梯级水库设计洪水

我国已建成各类水库8.6万多座，其中大型水库482座，中型水库3000座。我国的大多数水库并非单独存在，而是处于梯级水库群中，牵一发则动全身。在梯级开发的流域中修建一个新工程或改变一项防洪措施，将会对梯级水库群系统产生较大的影响。梯级水库建成后，河流洪水的特性和地区组成发生了变化，尤其是当上游有具有调节能力的水库时，洪水的时空分布发生了很大的变化。在进行工程本身的防洪安全设计时，如果工程，上游有调蓄作用较大的己建成或近期即将建设的梯级水库或水库群，则应考虑这些水库的调洪作用和对下游设计断面设计洪水的影响。

中国在推求梯级水库设计洪水时，主要采用地区组成法、频率组合法、随机模拟法等方法。

（1） 地区组成法

该祛将设计断面以上各梯级水库所在断面及水库之间的区间作为分区，在分析各分区洪量占设计断面洪量组成比例的基础上，按对设计断面防洪不利的原则，拟订一种或几种洪水的地区组成方案，将设计断面的设计洪量分配给各分区，然后选择一次洪水过程线作为典型，以各分区分配的洪量作为控制，通过缩放推求各分区洪水过程线，并将设计断面上游各梯级水库所在断面的洪水过程线通过调洪计算后与区间洪水过程线组合演算至下游设计断面，作为设计断面的设计洪水。

拟定设计洪水地区组成，一般要考虑以下两种方案:

（2） 典型年组成

从实测资料中选择一个或几个有代表性的，对防洪不利的大洪水作为典型，以设计断面的设计洪量为控制，按典型年各分区洪量占设计断面洪量的比例，计算各分区相应的洪量。

（3） 同频率组成

根据防洪要求，选定某一分区出现与下游设计断面同频率的洪量，其余分区的相应共量则按水量平衡原则推求。如果其余分区有几个，则可选择一个典型洪水，计算该典型洪水各分区洪量的组成比例，并按此比例将相应洪量分配给其余各分区。

（4） 频率组合法

该法是以设计断面以上各分区的供量作为变量，通过频率组合计算和上游各梯级水库的调洪计算，直接推求出下游设计断面的洪水频率曲线和设计值。

频率组合法按其处理方法的不同，又可分为数值积分和离散求和两种方法。

①数值积分法

该法将上游梯级水库调类后的下泄流量与来水建立起函数关系，将来水的概率分布函数转化成下泄流量的概率分布函数，再与区间洪水的概率分布函数组合后推求下游设计断面的洪水概率分布表达式。

通过数值积分计算推求下游设计断面受上游梯级水库影响情况下的设计洪水。

② 离散求和法

该法是将各分区的时段洪量作为组合变量，以各分区洪量的频率曲线为基础，将连续的洪最频率曲线离散化，概化成有限个“状态”，并考虑所有“状态”的组合。对每种状态选择典型过程线，按供量缩放各分区供水过程线，经调洪计算得到该状态组合下设计断面受上游梯级水库调供影响后的洪水过程线以及该状态组合的相应概率，从而可直接推求出设计断面的洪水蜂、量频率曲线。

（5） 随机模拟法

该法采用随机模拟技术，根据设计断面、上游梯级水库所在断面及区间同步的洪水流量资料，建立设计断面年最大一场供水过程及各分区相应洪水过程的随机模拟模型。利用该模型，并考虑设计工程防洪标准的要求，随机生成足够长的、能满足需要的多断面(或称多站)同步洪水过程资料系列，将水库断面的洪水流量过程经长系列调洪计算，得到下泄流量过程，井与区间洪水过程组合后，求得设计断面长系列的洪水流量过程，从中用直接统计法求得设计断面受上游梯级水库调洪影响后的峰、量频率曲线, 并内插出设计洪水数值 。2100433B

河流有梯级水库存在情况下的设计洪水。它与单一水库设计洪水除有共同性外，尚有一些特殊性，主要有:

①在同一河段上，有两个及两个以上的已建或设计水库，改变了河流的原始条件;

