第七章設計洪水

第七章設計洪水第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日§5.1概述一、洪水與設計洪水流域內發(fā)生暴雨或融雪時所形成的大量地面徑流匯入河流，使河流中流量激增，水位猛漲，這便形成了洪水。第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日

減少洪水威脅或根治洪災，主要措施有兩類：（1）工程措施。采用一系列水利工程來防止或減輕洪災損失，常見的工程措施有：

蓄洪滯洪工程：湖泊、庫、分滯洪區(qū)

擋水防潮工程：閘、壩、堤防、防洪墻

排水泄洪工程：河道、排水渠、管道、泵站

伴水工程：橋梁、碼頭、沿河建筑第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日長江三峽水利樞紐第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日拱壩第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日

（2）非工程措施。指防洪工程以外的各種防止和減輕洪災損失的措施。為了解決一個地區(qū)或流域的防洪問題，需要作全流域的防洪規(guī)劃，包括選定各種工程或非工程措施的布設方案以及每項防洪工程的規(guī)模尺寸，為此，在規(guī)劃設計和運用管理這些措施時就會遇到一些水文問題。總的來說，設計洪水計算的目的是通過對暴雨、洪水等資料分析，尋求它們的規(guī)律，從而對未來長時期內的洪水情勢作出切實可靠的預估，推求出在設計地點將來可能出現(xiàn)的符合設計標準的洪水。第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日

對于水利樞紐工程的防洪問題，可分作兩類。一類是水庫下游地區(qū)的防洪問題，另一類是水庫本身安全的防洪問題。為考慮自身的安全要進行防洪計算，以確定水庫的設計洪水位、校核洪水位、調洪庫容和壩高等。

第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日二、設計洪水和設計標準

設計洪水是指符合設計頻率并用于工程設計的一次洪水。設計洪水包括洪峰流量、洪水總量和洪水過程線三部分。設計標準就是工程遭受破壞的風險。用洪水發(fā)生的頻率或重現(xiàn)期來定義。第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日

水利水電工程建筑物的設計標準取決于建筑物的等級，并分為正常應用（設計標準）和非常應用（校核標準）兩種情況。按正常運用的洪水標準算出來的洪水稱為設計洪水。當河流發(fā)生比設計洪水更大的洪水時，選定一個標準稱為校核標準。第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆

風險率

工程的防洪標準用標準的破壞率P表示。破壞率是指工程建成后很長時期內平均遭受破壞的可能性，即遭受破壞的概率。

SK＝1－P｛Q<QP｝＝1－(1－P)K

SK就是工程連續(xù)K年運行期間遭到破壞的概率，簡稱破壞率，又稱風險率。第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日三、設計洪水計算的內容和方法

設計洪水計算內容一般包括設計洪峰流量、不同時段的設計洪水總量和設計洪水過程線三項。工程特點不同，需要計算的設計洪水內容和重點也不同。第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日設計洪水的計算方法

由流量資料推求設計洪水

由雨量資料推求設計洪水

由氣象資料推求設計洪水

第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日由流量資料推求設計洪水：先求符合一定頻率的設計洪峰流量和時段設計洪量,然后通過典型縮放法構成一個完整的設計洪水過程線。

由暴雨資料推求設計洪水：假定暴雨與對應的洪水同頻率,先推求設計暴雨,經流域產流計算與匯流計算,最后求得設計洪水。

由氣象資料推求設計洪水：根據天氣形勢和風速、露點、降水等氣象資料,分析和推求可能最大暴雨,然后經流域產流與匯流計算求出可能最大洪水

第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日§5.2由流量資料推求設計洪水一、洪水資料的選樣與審查

采用洪峰流量和洪水總量作為特征值進行頻率計算，應采用年最大值原則選取洪水系列，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，組成洪峰流量和洪量系列。第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆洪水資料的審查與處理

洪水資料包括實測洪水資料和調查的歷史洪水資料，是洪水頻率計算的基礎，是決定計算成果精度的關鍵。在頻率計算前一定要對它們的可靠性、一致性和代表性進行審查和處理。

1.洪水資料可靠性審查與修正

2.洪水資料一致性審查與還原

3.洪水資料系列的代表性分析與展延第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆洪水資料的插補延長

根據短系列洪水資料進行頻率計算，成果可能有相當大的誤差，滿足不了洪水分析計算的要求，為擴大樣本容量，減小抽樣誤差，常用途徑是插補展延洪水資料系列，插補延長的方法一般有以下幾種。

