1、Q 水库设计洪水标准复核学 生：李 伟指导老师：李英海三峡大学水利与环境学院1 研究课题的由来和要解决的实际问题1.1 研究背景目前，水利水电工程及防护区的防洪安全程度，与根据工程建筑物而设计的洪水大小有关，设计洪水越大，在运行期间建筑物被损毁。防洪区被淹没的风险就越小，但是工程投资就会增加。所以，需要采用多大的洪水作为设计依据，最科学的方法是在分析水工建筑物防洪安全风险、防洪效益、失事后果及投资等关系基础上，通过综合经济分析并考虑失事后果后选择确定。对于已设计运行的水库，为验证其设计初的安全合理性，对设计洪水的标准进行复核亦为重要，我国现阶段水库数量众多，事故每年都有发生，因此，对水库的设计
2、洪水标准进行复核，对后期水库的运行及最大发挥防洪兴利效益具有重大意义。1.2 问题的提出Q 水库位于广东省大埔县境内,属韩江水系的汀江流域。坝址以上集水面积 9157km2。百年设计洪水位 73.14m ,相应库容 6949104 m3；500 年校核洪水位76.33m,相应库容 8470104 m3 ；正常高水位 73.00 m ,相应库容 6880 104 m3.多年平均径流量 87.4 108 m3,多年平均入库流量 277m3/s ,为日调节水库.近年来,随着经济的发展 ,流域内人类活动影响频繁 ,流域内先后修建了一些水利水电工程,对其影响最大的是 M 水库.M 水库位于 Q 水库上游
3、 14km 处 , 坝址以上集水面积为 7907 km2,占 Q水库坝址以上集水面积的 86. 3 %。百年设计洪水位 171.25m ,相应库容 15.91 108 m3 ；500 年校核洪水位 177.80m ,相应库容 20.35 108 m3 ；正常高水位 173. 00m ,相应库容 16. 95 108 m3。多年平均径流量 73.2 108 m3 ,多年平均入库流量232m3/s。水库以发电为主,兼有防洪、航运等综合利用效能,属不完全年调节水库.研究M 水库建成并投入应用后对 Q 水库设计洪水的影响 ,对 Q 水库的水资源规划管理、综合利用和水库的安全运行具有十分重要的意义.1.
4、3 课题概述本次毕业设计以 Q 水库的设计洪水复核作为实例进行研究。Q 水电站于 1995 年开始正式运行。考虑到水文气象条件、水力条件和流域下垫面条件的变化，Q 水库实测水文资料系列的延长以及防洪调度实际运行经验的积累，加之上游 M 水库的修建对其运行的影响，为了水库的安全运行和充分发挥其社会效益和经济效益，需要重新开展复查工作。复查工作采用由流量资料推求设计洪水，然后进行调洪演算，得到最大下泄量和最高库水位，并与初设结果和上次复查结果做比较，以验证其安全合理性。若验证了初始设计的安全合理性，为了最大限度地发挥防洪兴利的作用，我们可以采取一定的措施来增加水库的综合效益。1.4 研究的意义设计
5、洪水复核直接影响到工程的安全，投资及效益。也为找出 Q 水库设计洪水目前的动态变化，为水库调洪演算和水电站工程现状及大坝抗洪能力评价提供依据。由于建库后库区的产汇流发生了变化,外加上水文资料系列的延长,对水库设计洪水重新进行复核是非常必要的，因此，本文以 Q 水库为对象，采用由流量资料推求设计洪水，然后进行调洪演算，得到最大下泄量和最高库水位，并与初设结果和上次复查结果做比较，以验证其安全合理性。并在此基础之上，采取一定得措施提高防洪效益及安全性。1.5 国内外研究现状和发展趋势1.5.1 关于设计洪水推求的方法国外基于流量资料的设计洪水过程线方法均是首先通过洪水频率分析得到表征洪水过程的特征
6、量设计值,然后由特征量设计值结合洪水过程的形状得到设计洪水过程线。洪水过程形状可通过对流域汇流特性进行概化( 单位线方法)或者直接对洪水过程形状进行综合概化等方法得到, 概化后洪水过程形状具有流域洪水特性的代表性。我国在小流域设计洪水过程线推求中通常采用洪水过程概化法和综合单位线法, 概化的洪水过程线形状如三角形、抛物线形等。而这些方法并不在由流量资料推求设计洪水中使用。由流量资料推求时,仍是在实测洪水过程中挑选恶劣的典型进行放大, 也就是基于实测的恶劣典型的洪水过程形状。英国 FEH 推荐的降雨径流模型参数调节法,可以通过降雨径流模型给出洪水过程线的形状,并能够使暴雨和洪水的频率一致。降雨径
