（水利工程專業(yè)論文）可能最大降水與洪水估算方法的進展及其在清江的應用研究.pdf

學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其 他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 與我一同工作的同事對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 如不實 本人負全部責任 論文作者 簽名 絲翟塾絲 一厙 月 日 學位論文使用授權說明 河海大學 中國科學技術信息研究所 國家圖書館 中國學術期刊 光盤 版 電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電子文檔 可以采用 影印 縮印或其他復制手段保存論文 本人電子文檔的內容和紙質論文的內容 相一致 除在保密期內的保密論文外 允許論文被查閱和借閱 論文全部或部 分內容的公布 包括刊登 授權河海大學研究生院辦理 論文作者 簽名 絲絲至棚 年 1 1 月 1 3 摘要 可能最大洪水是跨壩后果特別嚴重的水利水電工程及核電站工程的設計洪 水標準 國內外水文氣象工作者在可能最大降水與洪水 p m p p m f 的估算上做 了大量的理論研究 方法探索和實際應用工作 取得了豐碩的研究成果 并積累 了寶貴的經驗 論文的主要工作和結論包括 1 在回顧和總結國內外有關文獻成果的基礎上 對p m p p m f 估算方法的 研究進展進行了綜述 評價了估算方法的特點及適用條件 2 在分析清江流域暴雨洪水特性的基礎上 擬定了估算清江水布埡 p m p p m f 的方法和方案 用當地暴雨放大 暴雨移置 時面深概化法估算了水 布埡工程以上流域的2 4 小時和3 天p m p 為得到壩址的7 天洪量 在暴雨移置 時面深概化估算得可能最大3 天降水后組合了一場一般暴雨 結果表明 時面深 概化法估算的2 4 小時和3 天p m p 最大 當地暴雨放大法估算的2 4 小時和暴雨 移置法估算的3 天p m p 最小 3 采用p m p 條件下的產匯流計算方法 計算了壩址的p m f 過程 結果表 明 由時面深概化法估算的p m p 用 6 97 和 7 1 6 時雨型推算的p m f 洪 峰洪量均較大 由當地暴雨放大法估算的p m p 推算的p m f 洪峰洪量均較小 4 對估算得到的p m p p m f 成果 從方法和資料上進行了評價 與中國大 暴雨時面深記錄 2 4 小時可能最大點雨量及我國部分水利水電工程可能最大暴 雨洪水的成果進行了比較 綜合分析后認為成果是合理的 滿足工程設計要求 關鍵詞 可能最大降水 時面深概化法 可能最大洪水估算方法 水布埡 a b s t r a c t p o s s i b l em a x i m a lf l o o di st h ed e s i g n e df l o o ds t a n d a r do ft h eh y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n ga n dn u c l e a rp o w e rp l a n t w h i c ha f f r o n tv e r ys e r i o u sd a mf a l l i n g m a n y i n t e m a la n do v e r s e a s m e t e o r o l o g i s th a v e d o n em u c hr e s e a r c h e x p l o r a t i o na n d p r a c t i c eo nt h ee s t i m a t i o no fp o s s i b l em a x i m a lp r e c i p i t a t i o na n df l o o d p m p p m f t h e yh a v eg e tg r e a ts u c c e s s a n da c c u m u l a t ev a l u a b l ee x p e r i e n c e t h i st h e s i s sm a i n j o ba n dc o n c l u s i o na r e 1 b a s e do nr e v i e w i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ei n t e r n a la n do v e r s e a sr e l a t i o n a l l i t e r a t u r e s s u m m i n gu pt h er e s e a r c hh e a d w a yo ft h ee s t i m a t i o no fp m p p m f e v a l u a t i n gt h ee s t i m a t i o nm e t h o d sc h a r a c t e r i s t i ca n da p p l y i n gc o n d i t i o n 2 b a s e do na n a l y z i n gt h eq i n g j i a n gb a s i nr a i n s t o r m sc h a r a c