1.根據上下游站的洪水特征值相關關系進行插補延長

2.利用本站峰量關系進行插補延長

3.利用暴雨徑流關系進行插補延長

4.根據相鄰河流測站的洪水特性特征值進行延長第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日二、設計洪峰流量和洪量系列的頻率計算◆歷史特大洪水調查的意義我國河流的實測流量資料系列一般不長，通過插補延長的系列也極有限。若只根據短系列資料做頻率計算，所得成果很不穩(wěn)定。往往出現(xiàn)一次新的大洪水以后，就使設計數值發(fā)生變動，如果在頻率計算中能夠正確利用特大洪水資料，所得成果就比較穩(wěn)定。第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日

所謂特大洪水是指比系列中一般洪水大得多的洪水，并且通過洪水調查可以確定其量值大小及其重現(xiàn)期。特大洪水可以發(fā)生在實測流量期間的n年之內，也可以發(fā)生在實測流量期間的n年之外，前者稱資料內特大洪水，后者稱資料外特大洪水（歷史特大洪水）。第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆歷史特大洪水的調查方法

歷史洪水調查的主要內容有：洪水發(fā)生時間、洪水位、洪水過程、主流方向、斷面沖淤變化及影響河道糙率的因素，并了解雨情、災情、洪水來源、有無漫流、分流、壅水、死水，以及流域自然條件等情況。在此基礎上，還要進行洪水痕跡高程測量及行洪斷面測量。洪水調查的方法是進行訪問、實地查勘和查閱歷史文獻檔案。第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆歷史特大洪水大調查考證期中的排位分析

大歷史特大洪水的洪峰、洪量定量以后，要對歷史洪水大某一時期內的以分析，即確定它們的排位期N和排位序號M，以計算它們的經驗頻率。第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日

排位分析時常可分出三種排位期。（1）考證期N1。（2）調查期N2

。（3）實測期n。第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日（三）洪峰流量經驗頻率的計算◆

經驗頻率的計算洪水系列（洪峰或洪量）有兩種情況。一是系列中沒有特大洪水值，大頻率計算時各項數值直接按大小順序統(tǒng)一排位，各項之間沒有空位，序數m是連序的，稱為連序系列。二是系列中有特大洪水值，特大洪水值的重現(xiàn)期（N）必然大于實測系列年數n，而大N－n年內各年的洪水數值無法查得，它們之間存在一些空位，由大到小是不連序的，稱為不連序系列。第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日

不連序系列的經驗頻率，有兩種估算方法。

1.獨立樣本法一般洪水的經驗頻率為：特大洪水的經驗頻率為：第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日

2.統(tǒng)一樣本法

n項實測一般洪水中第m項的經驗頻率為：式中m=1，2，…，n

若實測系列中有l(wèi)項作為特大值處理，則為：式中m=l+1，l+2，…，n第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日（四）統(tǒng)計參數的計算

用目估配線法確定統(tǒng)計參數，計算公式如下：第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日三、設計洪水過程線

設計洪水過程線是指具有某一設計標準的洪水過程線。為了適應工程設計要求，目前采用放大典型洪水過程線的方法，使其洪峰流量和時段洪水總量的數值等于設計標準的頻率值，即認為所得的過程線是待求的設計洪水過程線。放大典型洪水過程線時，可選用同頻率放大法和同倍比放大法。第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日（一）典型洪水過程線的選擇

典型洪水過程線是放大的基礎，從實測洪水資料選擇典型時，資料要可靠，同時考慮下列條件：（1）選擇峰高量大的洪水過程線。（2）要求洪水過程線具有一定的代表性。（3）從水庫防洪安全著眼，選擇對工程防洪運用較為不利的大洪水典型。第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日1.同倍比放大法

放大系數k的計算公式如下：（二）典型洪水過程線的放大第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.同頻率放大法

各種放大倍比的計算公式如下：第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日§5-3由暴雨資料推求設計洪水

我國大部分地區(qū)的洪水主要由暴雨形成。在實際工作中，中小流域常因流量資料不足無法直接用流量資料推求設計洪水而暴雨資料一般較多，因此可用暴雨資料推求設計洪水。一、概述第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日

