设计流量和设计水位PPT课件

第四章设计流量和设计水位在桥渡水文计算中，需要确定符合一定频率的设计洪峰流量。由于我国幅员辽阔，各地水文、气象、地形、地貌、地质和水利设施等条件差异较大，存在一定的复杂性．一般应结合各地区的特点，采用多种方法进行计算，互相验证核对，选用其合理者。不论采用何种方法进行计算，历史洪水是一项不应缺少的重要资料，可以用它来弥补实测资料之不足．提高计算精度。§4-1桥涵洪水频率标准一、洪水由于降雨、融雪、融冰等原因，河床内水量剧增，水位猛涨，这种水文现象叫洪水。洪水包括洪峰、洪量及其洪水过程线。由于影响水文现象的因素(气象、地理、地貌等因素)非常复杂，一次洪水是众多因素组合的结果．所以各条河流的洪水不同，同一条河流各次洪水也不相同。如山区河流洪水暴涨暴落，洪水过程线比平原河流的洪水过程线尖瘦；又如，由于降雨雨型或流域形状的影响，洪峰可有单峰和多峰的不同。黄河1843年洪水水位过程线1843年(道光二十三年)黄河特大洪水首先见于文献记载。清代故宫档案道光二十三年十一月二十六日礼部尚 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 麟魁奏疏中说：“向年盛涨，三门山(原三门峡人、鬼、神三岛)出水尚有丈许。本年七月十四日河水陡发，直漫三门山顶而过。禹庙(建于鬼门岛对岸山崖)亦被冲刷。”二、设计洪水在规划设计水工建筑物时，要根据工程的任务和规模，从安全与经济综合考虑，拟定一个在修建及使用期间需要防御的某一级洪水，作为设计的标推和依据。这一洪水称为水工建筑物的设计洪水。如桥渡设计所依据的指定频率下的洪水，为桥渡设计洪水；在施工时作为渡洪依据的为施工设计洪水，作为防洪规划依据的为防洪设计洪水。三、设计洪水标准当河道中出现规定的某量级的洪水时，建筑物不破坏，这级洪水便是该建筑物的设计洪水标准。设计洪水标淮愈高，建筑物遭洪水破坏的可能性就愈小。§4-2洪水资料的处理洪水资料是频率计算的基础，是决定计算成果精度的关键。因此，在频率计算以前，应对本流域及相邻流城的有关情况进行详细调查研究，并作必要的处理，使基本资料具有一定的可靠性、独立性、一致性和代表性，满足频率计算的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。一、洪水资料审查洪水资料包括实测洪水资料和调查得到的历史洪水资料。对实测洪水资料的观测与整编要进行检查。检查重点放在观测及整编质量较差的年份。如发现问题，应会同原整编单位作进一步审查工作和必要的修正。对于历史洪水资料要进行审查，对其可靠程度进行评价。二、洪水资料的选样(一)选样原则应满足频率计算关于独立随机取样的要求。各样本的形成条件应具有同一基础。如：不能把暴雨洪水与春汛混在一起作为一个水文系列进行频率计算，不能把溃坝洪水加入—般洪水系列进行频率计算等等。(二)选样方法对于水工建筑物的洪水选样，洪峰流量采用年最大值法，即每一年中只选取最大的一个瞬时洪峰流量，作为频率计算的样本。当某些大水年份资料缺测和漏测时，应通过调查补全，或查明缺测值的量级大小。尽量使观测系列在时间顺序上是连续的随机样本。(三)洪水资料的还原当每年最大洪峰流量的一致性受到某种情况影响时，要消除影响，将资料改正到同一的基础上来，才能进行频率计算。这就是洪水资料还原。影响洪水资料一致性的原因有：流域内修建蓄水、引水、分洪、滞洪等工程，以及河流改道、决口、溃坝等情况。(四)洪水资料的插补延长插补延长的方法有：利用上(下)游站的流量资料进行插补延长，利用本站同次洪峰与洪量相关关系，由洪水总量推求洪峰流量，利用本流域暴雨资料插补延长。(五)洪水资料的系列代表性分析洪水资料系列代表性的审查是十分重要的工作。设计洪水成果的实际误差，或正或负，或大或小，主要取决于样本系列的代表性。对于水文观测系列，真正的总体是很难知道的，只能通过一些旁证借以判断短系列样本的代表性。如通过实测资料与调查考证资料进行对比，通过与邻近流域测站的长期资料进行对比，可以帮助我们对样本系列的代表性做出判断。