t e r i s t i c s t u d y i n g o u ti t sm e t h o da n dp r e c e p to nt h ee s t i m a t i o no fp m p p m f z o o m i n gi nl o c a l r a i n s t o r m d i s p l a c i n gt h er a i n s t o r m a d o p t i n gt h et i m e a r e a d e p t hs u m m a r i z a t i o nt o e s t i m a t et h e2 4h o u r sa n d3d a y s p m pu p w a r dt h es h u i b u y ae n g i n e e r t og e t7d a y s f l o o d f l o w c o m b i n gac o i u l n o nr a i n s t o r ma f t e rt h em a x i m a lp o s s i b l ee s t i m a t e3d a y s p r e c i p i t a t i o nb yd i s p l a c i n gt h er a i n s t o r ma n da d o p t i n gt h et i m e a r e a d e p t h s u m m a r i z a t i o n t h er e s u l ts h o w s t h e2 4h o u r sa n d3d a y s p m pv a l u ec o m p u t e db y t i m e a r e a d e p t hs u m m a r i z a t i o ni sm a x i m u m t h e2 4h o u r s p m pv a l u ec o m p u t e db y z o o m i n gi nl o c a lr a i n s t o r ma n d3d a y s p m pv a l u ec o m p u t e db yd i s p l a c i n gt h e r a i n s t o r ma r eb o t hm i n i m u m 3 a d o p t i n gt h eo u t p u t c o n f l u xc o u n tm e t h o do nt h ep m pc o n d i t i o n c a l c u l a t e d t h ep m fp r o c e s so ft h ed a m t h er e s u l ts h o w s e s t i m a t e db yt h et i m e a r e a d e p t h s u m m a r i z a t i o n t h ep m ff l o o d p e a kf l o w s r e c k o n e db y 6 9 7 m a d 7 1 6 r a i nt y p e a r eb o t hb i g t h ep m ff l o o d p e a kf l o w s r e c k o n e db yp m pw h i c hi se s t i m a t e db y z o o m i n g i nl o c a lr a i n s t o r mm e t h o da r es m a l l 4 e v a l u a t i n gt h ee s t i m a t e dp m p p m fr e s u l tf r o mm e t h o da n di n f o r m a t i o n c o m p a r i n gw i t hc h i n e s eb i gf l o o dt i m e a r e a d e p t hn o t e 2 4h o u r sp o s s i b l em a x i m a l p o i n tr a i n f a l la n do u rp o s s i b l em a x i m a lf l o o dr e s u l ti ns o m eh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g t h er e s u l ti sr e a s o n a b l e i tc a nr e a c ht h ee n g i n e e r i n gd e s i g n sn e e d s k e yw o r d s p o s s i b l em a x i m a lp r e c i p i t a t i o n p o s s i b l em a x i m a lf l o o d e s t i m a t i o n m e t h o d t i m e a r e a d e p t hs u m m a r i z a t i o n s h u i b u y a 河海大學工程碩士學位論文 第一章緒論 1 1 可能最大降水與洪水概述 在河川上修建任何水利工程 包括水庫 堤壩 圍堰 橋梁等 均需要根據一 定大小的洪水作為標準來進行設計 