7、流标准洪水过程借用法也是一种基于单位线的方法,并且能够在设计洪水过程线形状的选择中考虑城市化的影响。国外在设计洪水过程线推求中,一般对洪峰、整个洪量和洪水历时进行分析,历时也是一个设计变量;而国内同频率方法,分析各固定时段的洪量,且时段个数取的相对较多,分段放大后容易使洪水过程线形状被破坏。同频率方法和同倍比方法的合理性与峰量关系有很大的联系,峰量相关性越好,同频率和同倍比方法就越合理, 越具有理论基础。当峰量相关性很好时,设计洪水过程的频率可以以峰或量的频率近似代替。然而,国内外的设计洪水方法都没有很好地解决不 同峰量相关程度下整个设计洪水过程的频率问题。洪水事件包含多个特征, 如洪峰、各时
8、段洪量等,因而需要采用多个特征量才能完整描述。描述洪水过程需要采用洪峰、洪量、洪水过程形状以及历时等。洪水过程是由多个特征量有机组成的一个整体,而国内外的设计洪水推求方法都是基于单变量洪水频率分 析对洪峰和洪量分别进行分析和设计的,没有充分考虑洪峰与洪量等特征量之间的相关关系,不能充分描述洪水过程,并且以特征量的频率代替整个洪水过程的频率,导致设计出来的洪水过程的实际发生频率模糊不清。近年来, 两变量联合分布越来越多地被国内外水文工作者应用于洪水过程的描述中。Paul J. Northrop 等1应用 Gumbel 混合模型构建了边缘分布为 Gumbel 分布的两变量极值分布, 分析洪峰和洪量
9、、洪量和洪水历时等两相关特征量之间联合发生概率。熊立华和郭生练8建立了边缘分布为 PIII 型分布的两变量联合分布,并用于研究长江流域某站点洪峰和洪水总量的联合发生概率。 洪峰和洪量等相关特征量的联合分析与设计是一种推求设计洪水过程线的新思路,但是目前联合分布的研究和应用多限于两个变量,而我国的传统设计方法和习惯都是对洪峰和 1d 洪量、3 d 洪量等 3 个以上的特征量进行频率分析, 然后推求设计洪水过程线的。1.5.2 关于设计洪水标准的复核对于已建水库设计洪水标准的复核，同设计洪水的计算一样重要。应广泛搜集和复核基本资料，提高采用资料系列的可靠性和代表性；应根据水库所处地区的洪水特点，选
10、择适宜的计算思路，充分进行合理性检查，确定分析计算成果。但更应注意两个阶段的差别，特别是两个阶段人类活动影响的差异，重视水文资料一致性的处理；注意水库建成后在产流、汇流方面的差异及其对洪水的影响，选择合适的计算方法，为除险加固提供实际的和恰当的设计依据。2.研究的技术路线和方法2.1 总体步骤及设计洪水过程线的推求步骤进行调洪演算maxmaxVZq、 、由流量资料推求设计洪水对比初始设计标准合理性分析。提出建议洪水样本的选取（年最大值法） 。特大洪水的处理与频率计算。同倍比同频率放大洪水资料的可靠性，一致性，代表性审查典型洪水的选取（可靠与不利原） 。得到设计洪水过程线图一 设计洪水标准复核步
11、骤 图二 由流量资料推求设计洪水2.2 课题研究方法2.2.1 由流量资料推求设计洪水分别对洪峰流量和各种时段洪量进行频率计算，求得设计洪峰流量和各种时段的设计洪量；选择适当的典型洪水过程线，用设计洪峰和设计流量对其进行放大，得出设计洪水过程线。2.2.2 洪水样本的选取要选取表征洪水特征的样本，洪峰系列选取年最大值，洪量系列选取固定时段的年最大值（固定时段 T 包括 1d、2d、3d、5d、7d、15d、30d） 。所谓年最大 1d 洪量 W1 实际上是一年中连续 24h 的最大洪量，并不是逐日平均流量表中的最大日平均流量乘以一天的秒数；同样，W3 是指一年中连续 72h 最大洪量，其他依次
12、类推。2.2.3 洪水资料的审查包括可靠性、一致性、代表性审查。若有需要可进行适当的资料插补延长。2.2.4 考虑特大洪水的洪峰流量频率计算在 Q 水库给定的资料中如若出现了历史特大洪水，则可选择分别处理法或统一处理法进行经验频率计算。2.2.5 设计洪峰流量，洪量计算（1）根据上述方法初估统计参数值；（2）选用 PIII 型曲线为水文频率分布线型；（3）采用适线法推求与经验频率配合最佳的洪峰流量或不同时段洪量理论频率曲线；（4）在拟合的最佳理论频率曲线上读出相应于设计频率的设计洪峰流量或各统计时段的设计洪量；（5）对计算所得的设计洪水过程线进行合理性分析，按照相应原则（洪峰不变，洪量相等）进
13、行人工修匀，得到合适的数据。2.2.6 设计洪水过程的推求：按照“可靠”和“不利”原则选取典型洪水过程线（一般根据上述原则初选多个典型，分别放大，经调洪计算，取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型 ） ，再分别按照同频率与同倍比方法进行放大，从而得到设计洪水过程。并对两种放大方法进行比较。2.2.7 调洪演算方法水库的调洪演算一般而言，就是逐时段联解下面两式，即2-112121QqttV2-2()f解这两个方程的具体方法很多，主要包括试算法与半图解法。在本设计中，均采用两种方法对设计洪水进行调洪演算，具体计算步骤在此不再详述。2.2.8 分析结果并提出建议：在进行调洪演算后，得到 。与初始设
