1、第4章 設計洪峰流量與水位計算41 概述411設計洪水的意義及內容 工程規劃設計中所依據的一定標準的洪水，即為設計洪水程規劃設計中所依據的一定標準的洪水，即為設計洪水。 例如設計標準p1的洪水，稱作百年一遇的設計洪水； 標準為可能最大的洪水稱為設計的可能最大洪水。標準為可能最大的洪水稱為設計的可能最大洪水。 標準愈高，愈是稀遇，設計的工程也就越安全，被洪水破壞的標準愈高，愈是稀遇，設計的工程也就越安全，被洪水破壞的風險就愈小，但耗資也越大；反之，標準較低、耗資減少，但安全風險就愈小，但耗資也越大；反之，標準較低、耗資減少，但安全程度也隨之降低，承受的風險加大。程度也隨之降低，承受的風險加大。

2、設計洪水的內容，隨服務對象的不同而有所不同。 洪峰流量和洪水位洪峰流量和洪水位: 橋梁、涵洞、堤防等排洪工程；橋梁、涵洞、堤防等排洪工程； 蓄水池洪水總量： 蓄水能力很強的水庫。 蓄洪、泄流都有重要作用的，則需推求設計洪峰、洪量和洪水設計洪峰、洪量和洪水過程線過程線，稱洪水三要素。 洪水設計標準的確定，是一個關系到政治、經濟、技術、風險和安全的極其復雜的問題。412 洪水的設計標準(1)由流量資料推求：當設計斷面有足夠的實測流量資料；(2)由暴雨資料推求：當設計斷面流量資料不足，但有比較好的雨量資料，可根據徑流形成原理，由設計暴雨推求設計凈雨，再由設計凈雨推求設計洪水；(3)地區綜合法推求：當

3、設計流域(主要是小流域)缺乏降雨徑流資料時，可根據水文地區變化規律，采用該類方法推求設計洪水。 多種途徑計算，相互比較，充分論證，合理采用。多種途徑計算，相互比較，充分論證，合理采用。413 設計洪水的計算途徑4，2 由流量資料推求設計洪水 采用 由流量資料推求設計洪水時由流量資料推求設計洪水時，其計算程序：洪水資料審查以取得具有可靠性、一致性和代表性的資料； 選樣從每年洪水中選取符合要求的洪峰流量，組成各種統計系列；頻率計算，推求設計洪峰流量 或推求洪水總量。（蓄水能力很強的水庫）選擇典型洪水過程線 根據設計洪峰和設計流量進行放大，推求設計洪水過程線。（蓄洪、瀉洪都重要的工程）421 設計洪

4、峰流量的推求 (1)資料可靠性審查：鑒定資料的可靠程度鑒定資料的可靠程度，對觀測、調查、考證資料逐一檢查。 特別審查觀測和整編質量較差的年份，如建國前及“文革”期間的資料。 注意了解水尺位置、零點高程、水準基面的變動情況； 汛期是否有觀測中斷的情況； 測流斷面有否沖淤變化； 水位流量關系曲線的延長是否合理等。 發現問題，應進一步審查會同原整編單位和作必要的修改。發現問題，應進一步審查會同原整編單位和作必要的修改。 1資料審查 如測流斷面上游修建了引水工程，則工程建成前后下游水文站所測得的實測資料的一致性就被破壞。 由于上游分洪、決堤等影響到下游站的洪水。 對于前后不一致的資料，應還原為同一性質

5、的系列。應還原為同一性質的系列。(2)資料一致性審查一個統計系列只能由同一成因的資料所組成一個統計系列只能由同一成因的資料所組成。 (3)資料代表性審查： 樣本資料樣本資料 的 統計特性統計特性 能否很好地反映總 體的統計特性。 把乙站(參證站)115年的洪峰資料 當作是總體系列當作是總體系列，配線得統計參數； 再求乙站19611990年資料 (樣本系列樣本系列) 的統計參數； 如果兩者的結果很相近，則參證站19611990年的資料有代表性，即該樣本可以代表總體。 由于甲站與乙站水文條件相似，故可推斷甲站由于甲站與乙站水文條件相似，故可推斷甲站19611990年年的洪峰資料也有代表性。的洪峰資