二、設計暴雨計算（一）設計暴雨的推求

1）推求設計洪水。

2）推求設計洪水過程線。由求得的設計暴雨，利用產流方案推求設計凈雨過程，利用流域匯流方案由設計凈雨過程求得設計洪水過程。由暴雨資料推求設計洪水，其基本假定是設計暴雨與設計洪水是同頻率的。第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆暴雨資料的收集暴雨資料的主要來源是國家水文氣象部門所刊印的垣站網觀測資料，但也要注意收集有關部門專用雨量站和社隊群眾雨量站的觀測資料。強度特大的暴雨中心點雨量，往往不易為雨量站測到，因此必須結合調查收集暴雨中心范圍和歷史上特大暴雨資料，了解當時雨情，盡可能估計出調查地點的暴雨量。第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆暴雨資料的審查

我國暴雨資料按其觀測方法及觀測次數不同，分為日雨量資料、自記雨量資料和分段雨量資料三種。暴雨資料應進行可靠性審查，重點審查特大或特小雨量觀測記錄是否真實，有無錯記或漏測情況，必要時予以糾正。檢查自記雨量資料有無儀器故障的影響，并與相應時段雨量觀測記錄比較，盡可能審定其準確性。第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆統(tǒng)計選樣

在收集流域內和附近雨量站的資料并進行分析審查的基礎上，先根據當地雨量站的分布情況，選定推求流域平均（面）雨量的計算方法（如算術平均法、泰森多邊形法或等雨量線法等），計算每年各次大暴雨的逐日面雨量；然后選定不同的統(tǒng)計時段，按獨立選樣的原則，統(tǒng)計逐年不同時段的年最大面雨量。第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日

對于大、中流域的暴雨統(tǒng)計時段，一般取1d、3d、7d、15d、30d，其中1d、3d、7d暴雨是一次暴雨的核心部分，是直接形成所求設計洪水的總分而統(tǒng)計更長時段的雨量則是為了分析暴雨核心總分起始時刻流域的蓄水狀況。第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆面雨量資料的插補展延

一般來說，以多站雨量資料求得的流域平均雨量其精度較少站雨量資料求得的為高。為提高面雨量資料的精度，需設法插補展延較短系列的多站面雨量資料。一般可利用近期的多站平均雨量x多與同期少站平均雨量x少建立相關關系?；嚓P關系好，可利用相關線展延多站平均雨量作為流域面雨量。第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆暴雨的時面深關系1.平均雨量——面積曲線如圖所示，可以看出平均雨量隨籠罩面積的增大而減小。

2.平均雨量——歷時——面積曲線由圖可知，當降雨歷時一定時，暴雨所籠罩的面積愈大，則平均雨量愈??；當暴雨籠罩面積一定時，歷時愈長，雨量愈大。第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆點面關系

暴雨的點面關系在設計計算中，有以下兩種區(qū)別和用法。

1.定點定面關系對于一次暴雨某種時段的固定暴雨量，有一個相應的固定面暴雨量，則在定點定面條件下的點面折減系數α0：第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.動點動面關系在缺乏暴雨資料的流域上求設計面暴雨量時，以暴雨中心點面關系代替定點定面關系，即以流域中心設計點暴雨量及地區(qū)綜合的暴雨中心點面關系去求設計面暴雨量。這種暴雨中心點面關系是按照各次暴雨的中心與暴雨分布等值線圖求得的，各次暴雨中心的位置和暴雨分布不盡相同，所以說是動點動面關系。第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日三、設計凈雨的推求◆特大值的處理

特大值處理的關鍵是確定重現(xiàn)期。對特大暴雨的重現(xiàn)期必須作深入細致的分析論證，若沒有充分的依據，就不宜作特大值處理，若誤將一般大暴雨作為特大值處理會使頻率計算成果偏低，影響工程安全。第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆直接法求設計面雨量

面雨量統(tǒng)計參數的估計，一般采用適線法。第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆間接推求設計面暴雨量1.設計點暴雨量的計算推求設計點暴雨量，此點最好在流域的形心處，如果流域形心處或附近有一觀測資料系列較長的雨量站，則可利用該站的資料進行頻率計算，推求設計暴雨量。若長系列站不在流域中心附近，可先求出流域內各測站的設計點暴雨量，然后繪制設計暴雨量等值線圖，用地理插值法推求流域中心站的設計暴雨量。第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.設計面暴雨量的計算流域中心設計點暴雨量求得后，要用點面關系折算成設計面暴雨量。第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆設計暴雨時程分配的計算1.典型暴雨的選擇和概化典型暴雨過程應在暴雨特性一致的氣候區(qū)內選擇有代表性的面雨量過程，若資料不足也可由點暴雨量過程來代替。