②当上游有水库时，下游水库的水流受上游水库防洪调度的人为影响;

③区间增多，暴雨和洪水的组合情况更为复杂。

在推求梯级水库设计洪水时，应考虑上述特点 。

王国安认为梯级水库设计洪水的计算，从暴雨上说，是要解决暴雨的地区分布即空间组合问题，并提出用“同频率”概念控制法和典型年法推求梯级水库的PMP；从洪水来说，是要解决洪水地区组成问题”。我国在1964年提出的设计洪水计算规范草案及1979年颁发的《水利水电工程设计洪水计算规范SD122-79(试行)》5中，都提出了采用同频率组成法和典型年组成法两种基本方法来拟定设计洪水的地区组成。近半个世纪以来，随着流域水库的逐步梯级化，为了探讨更适合梯级水库的洪水地区组成方法，水文工作者开展了大量的研究工作 。

设计洪水简介

指当河流设计断面发生设计频率的洪水时，其上游各控制断面和区间相应的洪峰、洪量和洪水过程线，它表示下游断面的设计洪水和上游各个控制断面设计洪水之间的关系。在制定流域开发方案、分析单一水库的防洪作用和研究梯级水库或水库群的联合调洪作用时，需分析设计洪水的地区组成。为了分析和比较设计洪水不同地区组成的防洪效果，常需拟定若干种地区组成方案，经调洪演算和综合分析，从中选取能满足工程设计要求的，作为设计的依据。

设计洪水计算方法

设计洪水的地区组成的计算方法有：

①典型年法。即从实测资料中选出若干次在地区组成上具有一定代表性的（如洪水主要来自上游,或主要来自区间,或在全流域均匀分布）、对防洪不利的大洪水作为典型洪水，以设计断面某一时段设计洪量为控制，按同一倍比对各断面及区间同一时段的典型洪水进行放大，求得各断面及区间相应的洪量或洪水过程线。

②同频率地区组成法。指根据防洪要求，选定某一时段一个分区的洪量与设计断面的洪量为同频率，其余各分区的相应洪量和某一次洪水的地区组成作为典型，进行分配，并以同频率洪量和分配的时段洪量作为控制，放大典型过程线作为设计洪水和各地区的相应洪水过程线。

根据流量资料计算 依据实测或调查洪水流量资料，分析洪水的某些特征值的出现频率，推求设计洪水的频率分析方法，已被许多国家广泛采用。中国现行设计洪水计算规范规定，当设计断面或其上下游有20年以上实测洪水资料，并有历史洪水调查和考证资料时，可根据流量资料分析计算设计洪水。其主要步骤如下：

（1）资料的搜集整理及插补延长。流量资料的插补延长多采用与长系列站的资料建立相关的方法。此外，还要重点复核大洪水资料的可靠性。

（2）历史洪水调查及考证。包括野外洪痕、洪水发生年代、时间的调查，以及洪峰、洪量的推算；进行历史文献记载的考证，借以确定历史洪水的排位顺序，估计其重现期。

（3）系列代表性分析。一般通过与邻近地区长系列站资料的对比分析，以及根据实测及调查考证的历史洪水资料，分析洪水丰枯年变化情况、大洪水出现的周期、不同年段大洪水出现的频次以及分段计算的统计参数的变化情况等，以判别系列代表性的好坏。

（4）进行洪水频率计算。

（5）成果的合理性检查。常用的检查方法：①本站洪峰流量及不同时段洪量的频率分析成果相互比较；②与上下游及邻近地区河流的频率分析成果相比较，以分析判断统计参数和设计值是否符合地区变化规律；③与通过暴雨推求的设计成果和比较。

（6）根据设计要求，推求设计洪水过程线、分期设计洪水或施工设计洪水、拟定设计洪水的地区组成等。

根据雨量资料计算 暴雨是形成洪水的主要因素，许多流域暴雨观测年限大于流量观测年限。中国现行设计洪水计算规范规定，当设计断面所在流域及邻近地区的雨量站有20年以上实测暴雨资料，并且有实测或调查大暴雨和多次可供产流汇流分析用的暴雨洪水对应观测资料时，可根据暴雨资料，采用频率分析方法，计算流域设计暴雨，通过流域产流汇流计算（参见暴雨径流关系、单位线），推求相应频率的设计洪水。