6、料也有代表性。 1)與水文條件相似的參證站比較 例如：甲、乙站在 同一條河流上同一條河流上 或在 同一水文分區同一水文分區 內，而且所控制的集水面積相差不多。 設 甲站 只有19611990年30年的資料； 而 乙站 有18761990年共115年的資料。2)與本區域較長的雨量資料對照若該流域內或附近有一個觀測時間很長的雨量站，則可作為參證站（也應判別本站系列的代表性）。 對于代表性不好的洪峰系列，應該設法加以展延。對于代表性不好的洪峰系列，應該設法加以展延。 A把 同一條河流上下游站同一條河流上下游站 或 鄰近河流測站的與設計站鄰近河流測站的與設計站 同一次洪峰建立相關關系建立相關關系。 B

7、如果 設計流域內的面雨量記錄較長設計流域內的面雨量記錄較長，可用 產、匯流計算產、匯流計算的方法由暴雨資料來插補延長洪峰流量資料。由暴雨資料來插補延長洪峰流量資料。用上述方法確定資料的代表性，往往要求參證變量的年數很長； 實際工作中為保證系列有足夠的代表性，規定連續系列長度應為保證系列有足夠的代表性，規定連續系列長度應不少于不少于30年，同時必須有一定數量的歷史洪水調查資料。（年，同時必須有一定數量的歷史洪水調查資料。（歷史洪水的調查年限可達百年甚至數千年。） 2選 樣n我國則規定采用年最大值法，即從我國則規定采用年最大值法，即從 n 年年資料中資料中 每年選一個最大的洪峰流量，組每年選一個最

8、大的洪峰流量，組成成 n 年樣本系列。年樣本系列。 3洪峰流量頻率計算特大洪水處理(1)問題的提出n 如果利用歷史文獻和調查的方法來確定出歷史上很早以如果利用歷史文獻和調查的方法來確定出歷史上很早以前發生過的特大洪水，即可把樣本資料系列年數增加到調前發生過的特大洪水，即可把樣本資料系列年數增加到調查期的長度，從而使資料的代表性大大提高查期的長度，從而使資料的代表性大大提高。n調查期間每一年的洪水(主要是一般洪水)是不可能都得到的，這樣就使系列資料不連續，系列資料不連續，因此就要研究有特大洪水特大洪水時的頻率計算方法，稱為特大洪水處理。時的頻率計算方法，稱為特大洪水處理。 (2)連序樣本和不連序

9、樣本n特大洪水：特大洪水： 比一般洪水大得多；無定比一般洪水大得多；無定量限制；重現期需考證。量限制；重現期需考證。n調查調查、考證考證 到的歷史洪水一般就是 特大洪水特大洪水。 某站某站 ：n年內有連續的實測記錄，其中Q3是實測資料內特大洪水。 考證、調查考證、調查到 N年 中有3次特大洪水Ql、Q2及Q4，則在則在N年中，只有年中，只有n+3次洪峰流量值，稱次洪峰流量值，稱 N 年樣本為年樣本為 不連序樣不連序樣本，資料在排序上有空位本，資料在排序上有空位。特大洪水處理：特大洪水處理： 不連序樣本其經驗頻率及統計參數的計算。n考慮特大洪水后考慮特大洪水后 采用將 特大洪水的經驗頻率 與 一

10、般洪水的經驗頻率 分別計算的方法。 (3) 考慮特大洪水時 經驗頻率的計算考證及實測(包括空位)的總年數： N 2 年調查及實測(包括空位)的總年數： N 1 年連續實測期 ： n 年 特大洪水： a 次 (例： a=4)實測特大洪水實測特大洪水； l 次 （例： l =1）歷史特大洪水歷史特大洪水： a-l次（例： a-l =4-1=3） 目前國內有兩種考慮特大洪水的經驗頻率計算方法。 特大洪水(包括系列內的特大值)的經驗頻率：aMNMpM,.2 , 11nllmnmpm,.2, 111) 獨立樣本法式中， M為特大洪大在 N中 的排序。 一般洪水(n項中除去項中除去l 項特大值項特大值)的

