用水文统计方法对设计洪水的浅析

青海大学

课程论文

题目：用水文统计方法对设计洪水进行浅析学号：1455305014

姓名：

年级：2014级

学院：

专业：土木工程交通班

完成日期：2016年12 月10日

水文统计方法对设计洪水的浅析

【摘要】：洪水事件是威胁人类最大的自然灾害之一当短期暴雨或降水汇集，会形成洪水。为防止和减少洪灾对人类的危害，需要对洪水进行设计和预测，第一时间掌握洪水情况从而为防洪工程的设计提供依据。标准的频率分析一般假定实测水文序列满足一致性要求。在水文统计方法里，可以利用经验频率、频率和概率，累积频率等。

【关键词】洪水设计防洪水文统计方法经验频率

前言

1．洪水及设计洪水概念和涉及的一些主要内容

2．运用水文统计方法对洪水进行设计的一般方法和讨论

1.1流域内的暴雨或大面积的降雨产生的大量地面水流，在短期内汇入河槽，使河中流量骤增，水位猛涨，河槽内水流呈波状下泄，这种径流称之为洪水。我国北方河流在冬季迅速融化，或冰凌阻塞河槽形成冰坝而溃决，也能产生洪水。

洪水的大小及其发生时间是随机的，所以，防洪也只能达到一定的限度，期望在不超过某特定洪水条件下的安全，而不能保证任何极值洪水条件下的安全。防洪限度一般相对于洪水发生的频率或重现期而言，即防御指定频率的洪水，称为防洪标准。由于洪水的概率意义，工程的防洪设计准确地讲是在降低洪水损失的风险。

不同频率的洪水大小不同。防洪措施要与防洪标准相适应，因此，无论是工程措施还是非工程措施，其首要的问题就是要推求指定频率的洪水。

1.2设计洪水的推求

由于设计洪水必须具有频率的意义．推求设计洪水就是估计指定频率的洪水值，所以数理统计、频率分析法是推求设计洪水的重要方法。根据水文信息资料的不同，

1.3设计洪水的推求途径可归纳如下。

(1)由流量资料推求

当工程所在河段附近有K期水文站，具有较K时期（一般要求30年以上）的洪水流量观测资料，并有历史洪水调查和考证资料时，可对洪水资料进行统计、频率分析，求得符合一定标准的洪水特征值。这是最主要的设计洪水推求方法。对于桥涵、路基、堤防及调节性能小的水库等，设计洪水一般可只推求设计洪峰流量。

(2)由暴雨资料推求

工程所在流域及邻近地区有较K期的实测暴雨资料（30年以上），并有实测大暴雨，以及对应暴雨的洪水观测资料，可进行产汇流分析计算，用频率分析法计算设计暴雨，再由产、汇流模型转化为同频率的设计洪水。这是一种洪水成因与统计分析相结合的方法。由于雨量测站多，测量方便，暴雨资料往往比洪水流量资料系列K，而且具有较好的地区一致性。

(3)由地区综合分析法推求

如果工程所在流域暴雨及洪水资料十分短缺，可利用邻近地区的实测资料或调查资料进行地区综合分析，得山经验公式，或制成地区图表及手册，供无资料流域查算设计暴雨，再转换成设计洪水。水文特性具有地区性差异，这一点必须给予重视，所以，地区综合分析法被广泛应用于小流域地区设计洪水的推求。

(4)可能最大暴雨及可能最大洪水法

如果工程所在流域及邻近地区缺乏暴雨、洪水资料，但有水文气象观测资料时，可用水文气象法计算可能最大暴雨，再推求可能最大洪水。这种途径得到的可能最大洪水通常作为重要工程的校核洪水。

设计洪水推求途径的选择没有定量标准，取决于哪类资料更丰富，哪个系列更好。

为了使推算的结果更可靠，有的规范规定：可同时采用多种途径推算，并通过分析比较各种结果的可靠性，来决定设计洪水值的选用。

上述各种推求设计洪水的途径，都是以已发生的水文现象和观测到的资料为依据。资料的可靠性、代表性对于推求结果有重要影响，因此，在利用资料进行设计洪水值估算之前，做好洪水资料的选样、审查、样本系列展延等是非常必要的

