第七章設(shè)計洪水

第七章設(shè)計洪水第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.1概述一、洪水與設(shè)計洪水流域內(nèi)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2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

減少洪水威脅或根治洪災(zāi)，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(zāi)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3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月長江三峽水利樞紐第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月拱壩第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）非工程措施。指防洪工程以外的各種防止和減輕洪災(zāi)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(shè)方案以及每項防洪工程的規(guī)模尺寸，為此，在規(guī)劃設(shè)計和運用管理這些措施時就會遇到一些水文問題?？偟膩碚f，設(shè)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(nèi)的洪水情勢作出切實可靠的預(yù)估，推求出在設(shè)計地點將來可能出現(xiàn)的符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水。第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(jìn)行防洪計算，以確定水庫的設(shè)計洪水位、校核洪水位、調(diào)洪庫容和壩高等。

第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計洪水和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計洪水是指符合設(shè)計頻率并用于工程設(shè)計的一次洪水。設(shè)計洪水包括洪峰流量、洪水總量和洪水過程線三部分。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)就是工程遭受破壞的風(fēng)險。用洪水發(fā)生的頻率或重現(xiàn)期來定義。第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

水利水電工程建筑物的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)取決于建筑物的等級，并分為正常應(yīng)用（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)）和非常應(yīng)用（校核標(biāo)準(zhǔn)）兩種情況。按正常運用的洪水標(biāo)準(zhǔn)算出來的洪水稱為設(shè)計洪水。當(dāng)河流發(fā)生比設(shè)計洪水更大的洪水時，選定一個標(biāo)準(zhǔn)稱為校核標(biāo)準(zhǔn)。第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆

風(fēng)險率

工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)的破壞率P表示。破壞率是指工程建成后很長時期內(nèi)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(fēng)險率。第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計洪水計算的內(nèi)容和方法

設(shè)計洪水計算內(nèi)容一般包括設(shè)計洪峰流量、不同時段的設(shè)計洪水總量和設(shè)計洪水過程線三項。工程特點不同，需要計算的設(shè)計洪水內(nèi)容和重點也不同。第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計洪水的計算方法

由流量資料推求設(shè)計洪水

由雨量資料推求設(shè)計洪水

由氣象資料推求設(shè)計洪水

第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由流量資料推求設(shè)計洪水：先求符合一定頻率的設(shè)計洪峰流量和時段設(shè)計洪量,然后通過典型縮放法構(gòu)成一個完整的設(shè)計洪水過程線。

由暴雨資料推求設(shè)計洪水：假定暴雨與對應(yīng)的洪水同頻率,先推求設(shè)計暴雨,經(jīng)流域產(chǎn)流計算與匯流計算,最后求得設(shè)計洪水。

由氣象資料推求設(shè)計洪水：根據(jù)天氣形勢和風(fēng)速、露點、降水等氣象資料,分析和推求可能最大暴雨,然后經(jīng)流域產(chǎn)流與匯流計算求出可能最大洪水

第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2由流量資料推求設(shè)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(jìn)行頻率計算，應(yīng)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14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆洪水資料的審查與處理

洪水資料包括實測洪水資料和調(diào)查的歷史洪水資料，是洪水頻率計算的基礎(chǔ)，是決定計算成果精度的關(guān)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(jìn)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15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆洪水資料的插補延長

根據(jù)短系列洪水資料進(jìn)行頻率計算，成果可能有相當(dāng)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(jù)上下游站的洪水特征值相關(guān)關(guān)系進(jìn)行插補延長

2.利用本站峰量關(guān)系進(jìn)行插補延長

3.利用暴雨徑流關(guān)系進(jìn)行插補延長

4.根據(jù)相鄰河流測站的洪水特性特征值進(jìn)行延長第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計洪峰流量和洪量系列的頻率計算◆歷史特大洪水調(diào)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(jù)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(shè)計數(shù)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17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(diào)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(nèi)，也可以發(fā)生在實測流量期間的n年之外，前者稱資料內(nèi)特大洪水，后者稱資料外特大洪水（歷史特大洪水）。第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆歷史特大洪水的調(diào)查方法