11、經驗頻率：m為一般洪水在n中的排序。 把包括 歷史洪水的長系歷史洪水的長系列列(N年) 和 實測的短系列實測的短系列(n年) 看做是從總體中隨機抽取的 兩個獨立樣本兩個獨立樣本。即考證期、調查期、實測期單獨應用公式計算。即考證期、調查期、實測期單獨應用公式計算。考證期、調查期、實測期考證期、調查期、實測期 特大洪水特大洪水 用以下公式計算：用以下公式計算： 兩公式其實相同，但考證期、調查期的頻率計算只能考證期、調查期的頻率計算只能計算特大洪水的頻率，其它年份的洪水頻率無法計算計算特大洪水的頻率，其它年份的洪水頻率無法計算，實測實測期每年的洪水頻率都能計算。期每年的洪水頻率都能計算。實測期實測期

12、 一般洪水一般洪水 用以下公式計算：aMNMpM,.2 , 11 M為特大洪大在 N中 的排序。nllmnmpm,.2, 11m為一般洪水在n中的排序。例： l =1，即從第2項開始1222NMpM 2）統一樣本法 把把 特大洪水特大洪水 和和 實測一般洪水系列實測一般洪水系列 共同組成一個不連共同組成一個不連序系列，作為總體的一個統一樣本，空缺部分按一般洪水填序系列，作為總體的一個統一樣本，空缺部分按一般洪水填補（分布情況與實測的一般洪水相似），從而形成補（分布情況與實測的一般洪水相似），從而形成 N2 年的年的連續系列。連續系列。 考證期考證期 N2 年內年內( N2 N1)為首的 a2個

13、個 大洪水的頻率：M2 = l， 2，3，a2（包含了 N1年內為首的 l 2個大洪水） 考證期考證期為首的大洪水 ：a2個， 例a2=4同時也是N1年內為首的大洪水： l 2個 ， 例l 2=1 調查期 N1 年內為首的大洪水： a1 個， 例 a1 =3； 同時也是實測期n 年之內發生的大洪水：l個， 例 l=1。 在調查期N1年內，除去為首的 l 2 項大洪水以外（ l 2項大洪水的頻率已在考證期中計算），第M1位洪水的經驗頻率：)1)(1 (2121)()(12222lNlMpppaMaMM(M1=l2+1, l 2+2,a1) 例 l 2=1 考證期的為首的考證期的為首的a2個特大洪

14、水中最末個特大洪水中最末項的頻率項的頻率是)(22aMp 在實測期n年內，除去為首的l 個大洪水以外，第第m位洪位洪水的經驗頻率水的經驗頻率：例：l=1 ，第1項已經在調查期計算，即從第2項算起。調查期的為首的調查期的為首的a1個特大洪水中最末項的頻率個特大洪水中最末項的頻率。 )(11aMp)1)(1 ()()(1111lnlmpppaMaMm(m依次取l +1，l +2，n) 例 l=1 一般認為，水文站觀測資料的代表性較好時，可用第一種方法，而調查和考證的歷史洪永資料較為可靠時，可用第二種方法。 對于為首幾項大洪水的經驗頻率，需盡量查閱歷史文獻，經過考證分析后確定，以減少誤差。 在頻率格

15、紙上點繪經驗頻率點子，然后進行配線在頻率格紙上點繪經驗頻率點子，然后進行配線。n實測n=33年，1972-1935+1-5=33年,Q1949為特大洪水；n調查N1=70年，Q1921、Q1949、Q1903為特大洪水，沒有漏掉比Q1903 更大的洪水；n考證N2=141年、Q1867、Q1852、Q1832為特大洪水、小于Q1921的無法查清。例 4-1考證N2=141年排位：M2=1，Q1867、M2=2，Q1852、M2=3，Q1832、M2=4， Q1921調查N1=70年排位：M1=1，Q1921、M1=2，Q1949、M1=3，Q1903 (4)考慮特大洪水時統計參數的確定n當用矩

16、法矩法時，考慮特大洪水和系列不連續影響，空缺部分按一般洪水填補，分布情況與實測的一般洪水相似 。11122111()111()11()()1majjanjiji lnimai lVjmjmQaNQNaNQNaQNnlQQCQQNaNnlQ 特大洪水 （ 個）其它年的洪水（） 實測一般洪水的平均值（）參數值的初估可用 矩法矩法 或 三點法三點法。 用三點法三點法時,在經驗頻率曲線上任選三個有代表性的點：(p1，x1)，(p2，x2)，(p3，x3），跟據皮爾遜型曲線的性質解統計參數。 不過，此經驗曲線是考慮了特大洪水（小頻率）點不過，此經驗曲線是考慮了特大洪水（小頻率）點的經驗曲線。的經驗曲線。

