Q,m,(m,3,/s),2080,760,260,5%,50%,95%,选点：,Q,5%,=2080m,3,/s,Q,50%,= 760m,3,/s,Q,95%,= 260m,3,/s,例6-2已知某水库坝址处共有19721954年19年的,45,计算S值：,由S查得：,由Cs查附表1值表，得：,计算得：,计算S值：由S查得：由Cs查附表1值表，得：计算得：,46,Cs,值：,对于,Cv,0.5的地区，,Cs,=(34）,Cv,；,对于0.51.0的地区，,Cs,=(23）,Cv,；,此外，还可以采用,权函数法,来估计,Cs。,Cs值：,47,四、频率曲线线型选择,P型频率曲线,五、频率曲线参数估计,1.经验适线法（目估适线法）,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）对特大洪水作具体分析,2.优化适线法,四、频率曲线线型选择,48,六、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P型）；,（3）,参数估计,x,、,Cv、 Cs；,（4）,根据,x,、,Cv、Cs，,查,附表1,或,附表2,，计算,x,p,值，以,x,p,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，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。,六、推求设计洪峰、洪量,49,水文学第四章课件,50,水文学第四章课件,51,取,Cv,=0.7，令,Cs,=3,Cv,。,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,值，用式（7-44）计算,Qp。,取Cv=0.7，令Cs=3Cv。,52,水文学第四章课件,53,水文学第四章课件,54,水文学第四章课件,55,水文学第四章课件,56,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,Q,0.5%,=4.87 587=2859m,3,/s,或,查附表1，得=4.84，代入,有 Q,0.5%,=587（1+0.84.84）= 2859m,3,/s,求200年一遇的洪峰流量？有 Q0.5%=587（1+0.,57,七、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P型，对于n年连序序列，用矩法估计参数时，样本的均方误的计算公式为,：,七、设计洪水估计值的抽样误差,58,均值的相对误差为：,设计洪水,x,p,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，一般不超过计算值的20%。,均值的相对误差为：设计洪水xp的均方误近似公式为： 在,59,八、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。,P,Q W,7d,5d,3d,八、计算成果的合理性检验PQ W7d5d3d,60,(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,P,W,3d（下游站、干流站）,3d（上游站、支流站,）,(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,61,（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。,（3）与暴雨频率分析结果进行比较,62,这节课的主要内容：,（1）设计洪水概念、方法和内容；,（2）洪水资料的三性审查；,（3）特大洪水的概念，为什么要考虑特大洪水？,（4）考虑特大洪水时经验频率和统计参数的计算。,这节课的主要内容：,63,作业：,某水文站实测有1938年至1992年最大洪峰流量资料，其中最大的五年洪峰流量依次为28400m,3,/s，13200m,3,/s，9850 m,3,/s，8560 m,3,/s，8450 m,3,/s。另外，调查到1927年发生一次洪峰为32000 m,3,/s是1856年以来最大一次洪水，1856年至1938年间其余洪水的洪峰流量均在15000 m,3,/s以下，试用统一样本法计算上述六项洪峰流量的经验频率。,作业：,64,