歷史洪水調(diào)查的主要內(nèi)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(zāi)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(chǔ)上，還要進(jìn)行洪水痕跡高程測量及行洪斷面測量。洪水調(diào)查的方法是進(jìn)行訪問、實地查勘和查閱歷史文獻(xiàn)檔案。第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆歷史特大洪水大調(diào)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(nèi)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(jīng)驗頻率。第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

排位分析時常可分出三種排位期。（1）考證期N1。（2）調(diào)查期N2

。（3）實測期n。第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）洪峰流量經(jīng)驗頻率的計算◆

經(jīng)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(shù)值直接按大小順序統(tǒng)一排位，各項之間沒有空位，序數(shù)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(shù)n，而大N－n年內(nèi)各年的洪水?dāng)?shù)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22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

不連序系列的經(jīng)驗頻率，有兩種估算方法。

1.獨立樣本法一般洪水的經(jīng)驗頻率為：特大洪水的經(jīng)驗頻率為：第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.統(tǒng)一樣本法

n項實測一般洪水中第m項的經(jīng)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24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）統(tǒng)計參數(shù)的計算

用目估配線法確定統(tǒng)計參數(shù)，計算公式如下：第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計洪水過程線

設(shè)計洪水過程線是指具有某一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水過程線。為了適應(yīng)工程設(shè)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(shù)值等于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的頻率值，即認(rèn)為所得的過程線是待求的設(shè)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26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）典型洪水過程線的選擇

典型洪水過程線是放大的基礎(chǔ)，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27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.同倍比放大法

放大系數(shù)k的計算公式如下：（二）典型洪水過程線的放大第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同頻率放大法

各種放大倍比的計算公式如下：第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-3由暴雨資料推求設(shè)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(shè)計洪水而暴雨資料一般較多，因此可用暴雨資料推求設(shè)計洪水。一、概述第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、設(shè)計暴雨計算（一）設(shè)計暴雨的推求

1）推求設(shè)計洪水。

2）推求設(shè)計洪水過程線。由求得的設(shè)計暴雨，利用產(chǎn)流方案推求設(shè)計凈雨過程，利用流域匯流方案由設(shè)計凈雨過程求得設(shè)計洪水過程。由暴雨資料推求設(shè)計洪水，其基本假定是設(shè)計暴雨與設(shè)計洪水是同頻率的。第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆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(wǎng)觀測資料，但也要注意收集有關(guān)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(jié)合調(diào)查收集暴雨中心范圍和歷史上特大暴雨資料，了解當(dāng)時雨情，盡可能估計出調(diào)查地點的暴雨量。第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆暴雨資料的審查

我國暴雨資料按其觀測方法及觀測次數(shù)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(yīng)進(jìn)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(yīng)時段雨量觀測記錄比較，盡可能審定其準(zhǔn)確性。第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆統(tǒng)計選樣

在收集流域內(nèi)和附近雨量站的資料并進(jìn)行分析審查的基礎(chǔ)上，先根據(jù)當(dāng)?shù)赜炅空镜姆植记闆r，選定推求流域平均（面）雨量的計算方法（如算術(shù)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34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shè)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35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆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(shè)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(guān)關(guān)系。基相關(guān)關(guān)系好，可利用相關(guān)線展延多站平均雨量作為流域面雨量。第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆暴雨的時面深關(guān)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(dāng)降雨歷時一定時，暴雨所籠罩的面積愈大，則平均雨量愈?。划?dāng)暴雨籠罩面積一定時，歷時愈長，雨量愈大。第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆點面關(guān)系

暴雨的點面關(guān)系在設(shè)計計算中，有以下兩種區(qū)別和用法。

1.定點定面關(guān)系對于一次暴雨某種時段的固定暴雨量，有一個相應(yīng)的固定面暴雨量，則在定點定面條件下的點面折減系數(shù)α0：第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.動點動面關(guān)系在缺乏暴雨資料的流域上求設(shè)計面暴雨量時，以暴雨中心點面關(guān)系代替定點定面關(guān)系，即以流域中心設(shè)計點暴雨量及地區(qū)綜合的暴雨中心點面關(guān)系去求設(shè)計面暴雨量。這種暴雨中心點面關(guān)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(guān)系。第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計凈雨的推求◆特大值的處理