17、 。) 1(PVpCxx),(),(),(332211SpSPSpCpxxCpxxCpxx 對于設計洪水計算，適線的原則適線的原則：盡量照顧整個經驗頻率點群的趨勢，使曲線通過點群中央，如如實在有困難，可實在有困難，可側重考慮上部中部大中洪水的點據側重考慮上部中部大中洪水的點據；對歷史特大洪水，應估計他們的誤差范圍，適線時不可機械地使頻率曲線通過這些點據，而是在相應的誤差范圍內調整，取得整體上的良好配合；適線時應考慮統計參數在地區上的變化規律，使之能與地區上的變化相協調。 (5)適線法推求洪峰流量理論頻率曲線與設計值 一般均采用皮爾遜型。 使理論頻率曲線與經驗點據配合最好理論頻率曲線與經驗點據配

18、合最好，設計洪峰流量可按設計頻率算出來了。4.5.3 有暴雨資料推求設計洪水1推求設計暴雨；2推求設計凈雨；3推求設計洪水。 1 設計暴雨量的計算 （1）流域暴雨資料的充分時： 將 流域面雨量（平均雨量）作為研究對象流域面雨量（平均雨量）作為研究對象。 1） 求各年各次大暴雨的各種歷時的面雨量； 2） 按各指定的統計歷時（6h、12h、1d、3d）選每年各歷時 的年最大面雨量年最大面雨量組成相應的統計系列，做經驗頻率曲線； 3） 適線，求設計頻率對應的面雨量。 設計暴雨設計暴雨：研究成果表明，比較大的洪水，大體上可認為某一頻率的暴雨形成同一頻率的洪水。431 計算設計暴雨1） 求流域中心處的

19、設計點雨量設計點雨量： 流域中心處有長期雨量測站時流域中心處有長期雨量測站時（點雨量），頻率計算求此站設計點雨量。 流域上無長期雨量測站時流域上無長期雨量測站時： 找水文手冊等文獻中暴雨統計參數等值線圖 查流域中心處各種歷時暴雨的統計參數 求各歷時暴雨的頻率曲線 求某歷時的設計暴雨（點雨量）。2）流域暴雨資料的不足時： 2） 設計面雨量設計面雨量 的推求： 將點雨量折算成面雨量點面雨量關系兩種： 流域中心雨量與流域面雨量關系定面關系。 暴雨中心雨量與暴雨范圍的面雨量關系動面關系 選定典型暴雨過程，以設計雨量為控制進行縮放（各歷時暴雨均類似做法）。 典型暴雨過程：典型暴雨過程： 1） 設計條件下

20、容易發生 典型暴雨的雨量接近設計暴雨量； 雨峰個數、主峰位置是實際降雨時大暴雨中常見的。 2） 對工程不利 雨量比較集中； 主峰比較靠后。2 設計暴雨過程 徑流系數法、暴雨徑流相關圖法 1） 徑流系數法徑流系數：暴雨轉化為徑流的比例系數。徑流系數：暴雨轉化為徑流的比例系數。=Rs/P=Rs/PP為流域平均雨量；Rs為地面徑流深，有基流分割得；基流分割基流分割：將實測的某次洪水過程線劃分為地面徑流過程和地下徑流過程，常用斜線分割：從起漲點到退水點用直線相連，直線以上所圍的面積即地面徑流總量Ws，除以流域面積F，得徑流深。 Rs=Ws/FRs=Ws/F分析多次暴雨洪水，可大致定出不同等級的暴雨徑流

21、系數分析多次暴雨洪水，可大致定出不同等級的暴雨徑流系數 。432 計算設計凈雨 由 設計凈雨 轉化為流域出口的 設計洪水過程 。 匯流計算：匯流計算： 地面徑流匯流計算：地面凈雨進行匯流計算，求出口的地面 徑流過程； 地下徑流匯流計算：可按經驗取大洪水的基流作為實際洪水 的地下徑流。 433 設計洪水計算地面匯流計算的經驗單位線法：1單位線的定義和假定定義：一個流域上，單位時段定義：一個流域上，單位時段t t內均勻降落單位深度（內均勻降落單位深度（10mm10mm地地面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過程線（單位線面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過程線（單位線Q Qt t）。單位線的時段