从统计学角度看来，要提高样本的代表性，首先，样本应该是随机地抽自总体；其次，样本应该有足够的容量，第三，样本互相独立，并且与总体具有相同的概率分布例4-l某站有1941年-1970年的30年实测资料，还调查到自1911年以来的60年中，发生过于1913年、1917年、1923年、1933年、1939年、1943年等6次较大的历史洪水，而实测的1956年洪水则为60年中首位的特大洪水。此外，还有1926年、1960年两个大早年份。另外从文献资料中了解到自公元1500年以来的470年中，发生严重水旱灾害的次数为：特大洪水8年，较大洪水47年，大早年份15年。平均特大洪水60年发生一次，较大洪水平均10年发生一次，大早年份平均30年发生一次，根据以上30年和60年长短两个系列比较，实测的30年中具有一个特大洪水和一个次大洪水。从1911年到1970年的60年系列中，则除一个特大洪水外，而有6个较大洪水，2个大早年，这与470年的平均情况很相近，因此可以认为从1911年至1970年这个60年系列具有较好的代表性。§4-3关于特大洪水一、特大洪水没有一个明确的量的定义。一般指相当大的洪水。在概率格纸上，它的频率点与一般洪水的频率点有明显的脱节现象。在历史洪水中、在实测洪水中都有可能出现特大洪水需提出作单独处理。二、考虑特大洪水的重要性例4—2滹沱河黄壁庄水文站，从1918年开始观测流量，到1954年共有不连续的20年实测洪水资料，其中最大实测洪峰流量为3700m／s。在1958年推算设计洪水时．虽然已调查到四次历史洪水资料，但因为有人对它们定量的可靠性有怀疑，只用了实测的二十年资料进行推算，计算成果是：Q0.1%＝7500m3／s。两年后，1956年该站实测到特大洪水为13100m3/s,若以此资料加入系列，即有22年资料，推算出Q0.1%＝25900m3/s，它与前者相差三倍有余。这引起了人们的重视。经过再次实地调查和历史文献考证，根据河床断面冲淤，修正历史洪水流量；1794年Q＝25000m3/s；1853年Q＝18000m3/s；1917年Q＝13500m3/s，1935年Q＝8300m3/s。如果1954年就采用调查到的四次历史洪水资料，其中1794年按160年、350年以来的首位计算，得CV＝1.7；CS/CV＝3，Q0.1%＝30000m3/s。后来，在1963年又测得特大洪水Q＝12000m3/s。在1964年用全部资料进行计算，结果是：CV＝1.5,CS/CV＝3;Q0.1%＝31000m3/s。这与30000m3/s相比相差较少，可见计算结果已趋于稳定。也就是说，当增大样本容量、即考虑历史洪水时，可以提高计算成果的可靠性。    黄壁庄水库位于石家庄市西北30公里的太行山东麓，是滹沱河上一座以防洪为主，融灌溉、发电、城市供水、环境供水等于一体的大（Ⅰ）型水利枢纽工程，总库容12.1亿立方米，与上游的岗南水库联合运用，总控制流域面积23400平方公里，占滹沱河流域面积的95%。    水库于1958年10月动工兴建，1959年拦洪蓄水，1965年冬开始扩建，1968年基本建成，1968年至1998年间，先后进行多次改扩建和加固处理，1998年开始进行全面的除险加固。水库枢纽工程主要包括主坝、副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、电站重力坝、灵正渠电站等。水库经除险加固，达到部颁万年一遇防洪标准，成为海河南系重要的控制性工程。4月20日黄壁庄水库水情   黄壁庄水库4月20日8时水库水位112.76米，库容1.04亿立方米(岗南水库6.27亿立方米)，入库流量30.6立方米每秒，出库流量12.7立方米每秒，降雨12.6毫米。三、连序系列与不连序系列由实测和插补延长资料组成的系列中，如果没有特大洪水位需要提出单独处理，各项洪水值直接按其大小顺序统一排队，序号不间断，这一样本称为连序系列。当有特大洪水，需在更长的时期内进行排位，序号不连序，这种样本的系列称为不连序系列。