14、计与maxmaxVZq、 、上一次复核结果相比较，并提出相应的改进措施，使得水库的经济效益最大化。3. 课题研究的内容和预计成果3.1 研究内容本课题研究内容主要包括：资料的一致性、代表性、可靠性审查。洪峰，洪量样本系列的选择，特大洪水的处理，典型洪水的选择以及洪水放大方法，调洪演算的计算方法，成果的合理性分析。研究由流量资料推求设计洪水，以解决水库的设计洪水计算问题。并由设计洪水过程线进行调洪演算，求得最大下泄流量与最高库水位，与初始设计标准进行比较，分析其合理性。并提出自己的改建措施及有效的创新方法。同时，对于 M 水库的修建，采用由实测流量推求设计洪水的方法,分别以考虑 M 水库影响和不
15、考虑 M 水库影响两种途径对 Q 水库的设计洪水进行了分析计算。对比计算结果，分析结论，同时对此提出自己的建议或改建措施3.2 预计成果预计此次设计洪水标准的复核满足该水库的设计标准，M 水库建成投入运行后对 Q水库的设计洪水有一定的影响, 且对 Q 水库防洪有益; Q 水库可以适当提高其汛限水位，鉴于上游水库的修建，我们可适当增加下游水库的兴利作用。使其防洪兴利效益最大化。（具体建议及其他创新方法要依据数据算得的结果而定） 具体预期成果应包括：毕业设计开题报告、外文翻译、计算程序、计算结果图表、毕业论文等4阅读的主要文献 【1】. Paul J. Northrop，Likelihood-ba
16、sed approaches to flood frequency estimation，Journal of Hydrology, 2004, 292: 96113.【2】. 黄振平 水文统计学M.河海大学出版社，2003.叶秉如 水利计算及水资源规划M.水利电力出版社，1995.【3】. 黄泽钧, 王福喜, 孟才, 张凡凯. 湖北省小型水库设计洪水与防洪复核方法探讨 . 中国农村水利水电, 2012, (9):161-164.【4】. 肖义, 郭生练, 方彬, 刘攀. 设计洪水过程线方法研究进展与评价. 水力发电, 2006, (07):61-03.【5】. 彭习渊, 孟晓亮. 建库后水库
17、设计洪水复核方法探讨. 中国水利学会 2003 学术年会论文集, 2003.【6】. 李杰友, 陆波, 穆方驰. 棉花滩水库建成后对青溪水库设计洪水影响研究J.水利水电科技进展, 2005, (01):25-03 .【7】.水利水电工程设计洪水计算规范（SL44-2006） M.。中华人民共和国水利部、能源部, 2006. 【8】.熊立华, 郭生练. 两变量极值分布在洪水频率分析中的应用研究 J. 长江科学院院报, 2004, 21(2):35- 37.【9】黄泽钧，张凡凯，孟才.左家沟水库设计洪水复核研究.【10】樊孔明,董增川，王聪聪，等.棉花滩水库设计洪水复核计算水电能源科学，2011.
18、29(4);57-59.【11】 王卓娟，乔娟湖北省小型水库设计洪水计算 三峡大学学报（自 然科学版） ，2011， （3） ；6-9.【12】 谷黄河，陆宝宏，余钟波，等柘林水电站设计洪水复核研究J 。水电能源科学，2010,28(6). 5. 工作的主要阶段与进度起止日期 要求完成的内容及质量2015.12.06-2016.01.15 开题报告和外文翻译2016.01.16-2016.02.28 方案设计与讨论，确定最终研究（设计）方案。2016.03.01-2016.04.20 完成程序设计与相关计算，获得所需的计算结果。2016.04.21-2016.05.01 对计算成果进行合理性分
19、析，发现研究中的不足或缺陷，并对模型或方案进行改进。2016.05.02-2016.05.20 毕业论文撰写。2016.05.21-2016.05.30 上交毕业论文，并根据指导教师反馈意见进行修改。2016.06.01-2016.06.05 毕业论文定稿，装订。进度及要求2016.06.06-2016.06.08 毕业论文答辩。6 现有条件及必需采取的措施6.1 现有相关基本资料：1. Q、M 水库基本特征数据：水位库容关系，水位泄量关系，泄流能力曲线。2. XK 水文站历史洪水资料：1951 年1994 年坝址洪峰及时段洪量资料；1995 年2000 年入库洪峰及时段洪量资料；1842 年历史洪水，1973 年 6 月典型洪水过程；6.2 必需采取的措施文献阅读、资料收集、数据处理、数据复核、自主学习并应用相关软件等。