22、依流域洪水特性而定。流域大，洪水漲落慢，t取長一些；流域小，洪水漲落快，t取短一些。一般取單位線漲洪歷時tr的1/21/3，即 t=（1/21/3）tr1）倍比假定倍比假定：如果流域上有兩次降雨，他們的凈雨歷時 Ts 相同，例如都是一個單位時段t，但凈雨深不同，分別為RsRs，1 1 Rs Rs，2 2 ，則他們各自在出口形成的地面徑流過程線的洪水歷時相等。即相應流量成比例。即若實測有單位時段凈雨的地面徑流過程線時，將該實測有單位時段凈雨的地面徑流過程線時，將該過程線的縱坐標，統統乘以過程線的縱坐標，統統乘以10/Rs10/Rs便可便可。單位線的兩項基本假定：2,2,12211211.SSRR

23、QQQQ2）疊加假定疊加假定：若流域上有一次降雨，凈于歷時不止一個單位時段，例如兩個時段，各時段降雨為Rs，1 Rs，2 ，則該次降雨在出口形成的地面徑流Qt等于Rs，1 和 Rs，2 ，各自形成的地面徑流過程線的疊加。.0022313122121110QQQQQQQQQ.211 ,2,1212221111 ,2,12111QRRQQQQQRRQQQSSSS，再求則有1 2） 分解法： 實測流域上某次洪水由幾個時段的降雨降雨組成時： 先將總過程線分成地面和地下徑流兩部分（基流分割） 分別求出每一個時段降雨形成的地面過程線，再轉化為單位線（只需轉化其中一個便可） 2 單位線的推求.211 ,2,

24、1212221111 ,2,12111QRRQQQQQRRQQQSSSS，再求則有1） 縮放法： 如果流域上恰好有一個單位時間段且分布均勻的凈雨Rs所形成的孤立的洪峰，割去地下徑流得地面徑流過程線和地面凈雨深。由倍比假定按10/Rs進行縮放。44 小流域設計洪水計算小流域小流域：流域面積小于100平方公里，但無明確限制。特點：1 無水文站實測資料（徑流、降雨）；2 地理條件單一，計算時允許簡化；3小流域多。 所以，其計算方法在保證精度的前提下力求所以，其計算方法在保證精度的前提下力求 簡便。一般借助水文手冊完成。簡便。一般借助水文手冊完成。注意注意：哪個地區資料建立的公式，只適用于哪個地區。借

25、用其他地區的經驗公式，要格外小心，必須用本地區一定的資料進行檢驗 1以流域面積為參數的地區經驗公式以流域面積為參數的地區經驗公式認為流域面積是影響洪峰流量的主要因素，而把其他因素用一些綜合性的參數表達（最簡單。 NPPFCQ 經驗公式法計算設計洪峰流量式中 Qp頻率為p的設計拱峰流量； F流域面積； N N、CpCp經驗指數和系數。隨地區和頻率而變化，可在經驗指數和系數。隨地區和頻率而變化，可在各省區的水文手冊中查到。各省區的水文手冊中查到。 2包含降雨因素的多參數地區經驗公式包含降雨因素的多參數地區經驗公式 采用一定頻率的設計暴雨，就可得到相應頻率的設計洪水。例如 安徽省山丘區中小河流洪峰流

26、量經驗公式安徽省山丘區中小河流洪峰流量經驗公式為 73. 021. 1,24FCRQPP21. 1,24 PR 設計頻率為24h凈雨量，mm； C地區經驗系數 該省把山丘區分為4種類型，即深山區、淺山區、高丘區、低丘區，其 C 值分別為00541、00285、00239、00194。24h設計暴雨 按等值線圖查算，并通過點面關系折算而得。設計凈雨按下式計算：PP,2430,24,24PPPR40,24,24PPPR深山區 淺山區、丘陵區5/42/3)(FZhQpP公路部門設計洪峰流量計算公路部門設計洪峰流量計算，一般都采用交通科學研究院制定的經驗公式Qp設計洪峰流量， 地貌系數，根據流域面積、