例4—3图4—1表示某水文站从1930年到1983年，有54年实测资料，其中1949年为最大，经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81年中，为首的三次大洪水排位是1921年、1949年、1903年。并断定在81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，序位是1867年，1852年、1832年，而比1921年小的洪水已无法查清。图4-1某站实测系列资料若以1930年到1983年的洪水为一样本系列，1949年的洪水不作为特大洪水值，则可得到一个有54年资料按值大小排序位，有从1到54不间断序号的系列,即连序系列；若考虑特大洪水，从1903年到1983年80年中，按洪水值大小顺序排位，我们只能排出为首的三个，得到一个不连序系列。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)一般时，QN可以考虑作为特大洪水处理。历史调查期实测期[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。Nn19921870Qm＝110000m3/s如此洪水为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。§4-4有流量资料时设计洪峰流量的计算若从某水文测站取得n项实测年最大洪峰流量资料，同时还取得若干个特大洪水的数据，这时可用第三章介绍的方法推求设计洪峰流量。推算时可以根据洪水变化规律的特性，选择合适的“理论”频率曲线。下面以采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线为例，介绍加入特大洪水时构成不连序系列的设计洪峰流量计算的特点及方法步骤。一、经验频率的估算不连序系列中各项的经验频率可用下述两种方法中的一种进行估算：(一)方法一：将实测系列与特大洪水系列看作是从总体中独立抽出的几个随机连序样本。故各项洪水分别在所属系列中进行排位，实测系列仍按式(3-6)计算。若在实测系列中出现特大洪水，当提出特大洪水项后，计算其余各项洪水频率时,其样本容量n及序号m仍保持不变，即不重新排位。而在调查期N年中的前a项特大洪水(包括出现在实测系列中的特大洪水)，序位为M(M＝1，2,3,…a)的经验频率为：（4.1）若某项洪水可以同时在两个连序系列中排位时，其经验频率取其中抽样误差较小的，或参考其他情况选定。若按此法估算的历史洪水和实测系列前几项洪水的经验频率出现重迭现象时,则可将实测系列的前几项洪水，除保留其在实测系列中的位置外，另外按历史洪水重现期将其位置排在a个历史洪水之后，用公式(4.1)进行估算，修正其经验频率。(二)方法二：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样本，系列中各项在调查期N年内统一排位。在调查期N年中有特大洪水a项,其中有项发生在n年实测系列内,N年中的a项特大洪水的经验频率用公式(4—1)估算。实测系列中其余的(n—)项,因为抽样是在总体内小于末位特大洪水的条件下进行的，其经验频率估算公式为：式中为末位特大洪水的经验频率.所以上式可写为:（4.2）如果在N年之外，有更长的年内的调查洪水可同样把N与年组成不连序系列进行频率估算。二、估算统计系数(一)、的估算对于N年不连序系列，、可分别按以下情况估算：1、当实测n年系列资料为丰水年时,则计算参数时不考虑特大洪水值,按n年连序系列计算2、当实测n年为一般情况时，则可假定缺测年的平均情况与实测年相同，则有:3．当实测年代n为旱年时，可以采用(二)Cs的确定和、Cv的调整由于Cs的计算需要长期的资料才能取得较满意的结果,因此在目前洪水流量系列较短的情况下，普通采用适点法确定Cs值。对于洪峰流量系列，适点时尽量达到以下要求：1．尽量照顾点群的趋势，使曲线通过点群中间，如有困难，可侧重考虑上部和中部的点据。2．要分析各点据的峰量数值与相应经验频率的精度。