由暴雨资料推求设计洪水

河流洪水形成的因素有融冰、融雪、强降雨或暴雨等，我国大部分地区的河流洪水主要由暴雨形成。当暴雨观测资料较多时，由暴雨资料推求设计洪水也是一种估算设计洪水的途径，而且对于以下情况尤为重要。①流域的洪峰流量资料短缺。

②人类活动影响改变了流域下垫面条件。

③小流域地区，缺乏洪水流量观测资料，但有地区水文经验图表可以利用。

由暴雨资料推求设计洪水是指将暴雨频率转换成相应的洪水频率，从而推求山工程需要的设计洪水值。由暴雨资料推求设计洪水的主要内容有暴雨频率分析或设计暴雨的计算和由设计暴雨形成设计洪水的计算。这里需要解决以下3方面的问题：第一，暴雨和洪水的频率关系；第二，进行暴雨频率分析，求得频率曲线的方法；第三，将暴雨转换成洪水的方法。

上述第一个问题，对于暴雨频率与洪水频率的关系处理，有一个基本假定：即洪水与暴雨同频率。在由暴雨资料推求设计洪水时，是将某频率的暴雨量值转换成同频率的洪水值。也就是说，对于比较大的洪水，一般认为，有某频卒的一场降雨，将形成同频率的一次洪水。第二个问题，暴雨频率分析方法，仍然是数理统计法，根据资料样本频率估计总体频率，但对不同性质的样本资料需要采用具体的处理。第三个问题，关于由暴雨转换成洪水的方法，实质就是降雨产生径流（称为产流）和径流形成洪水（称为汇流）的原理。

2.1在对洪水进行的设计中，水文统计方法至关重要。设计洪水的内容包括设计洪峰、不同时段的设计洪量、设计洪水过程线、设计洪水的地区组成和分期设计洪水等。可根据工程特点和设计要求计算其全部或部分内容。防洪设计标准指防洪工程抗御洪水能力的规定限度。防洪水工建筑物设计时，选用过于

大的洪水作为设计依据，虽然安全，但不经济；若选择的洪水偏小，投资虽然减少，但不安全或达不到预期的防洪要求。因此，需权衡安全和经济两个方面，为工程的防洪能力规定一个恰当的限度，即防洪设计标准。符合此标准的洪水即为设计洪水。防洪设计标准一般用洪水出现的概率或重现期表示。

所谓重现期是指等于及大于一定量级的水文要素值出现一次的平均间隔年数a，以该量级频率的倒数计。常用的计算方法有：①直接法。即根据流量资料推求设计洪水。当工程所在地或其附近有较长的洪水流量观测资料，而且有若干次历史洪水资料时，逐年选取当年最大洪峰流量和不同时段（如 1天、3天和7天等）的最大洪量，分别组成最大洪峰流量和不同时段最大洪量系列，然后进行频率分析，以确定相应于设计标准的设计洪峰和时段设计洪量。最后，选择典型洪水过程线，按求出的设计洪峰和各时段设计洪量，对典型洪水过程线进行同频率或同倍比放大，作为设计洪水过程线。②间接法。即根据雨量资料推求设计洪水。当工程所在地及其附近洪水流量资料系列过短，不足以直接用洪水流量资料进行频率分析，但流域内具有较长系列雨量资料时，可先求得设计暴雨,然后通过产流和汇流计算,推求设计洪峰、洪量和洪水过程线。该法假定，一定重现期的暴雨产生相同重现期的洪水。③地区综合法。如果工程所在地的洪水流量和雨量资料均短缺，可在自然地理条件相似的地区，对有资料流域的洪水流量、雨量和历史洪水资料进行分析和综合，绘制成各种重现期的洪峰流量、雨量、产流参数和汇流参数等值线图，或将这些参数与流域自然地理特征(流域面积和河道比降等)建立经验关系，然后借助这些图表和经验关系推算设计地点的设计洪水。