27、地形、主河道坡降查表確定；hz設計徑流深，mm，根據流域所在分區、土壤類型、匯流時間和設計頻率查表確定；Z植物截留和填洼損失，mm，根據流域地形、植被、水土保持和土地利用情況查表確定；F流域面積。洪峰傳播中變形對洪峰流量影響的折減系數，根據流域形心至出口的距離、地形情況查表確定；流域降雨不均勻影響洪峰流量的折減系數，根據流域的匯流時間、流域長度或寬度、氣候情況查表確定。湖泊、池塘、小水庫調節作用影響洪峰流量的系數，由湖泊等面積占流域面積的比例查表確定 該法附有許多參數查算表，以反映氣候自然地理分區、地貌、地形、土壤、植被、湖泊等影響，詳細情況可參考文獻。5/42/3)(FZhQpP45 橋位斷

28、面設計洪峰流量 及水位的推求 451 橋位斷面設計洪峰流量橋位斷面設計洪峰流量 當離 橋位斷面橋位斷面 不遠的地方有 水文站水文站，且二者之間(稱區間)沒有大的支流時，先計算水文站斷面的設計洪水，然后，作適當修正后，轉換轉換 為橋位斷面的設計洪水。 設計洪水的計算方法一般都是基于離橋位斷面設計洪水的計算方法一般都是基于離橋位斷面較較近的水文站近的水文站進行進行（小流域除外）。PmNBPmBQFFQ,)(式中 Qm.p ，QmB.p分別為 水文站水文站 和 橋位斷面橋位斷面 的設計洪 峰流量； F、FB 分別為水文站和橋位斷面的流域面積； N 經驗指數，可由水文手冊查得。 當當 F、FB 相差不

29、足相差不足5時，可直接將推求的水文站設計洪峰流時，可直接將推求的水文站設計洪峰流量作為橋位斷面的設計洪峰流量，不必再作上述修正量作為橋位斷面的設計洪峰流量，不必再作上述修正。1 面積比法 當 橋位斷面控制流域橋位斷面控制流域 和相近的 水文站流域水文站流域 在一個水水文分區：文分區：R24.p、R24B.p 分別是為 水文站流域水文站流域 及 橋位斷面控橋位斷面控 制流域制流域 的 設計24h凈雨，mm； N1、N2分別為 設計設計24h凈雨比的指數凈雨比的指數 和 面積比的指數。面積比的指數。 例：對于安徽省山丘區分別為：安徽省山丘區分別為： N1=121，N2=0721)()(,24,24

30、,NBNPPBPmBFFRRQ 2面積雨量(或凈雨)比法 考慮 流域面積流域面積 和 雨量雨量(或凈雨或凈雨) 對設計洪峰流量的影響進行修正；452 橋位斷面設計洪水位橋位斷面設計洪水位 1水位頻率計算法（水位頻率計算法（當 橋位斷面就在水文站）橋位斷面就在水文站） （1） 有長期水位觀測資料時，對 河底高程為基面的河底高程為基面的年最大水年最大水位（水深）系列位（水深）系列，作頻率計算。 求得以 河底高程為基面的設計水位（水深），河底高程為基面的設計水位（水深），再加 河底高程河底高程，即得 橋位斷面設計洪水位橋位斷面設計洪水位。 （2）對于水文資料很長的站，還可通過實測的水位流量關系水位流量關系，將設計洪峰流量轉換為設計洪水位。 二者相互比較，選取合理、可靠的成果 。 橋位斷面距水文站不遠、且區間沒有大的支流匯人時。橋位斷面距水文站不遠、且區間沒有大的支流匯人時。 水文站的水位 Z 與橋位斷面的相應水位 ZB 之間會有 比比較較 密切的相關關系密切的相關關系ZZB。2水位相關法1）建 水文站的水位水文站的水位 Z 與 橋位斷面的相應水位橋位斷面的相應水位ZB 的相關關 系ZZB。 2）由 水文站水文站 的設計洪峰流量的設計洪峰流量 查水位流量關系曲線，得 水水 文站設計頻率的水位值文站設計頻率的水位值Zm.p， 3）由水