资料精度不同可能使位置有一定的变动范围。适线时应区别对待,使曲线尽量靠近精度较高的点据。3．对调查考证期内为首几位特大洪水，要具体分析。一般说来，年代愈久的历史特大洪水加入系列进行适线，对合理选定统计参数是有较大作用的。但也应注意这些资料本身的误差可能较大。所以适线时不应机械地通过特大洪水点据,而使曲线脱离点群,也不能因要照顾点群趋势，使曲线离开特大洪水点据过远，应在其误差范围内调整。4．应考虑各统计参数在地区的变化规律三、计算设计洪水流量当统计参数最后确定后，可按式(3—27)计算设计洪水流量四、频率曲线的图解适线法频率曲线的图解适线是在频率格子上作图．要求“理论”频率曲线与经验频率曲线作到最佳适合．作图时，经验频率点据在曲线上不容许有任何变动．但“理论”频率曲线的各统计参数根据误差计算可适当调整适线时应尽量达到下列要求：1.应尽量照顾点群的趋势，使曲线通过点群中心．并使曲线各段上下两方的点数或总离差约略相等．而不宜过分牵就于个别偏离较大的点据．2.考虑到P—III型曲线的应用有一定的假定性，当不能兼顾曲线所有点据的符合时，曲线配合的主要对象应是中上部分的较大洪水点据，而对于下端点据的配合要求可以放宽。3.要分析点据的峰、量数值与经验频率的精度.要考虑到各个点据位置都可能有一定的变动范围．特别是历史上的洪水点据．在适线时对精度不同的点据不要同等对待，而应使曲线尽量靠近精度较高的点据．4．对调查考证期内为首几位特大洪水。要持一分为二的态度．一般来说．年代愈为久远的历史洪水，其作用越大，但其本身误差也较大．在适线时，既不宜使曲线机械地通过最大洪水的点据从而脱离了点群的趋势，但也不应离开大水点据过远超出一定的变动范围．5．在适线时要考虑不同历时洪水特征的统计参数的变化规律，以及同一洪水特征的统计参数在地区上的变化规律．五、P—III型曲线线型推求设计流量的应用统计参数初试值计算先将系列资料(包括实测、插补延长和调查资料)分别按年代顺序和流量递减顾序排列,再计算各项流量资料的经验频率，在机率格纸上绘成经验频率曲线以备适线。为了求得“理论”频率曲线，需先定出它的三个统计参数的初始值。下面介绍矩法、三点法两种方法供选用。1．矩法用矩法计算的初试值时，对于n年连序系列可采用公式计算，对于不连序系列如在迄今的N年中调查考证到为首a项的特大洪水其中有L个发生在n年实测与插补系列中，计算公式如前。在矩法计算中．通常参考地区统计经验选定一个,用矩法计算，抽样误差小于其他方法，一般可不加修正．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，用式（7-44）计算Qp。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=2859m3/s或查附表1，得Φ=4.84，代入有Q0.5%=587×（1+0.8×4.84）=2859m3/s2．三点法先在频率格纸上，通过点群中心目估绘制一条光滑的经验频率曲线。然后在线上读出P＝5、50、95%三点处的洪水值按下式计算偏度系数S：根据S值从表4—6中可查得值，根据值从表4-7中可查得相应的值，再用下列公式计算有关参数。式中:——离均系数．即P=5、50、95％时的离均系数。按本法计算时．选取的三点应尽量离得远一些．但也不宜超出实测范围太远。根据系列的长短，尚可选取P＝1、50、99％或P＝3、50、97％或P＝10、50、99％等不同组合，4.“理论”频率曲线的选配与设计流量值的计算根据上述办法计算得的初试值，计算相应的x-P(或K—P)在机率格纸上点绘“理论”频率曲线，与经验频率曲线进行比较．必要时变动统计参数，使两者达到最佳适合为止．通过适线，最后选定了理论”频率曲线及其统计参数，即可查取，用公式(4—7)计算出所需的相应频率的设计流量值。5．误差计算因水文计算中所依据的资料仅仅是样本，存在抽样误差．对某一个具体洪水样本系列，频率计算成果的实际误差是正是负，是大是小，只能通过系列代表性分析、合理性检查、地区综合统计等途径作出定性的或概略的估计．