特大值處理的關(guān)鍵是確定重現(xiàn)期。對特大暴雨的重現(xiàn)期必須作深入細(xì)致的分析論證，若沒有充分的依據(jù)，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42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆直接法求設(shè)計面雨量

面雨量統(tǒng)計參數(shù)的估計，一般采用適線法。第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆間接推求設(shè)計面暴雨量1.設(shè)計點暴雨量的計算推求設(shè)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(jìn)行頻率計算，推求設(shè)計暴雨量。若長系列站不在流域中心附近，可先求出流域內(nèi)各測站的設(shè)計點暴雨量，然后繪制設(shè)計暴雨量等值線圖，用地理插值法推求流域中心站的設(shè)計暴雨量。第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.設(shè)計面暴雨量的計算流域中心設(shè)計點暴雨量求得后，要用點面關(guān)系折算成設(shè)計面暴雨量。第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆設(shè)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(yīng)在暴雨特性一致的氣候區(qū)內(nèi)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(shè)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(shè)計暴雨量控制方法，對典型暴雨分段進(jìn)行縮放。第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆設(shè)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(chǎn)流量。設(shè)計凈雨的推求也就是設(shè)計條件下產(chǎn)流量的推求，是從設(shè)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(guān)圖法和初損后損法兩種。第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）降雨徑流相關(guān)法1.降雨徑流相關(guān)圖降雨徑流相關(guān)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(guān)曲線。

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

為參數(shù)的等值線。如圖所示。第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.降雨徑流相關(guān)圖的應(yīng)用

利用降雨徑流相關(guān)圖由設(shè)計暴雨及過程可查出設(shè)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(guān)圖曲線得相應(yīng)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(shè)計凈雨量。第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

由實測降雨徑流資料建立起來的降雨——徑流相關(guān)圖，應(yīng)用于設(shè)計條件時，必須處理如下兩方面的問題：（1）降雨徑流相關(guān)圖的外延。（2）設(shè)計條件下PαP的確定。第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)計產(chǎn)流過程的推求：利用降雨——徑流相關(guān)圖和PαP值，推求產(chǎn)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(biāo)值，查讀橫坐標(biāo)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(chǎn)流過程，即ΔY1＝Y(jié)1，

ΔY2＝Y(jié)2－Y1，…。第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3.設(shè)計凈雨的劃分

對于濕潤地區(qū)，一次妊所產(chǎn)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(shè)計凈雨過程后，需將設(shè)計凈雨劃分為設(shè)計地面凈雨和設(shè)計地下凈雨兩部分。按蓄滿產(chǎn)流方式，當(dāng)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54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

高時段為Δt，時段凈雨為h，則

1）當(dāng)i＞fc時，hg＝fcΔt

，hs

＝h－h(huán)g＝（i－fc

）Δt

。

2）當(dāng)i≤fc時，hg＝h＝iΔt

，hs

＝0。第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(chǎn)流以前的總損失水量成為初損，記為I0，后損是流域產(chǎn)流以后下滲的水量，以平均下滲率表示。第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月四、設(shè)計洪水過程線

由徑流形成過程可知，流域上各點產(chǎn)生的凈雨，經(jīng)過坡地和河網(wǎng)匯流形成出口斷面流量過程線的整個過程為流域匯流。設(shè)計洪水過程線的推求，就是設(shè)計凈雨的匯流計算。一般中小流域的設(shè)計地面洪水過程線采用綜合單位線法來推求。設(shè)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57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月◆時段單位線及其應(yīng)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(nèi)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58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月單位凈雨（10mm）第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

單位線包圍的面積W（徑流量）換算成徑流Y應(yīng)為10mm，可據(jù)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60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.單位線的推求

（1）直接分析法。（2）試錯優(yōu)選法。i=1，2，…，n