此外，对于短缺暴雨洪水资料的小流域，可采用推理公式（参见小流域设计洪水）、经验公式或单位线等推求设计洪水。

经验表明，在有条件的情况下，采用几种方法推算设计洪水，并根据资料的长短与可靠程度，有侧重地对计算成果综合分析，合理确定具体工程的设计洪水数据，是提高成果精度的有效方法。

以实际年洪水作为设计洪水 世界各地大江大河较多地采用某一实际发生过的大洪水作为设计洪水。如1954年长江洪水是近百年长江中下游出现的一次最严重的全流域型大洪水。在《长江流域综合规划简要报告》（1990年修订）中，长江中下游平原区以1954年实际洪水作为主要防御对象。考虑上游水库建设情况、中下游防洪情况和中下游防洪状况，确定以1954年洪水实际最高洪水位为基础，适当提高堤防设计水位。

年最大施工设计洪水一般根据有关规范选定的洪水标准，采用频率分析方法确定。如果施工设计洪水的重现期低于实测或调查的最大洪水的重现期时，也可直接采用经验频率曲线推求施工设计洪水。

在推求分期施工设计洪水时，分期的划分，除满足施工设计的具体要求外，还应考虑洪水的成因及季节变化规律。在分期时，要求各分期洪水不但在成因上，而且在数量级上（如分期洪水的均值、历年最大值）、洪水过程线形状和峰值出现全年最大值的可能性等方面，有比较明显的差异。分期一般不宜短于1个月，特别是资料系列较短、洪水年际变化较大、相邻期洪水的季节性差异不明显时，为保证成果精度，分期时段更不宜过短。分期洪水的选样方法和分期设计洪水的使用，有不跨期与跨期两种：（1）不跨期选样，即各分期的样本，只在本分期时段范围内选取，若一次洪水过程跨越两个相邻分期时，视期洪峰流量或时段洪量的主要部分处在哪一分期内，就作为该分期的样本。由此选样方法计算的各分期设计洪水，在使用时，如果某一分期的设计洪水比其相邻分期的大，则允许将这一分期的设计洪水既作为本分期、也可作为跨越相邻分期5~10d范围内的设计洪水。（2）跨期选样，即各分期的样本，可在本分期及跨越相邻分期5~10d范围内选取。发生在两相邻分期交接处附近的洪水，允许同时选作这两分期的样本。由此样本计算的各分期设计洪水，只作为本分期的设计洪水，不再跨期使用。由于分期洪水的实际变差较大，而且分期的历史洪水调查考证比较困难，因此其频率计算成果的误差，比年最大洪水为大。为此，要从分期洪水设计值在年内的分布是否符合该地区洪水的季节变化规律，以及比较分期洪水与年最大洪水频率曲线是否相交等方面，作合理性分析。当分期洪水设计值大于年最大洪水设计值时，应以后者为准修正前者。施工设计有时要求给出分期小于1个月的设计洪水，为此可根据分期不小于1个月的洪水频率计算成果，将各分期同频率的设计值，点绘称设计洪水年内分配图，从中内插确定小于1个月的分期设计洪水值。

指年内不同季节或时期，如丰水期、平水期、枯水期、或其他指定时期的设计洪水。在水库调度运用、施工期防洪设计或其他需要时，要求计算分期的设计洪水。分期的原则是：①要使各分期的洪水不仅在成因上，而且在数量级和洪水特性等方面有明显差异。一般根据洪水成因，把全年划分为暴雨洪水期、凌汛期和融雪洪水期等。在可能条件下，暴雨洪水期还可进一步划分为梅雨期和台风雨期等。②满足工程设计的需要。例如，为选择截流时间，合理安排施工计划，常需求出枯水期、平水期和洪水期的设计洪水或分月设计洪水。分期一般不宜短于一个月。分期设计洪水的计算方法原则上与全年设计洪水的计算方法相同，但其计算成果一般误差较大，要作认真的合理性分析。