§4-5流量观测资料缺乏时洪峰流量的推求当桥址及上下游无洪水观测资料时，设计洪水值的计算可利用调查历史洪水的资料和其它间接的或经验性的资料来推算．一种是根据调查历史洪水的资料并配合地区经验确定P—III型曲线的三个参数值．然后计算设计洪水值；另一种是根据地区洪水经验公式直接求算设计洪水值。资料缺乏时洪峰流量的推求的方法一、根据调查历史洪水资料推求二、根据地区洪水经验公式推求三、可能最大洪水推算四、纯经验暴雨粗算法一、根据调查历史洪水资料推求若调查有几个历史洪水资料并能确定它们的重现期．则可采用海森机率格纸点绘成经验频率曲线．将曲线外延即可粗略读出设计洪水值。若调查到的历史洪水资料数量较少，则估算设计洪水值可按下列方法进行(由地区水文图集确定)因得式中：QP——规定频率的设计洪水流量（m3/s）Q——多年平均的最大洪水流量（m3/s）;QN——相当于某一频率的调查历史洪水流量（m3/s）;KP、KN­——相应于QP及QN的模量系数;——相应于QP及QN的离均系数。[算例4—9]根据调查到的三个历史洪水流量，Q＝150、112、97m3/s．其重现期相应为20、10、5年。求算Q1%计算步骤如下:1：计算值为2.从附录中,在T1＝20、T2＝10纵行下X=1.34查得;在T1=20、T2＝5纵行下X＝1.55查得以及在T1＝10、T2＝5纵行下X＝1.15查得3.在T2＝5附表中，的同一横行中查得，需要求的设计洪水流量为二、根据地区洪水经验公式推求使用地区洪水经验公式是在缺乏洪水资料时计算洪峰流量所常用的一种简易方法．在一个较小的地区范围内，水文、气象和地理条件常具有共同的特征，影响洪峰流量的因素和水文参数也往在存在一定的变化规律，地方各部门在多年生产实践中积累起来的洪水资料和计算经验是很宝贵的。三、暴雨特性及气象成因分析掌握设计流域的基本情况，分析设计流域的暴雨特性、气象成因是推求流域可能最大暴雨的基础工作．因此在研究暴雨特性和气象成因时，应适当扩大分析设计流域范围，并将天气、暴雨与流域、洪水的相互联系．其因果关系有无有机的结合．（一）、流域特性分析地形对大气运动有重要影响．是分析中的重点．在我国海陆分布情况，西藏高原对大气环流季节特征有显著影响．某些较大山脉地区又易形成一些特定的天气系统．山脉定向、地形起伏影响降水的分析和水汽的贮量．(二)、暴雨特性分析暴雨特性分析的方法主要应用统计归纳的方法．洪水是面雨的集中表现，故应首先掌握洪水情况并结合流域特性、天气形势对暴雨特性进行概括的分析了解．1．暴雨普查内容包括暴雨发生的季节．出现日期、持续时间、暴雨类别、暴雨总量、强度、暴雨笼罩面积、中心位置、雨轴方向及移速等．2．实测特大暴雨分析3．历史特大雨洪的分析根据调查和文献记载的资料情况，考虑整理统计项目，最终达到弄清历史特大雨洪的时空分配，暴雨类别及其发生机率．4．另外，在有条件的地方建立暴雨档案．三、可能最大洪水推算按上述内容得出设计流域的可能最大暴雨以后．便可按第五章有关方法推求可能最大净雨总量及时程分配，从而推求可能最大洪水过程线．目前水利部门和中央气象局等单位，已编制全国24h可能最大点暴雨等值线图．此图适用于中小流域推算可能最大洪水之用。四、纯经验暴雨粗算法中小流域常常缺乏降雨等气象资料，附近地区又缺乏实测特大暴雨资料．在这种情况下．可参考国内外特大暴雨资料作出的最大点雨量经验关系和时～面～深外包线，粗略估计设计流域的可能最大暴雨，并转化为可能最大洪水。下面摘要介绍一些国内外的经验公式：(一)世界最大点雨量的经验关系式中Hmax——最大点雨量(mm)；t——降雨历时(min)（二）我国最大点雨量经验公式(三)我国特大暴雨及个别地区时～面～深关系式中:F——暴雨笼罩面积（km2）；t——降雨历时（h）;a、b、c——经验系数。(四)淮河流域统计估算法的计算公式式中Hmax、——最大和平均雨深(mm)；——暴雨离差系数；——离均系数，对淮河流域，建议频率P＝0.001％，其＝12．§4-5小流域设计洪水一.推理公式:二.经验公式水科院公式海阳东村河、阎家河径流量计算实例作业P82:第6题;第7题.