2.2还可以运用统计试验方法，来研究实测系列中加入历史洪水后对设计洪水成果的影响。其影响主要从频率曲线参数、设计值的变化以及参数、设计值的稳定性(用均方差的大小)两个方面来衡量。其中实测系列从给定洪水总体分布中随机模拟生成，历史洪水是总体分布中给定重现期的洪水值代表。

在我国水利、公路、铁路等工程有关规范，在水文统计中，大多数采用皮尔逊Ⅲ型曲线，作为近似于水文现象总体的频率曲线线形，在洪（枯）谁流量、降雨径流以及波浪高度的频率分析中广泛应用。另外，耿贝尔(E.J.Gumbel)曲线(第Ⅰ型极值分布曲线）也适用我国洪水频率分析，特别在最高最低潮水位的频率分析时普遍应用。

使用皮尔逊曲线查不同频率下的Kp值，根据Kp值、多年平均流量和流域面积计算出某一频率下的年径流深，以年径流深为纵坐标、频率为横坐标作出回归曲线即可得出理论频率曲线。

2.3利用经验频率曲线的绘制对设计洪水进行预测。

如果有n年实测水文资料，可按下列步骤绘制经验频率曲线：

（1）将按时间顺序排列的实测资料按其数值大小进行递减顺序排列成X1,X2,?,Xn,对应的序号m为1，2，?,n。

（2）利用P=m/(n 1)*100%分别计算对应各个变量的经验频率。

（3）以实测水文资料为变量x作为纵坐标，以频率p作为横坐标，在坐标

纸上绘制一条光滑的曲线

（4）根据工程设计标准指定的频率，在该曲线上查出所需的相应设计频率

标准的水文数据。绘制经验频率曲线的目的是为了按设计频率标准从中选定设计值，该设计值就是工程设计的依据。

2.4累积频率和重现期对设计洪水进行预测

单一水文特征值的频率只反映单个水文特征值出现的可能性，并未综合考虑系列所有水文特征值出现的可能性，为了提高工程设计的安全度，引入累计频率以能直观的反映工程设计的安全性。由累计频率的大小就能直观地看出所取水文特征的安全性和可靠性。

2.5理论频率曲线

能较好拟合大多数水文系列的线型。水文现象中最常用的理论频率曲线是皮尔逊Ⅲ型曲线（三参数τ分布曲线），在特殊情况下，经分析论证后也可采用指数的τ分布曲线、对数τ分布曲线、极值分布曲线、对数正态分布和威布尔分布曲线等其他类型的分布曲线。

皮尔逊Ⅲ型曲线特点

1）只有一个众数x，在众数处曲线的斜率等于零。若把纵坐标移到平均值处，即当

X=-d dy/dx=0

2）曲线的两端或一端以横轴为渐近线，即当

Y=0 dy/dx=0`

2.6相关分析在设计洪水中的应用

由于有些测站，或因建站较晚实测资料系列较短;或因别的原因系列中有若干年缺测，使得整个系列不连续。而在自然界的许多现象并不是孤立变化的，而是相互关联、相互制约的。利用这一原理，可以对洪水实测资料进行分析和总结。这些水文学统计的一般方法，在对洪水设计的过程中，虽然以科学、全面为努力的原则，但由于其局限性，误差一般较大。

3总结

设计洪水作为水文学中一项重要的研究领域，水文统计方法的合理选择显得尤为关键。我们需要不断的改进我们技术，使我们的预测更加的准确，减少灾难造成的损失。不论是一般方法还是新技术，都需要全面的，运用视情况而定的灵活思路去分析解决问题，从而更好的对洪水进行设计，造福于我们人类自身。

5参考文献

[1]马学尼主编、沈冰主审，水文学（第5版），北京西郊百万庄，中国建筑工业出版社，2014年2月，第34-135页

[2]百度文库

[3]百度百科