2.縮放典型過程，計算設計暴雨的時程分配選定了典型暴雨過程后，就可有同頻率設計暴雨量控制方法，對典型暴雨分段進行縮放。第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆設計凈雨計算

凈雨量是指降雨扣除損失后剩余的雨量，又稱為產流量。設計凈雨的推求也就是設計條件下產流量的推求，是從設計暴雨中扣除損失量的計算過程。通常用間接的方法來確定，其常用方法有降雨徑流相關圖法和初損后損法兩種。第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日（二）降雨徑流相關法1.降雨徑流相關圖降雨徑流相關圖是指流域面雨量與所形成的徑流深及影響因素之間的相關曲線。

一般以次降雨量H為縱坐標，以相應的徑流深Y為橫坐標以流域前期影響雨量Pa為參數，然后按點群分布的趨勢和規(guī)律，定出一條以Pa

為參數的等值線。如圖所示。第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.降雨徑流相關圖的應用

利用降雨徑流相關圖由設計暴雨及過程可查出設計將士及過程。其方法是由時段累加暴雨量查降雨——徑流相關圖曲線得相應的時段累加凈雨量，然后相鄰累加凈雨量相減得到各時段的設計凈雨量。第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日

由實測降雨徑流資料建立起來的降雨——徑流相關圖，應用于設計條件時，必須處理如下兩方面的問題：（1）降雨徑流相關圖的外延。（2）設計條件下PαP的確定。第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日

設計產流過程的推求：利用降雨——徑流相關圖和PαP值，推求產流過程的具體步驟如下：

1）雨量過程按時序逐時段累加起來，求得時段累積雨量H1＝ΔH1，H2＝H1＋ΔH2

，H3＝H2＋H3，…。

2）在y

＝f（H1

＋PαP）圖上，用時段累積雨量加PαP值為縱坐標值，查讀橫坐標值，求得時段累積徑流深Y1、Y2、Y3…。

3）將各時段累積徑流深相減，即求得各時段徑流深，從而也就求得了產流過程，即ΔY1＝Y1，

ΔY2＝Y2－Y1，…。第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日3.設計凈雨的劃分

對于濕潤地區(qū)，一次妊所產生的徑流量包括地面徑流和地下徑流兩部分。由于地面徑流和地下徑流的匯流特性不同，在推求洪水過程線時要分別處理。為此在由降雨徑流相減圖求得設計凈雨過程后，需將設計凈雨劃分為設計地面凈雨和設計地下凈雨兩部分。按蓄滿產流方式，當流域降雨使包氣帶缺水得到滿足后，全部降雨形成徑流，其中按穩(wěn)定入滲率fc入滲的水量形成地下徑流fg，降雨強度i超過的那部分水量形成地面徑流fs。第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日

高時段為Δt，時段凈雨為h，則

1）當i＞fc時，hg＝fcΔt

，hs

＝h－h(huán)g＝（i－fc

）Δt

。

2）當i≤fc時，hg＝h＝iΔt

，hs

＝0。第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日（三）初損后損法

初損后損法把實際的下滲過程簡化為初損和后損兩個階段。產流以前的總損失水量成為初損，記為I0，后損是流域產流以后下滲的水量，以平均下滲率表示。第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日四、設計洪水過程線

由徑流形成過程可知，流域上各點產生的凈雨，經過坡地和河網匯流形成出口斷面流量過程線的整個過程為流域匯流。設計洪水過程線的推求，就是設計凈雨的匯流計算。一般中小流域的設計地面洪水過程線采用綜合單位線法來推求。設計地下洪水過程線采用簡化的方法推求。綜合單位線又分為綜合時段單位線和綜合瞬時單位線兩種。第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日◆時段單位線及其應用1.單位線的基本概念單位線是指在給定的流域上，單位時段內均勻降落單位深度的地面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過程線稱為單位線（如圖所示）。單位凈雨一般取10mm，單位時段可取1h、3h、6h、12h、

24h等，依流域大小而定。第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日單位凈雨（10mm）第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日

單位線包圍的面積W（徑流量）換算成徑流Y應為10mm，可據此校核單位線。由于實際的凈雨不一定正好是一個單位和一個時段，所以分析使用時有如下兩條假定：

1）倍比假定

2）疊加假定第六十頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.單位線的推求

（1）直接分析法。（2）試錯優(yōu)選法。i=1，2，…，nj