设计洪水种类和计算方法

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：根据工程设计各阶段和工程投运后不同设计要求，以及设计流域水文气象、自然地理等基本资料条件，设计洪水内容和方法有多种类型。其中单库、全年不分期的坝址设计洪水是洪水频率计算的基础。目前国内外通用的设计洪水频率计算方法以及与之相应的防洪设计标准，是基于水文事件，尤其是暴雨洪水过程为随机现象，可以用随机时间序列表述。设计洪水特征值确定及其抽样误差估计。设计洪水地区组成分析，包括方法选用和成果分析、论证。

根据工程设计各阶段和工程投运后不同设计要求，以及设计流域水文气象、自然地理等基本资料条件，设计洪水内容和方法有多种类型。按工程要求和设计洪水途径，有频率计算法推求设计洪水和水文气象法估算可能最大洪水；按工程运行条件，有单库设计洪水和库群设计洪水；按统计时期分，有全年不分期洪水和分期洪水（包括施工设计洪水）；按水库工程建库前后特征分，有坝址设计洪水和入库设计洪水。其中单库、全年不分期的坝址设计洪水是洪水频率计算的基础。在多级水库联合运行或水库下游有防洪要求时，需要分析计算洪水地区组成及分区洪水频率的组合关系；在建库前后水库地区产汇流条件变化较大，坝址与入库洪水差异较大时，水库调节计算需用入库洪水；在工程施工期，为临时工程设计和安全度汛，需要将全年分为几个时期分别进行洪水设计。在洪水特性成因季节性差异明显时，为提高水资源利用率，优化水库调度也需要分期设计洪水，以选定水库分期运用水位。

按资料条件，以频率计算途径推求设计洪水的方法主要有3类：

（1）坝址或其上下游邻近河段有水文站，且具有30年以上的实测或插补延长洪水流量资料，并有可靠或较可靠的调查历史洪水资料。经分析，这些资料具有频率分析所要求的统计特性，例如，洪水系列的代表性、一致性等，符合频率计算的基本要求。这时，可直接采用洪水流量资料进行频率计算。

（2）工程设计河段附近无可供直接采用的流量资料，但工程所在流域和地区具有30年以上实测或插补延长的同步暴雨资料，并且有暴雨洪水对应关系时，假定设计暴雨与设计洪水同频率，可采用频率分析法推求设计暴雨转换成设计洪水。

（3）工程所在流域流量和暴雨资料均短缺时，可依据水文气象和自然地理要素的地区分布特性，采用地区综合法估算设计洪水，例如，各种历时的设计暴雨及其产汇流查算图表、洪水统计特征地区综合经验公式或图册等。

根据我国设计规范规定，大中型水利水电工程应尽量采用流量资料直接计算设计洪水，一是新中国成立以来，已积累了大量可靠的实测流量资料，加上不少大中型工程所在地区，人口密度较大，历史文化悠久，具有调查考证期较长的历史洪水资料；二是工程重要性、安全性要求高，用流量资料可减少计算误差。长江流域是我国经济、文化相对发达地区，主要干支流上的大中型工程基本上采用此法。对于小型工程或少数中型工程，包括大中型工程中局部地区的设计洪水多采用上述后两种方法。

关于入库洪水、分期洪水（包括施工洪水）和洪水地区组成分析等，也将在本章中分别介绍，并举例说明。

目前国内外通用的设计洪水频率计算方法以及与之相应的防洪设计标准，是基于水文事件，尤其是暴雨洪水过程为随机现象，可以用随机时间序列表述。但由于实测资料系列过短，无法建立随时间变化、有持续性、非平稳的随机过程模型，用以模拟洪水过程序列，只能将实测系列中可以代表洪水特性并满足工程功能要求的一些洪水特征值，如年最大洪峰流量、时段洪量等，当成是总体中独立随机抽取的样本，系列中的每一个变量（洪水特征值）是相互独立同分布的。这就是说，将水文系列简化成可用纯随机模型来概括。于是，只要水文系列符合统计学的特性，就可采用以概率论为基础的数理统计方法，选择适当的概率分布函数（频率曲线），寻求分布特征（估计统计参数），预估符合设计标准的设计值。这就是频率分析法的基本思路。

国内外使用的PMF是根据设计流域现代气候条件下暴雨形成的天气学过程，在一年的某一时期，流域上一定历时内可能发生的最大降水量（PMP）推求的可能最大洪水（PMF）。关键是推求PMP，通行的方法是基于天气学原理，在分析设计流域或相似流域实际发生过的大暴雨成因的基础上，选择当地典型暴雨直接放大，或选择区域内典型暴雨进行移置或组合，并将影响暴雨的水汽因子、动力因子合理放大而得。这就是水文气象法的基本思路。

本节介绍具有足够流量资料情况下，采用频率分析途径推求设计洪水过程的方法。这里所说足够流量资料，按我国现行设计洪水规范，是“坝址或其上下游邻近地点具有30年以上实测和插补延长洪水流量分析，并有调查历史洪水。”

该法的计算内容和步骤如下：

（1）明确设计要求，包括设计标准（以洪水特征值的频率或重现期表示）、调洪控制时段、洪水总量统计时段和典型洪水过程选择等。

（2）洪水系列（洪峰流量、时段洪水总量样本）选定，包括实测或展延系列和历史调查洪水资料搜集、复核及可靠性、一致性、代表性分析和论证。

（3）经验频率公式选用，包括实测系列和历史洪水频率公式采用。

（4）频率曲线线型选择。

（5）频率曲线参数估计和选定。

（6）设计洪水特征值确定及其抽样误差估计。

（7）设计值期望概率估算。

（8）设计洪水过程线选定，包括放大方法和不同典型洪水过程线比选及放大成果分析、论证。

（9）入库洪水与入库设计洪水，包括入库洪水与坝址洪水比较，入库设计洪水过程线推求。

（10）设计洪水地区组成分析，包括方法选用和成果分析、论证。