即要進行設計洪水計算 設計洪水是水利水 電工程防洪安全設計所依據的各種標準洪水的總稱 它既包括以頻率表示的洪 水 也包括可能最大洪水 既包括設計永久性水工建筑物正常運用情況下的洪水 設計洪水 和非常運用情況下的洪水 校核洪水 也包括旌工期間設計i 臨時建筑 物所采用的洪水 合理確定設計洪水是江河流域規(guī)劃和水利水電工程規(guī)劃設計中 的首要任務 它直接關系到江河治理的戰(zhàn)略布局 工程的安全與經濟效益 人民 生命財產的安全和社會的安定 因此 這個問題歷來都受到世界各國的重視 新 中國成立以來 已修建9 0 0 0 余座水利工程 在設計洪水計算方面取得了豐富的 經驗 設計洪水計算有兩大途經 1 一是數理統(tǒng)計法 即把暴雨或洪水看作是隨機 事件 運用數理統(tǒng)計學的原理和方法來推求指定頻率的設計洪水 該方法一般稱 為頻率分析法 二是水文氣象途經 即把暴雨 洪水看作是必然事件 運用水文 學和氣象學的原理和方法 推求出近似于物理上限的暴雨 洪水 即可能最大降 水 可能最大洪水 p r o b a b l em a x i m u mp r e c i p i t a t i o n p r o b a b l em a x i m u mf l o o d 簡稱p m p p m f 該方法一般稱為水文氣象法 頻率分析法是根據短期的洪水資 料 通過頻率曲線的外延來推求各種設計標準的洪水 此途經得出的設計洪水具 有明確的頻率概念 但其物理形成過程不清楚 水文氣象法則在現(xiàn)有特大暴雨資 料分析研究基礎上 結合流域特性和工程要求 推求可能最大降水 將其轉化為 洪水 即可能最大洪水 此途徑得出的洪水 在主要環(huán)節(jié)上能從物理成因上得到 一定的解釋 但無明確的物理概念 迄今為止 無論在國內或國外 大中型水利工程的設計洪水計算仍是以頻率 分析法和水文氣象法為主要手段 頻率分析法屬經驗性的 與資料系列長短有關 現(xiàn)有水文站系列長度一般為4 0 年左右 調查歷史洪水一般也只是近百年 或幾百 年 中的最大值 可是保壩校核洪水往往需要千年 力r 年一遇洪水 這就 必然造 河海大學工程碩士學位論文 成經驗性的頻率曲線外延幅度過大 求得的保壩設計洪水可靠性較差 水文氣象 法是從降水量的物理成因上分析某區(qū)域一定歷時內降水量的上限值 這個上限值 就是可能最大降水 經產匯流轉化為可能最大洪水 水文氣象法所得到的設計洪 水成果 在 些主要環(huán)節(jié)上能夠從物理成因上解釋 在資料應用上 它著眼于一 個很大的區(qū)域 即氣象一致區(qū) 故所獲得的水文氣象信息相對較多 從而更有可 能使計算成果接近于實際 1 2p 奸 p 岍研究進展 i i 丁能最大降水與洪水估算是推求高風險水庫工程設計洪水的重要方法 隨著 社會經濟的發(fā)展 人口的增加和人類活動導致下墊面條件的改變 這種方法將更 加顯示其強大的生命力 1 2 1 國外p 酬p 肝研究進展 可能最大降水與洪水首先由美國于2 0 世紀3 0 年代提出 并用于工程設計 作為重要水庫大壩和溢洪道的普遍設計標準 美國在1 9 4 7 年完成了1 0 5 w 經線 以東地區(qū)p m p 的綜合研究 面積控制在2 5 9 0 0 k m 2 1 9 8 0 1 9 9 8 年間美國國家天 氣局水文氣象設計研究中心與各州合作出版了一系列水文氣象報告 一1 4 簡稱 i m r 報告情況見表l 一1 h m k 的一系列報告系統(tǒng)研究了可能最大降水的地區(qū)分 布 時面深關系 季節(jié)變化 地形影響和設計時面雨型 1 9 8 1 1 9 8 7 年間 美 國舉行了多次水文氣象會議 第4 7 次 1 9 8 3 年在美國召開了國際水文氣象討 論會 其會議文集中有不少涉及暴雨估算的內容 美國工程界也有討論p m p 估算 的例子和觀點 英國在1 9 7 5 年發(fā)表了 洪水研究報告 3 3 之后 又作了補充研究 發(fā)表 了補充研究報告 在上世紀8 0 年代出版的水文書籍中有大量篇幅介紹 洪水研 究報告 中的計算方法和詳細的查算剛表 澳火利亞在上世紀8 0 年代舉行了多次水文和水資源學術討論會 會議文集 中均有涉及p m p 的論文發(fā)表 澳大利亞氣象局 x u e r e bk c 2 0 0 在上世紀 9 0 年代出版了多年研究熱帶和亞熱帶地區(qū)短歷時小面積p m p 估算方法的水文系 列報告 簡稱f i r s 河海大學工程碩士學位論文 表1 1 美國水文氣象報告列表 報告名研究流域出版時間 i m r 4 9 科羅拉多州 1 9 8 4 刪r 5 1 1 0 5 w 經線以東地區(qū) 1 9 8 0 h m r 5 2 1 0 5 0 w 經線以東地區(qū) 1 9 8 2 刪r 5 3 1 0 5 0 w 經線以東地區(qū) 1 9 8 0 刪r 5 4 阿拉斯加東南部地區(qū) 1 9 8 3 h m r 5 5 a 大陸分水嶺至1 0 3 w 經線之間地區(qū) 1 9 8 8 刪r 5 6 田納西州 1 9 8 6 h m r 5 7 哥倫比亞河西北部地區(qū)及太平洋沿岸 1 9 9 4 h m r 5 8 加利福尼亞州 1 9 9 8 刪r 5 9 加利福尼亞州 1 9 9 8 印度暴雨量級甚大 近年對印度西部的三次特大暴雨有過專門的介紹 對熱 帶地區(qū)p m p 的估算也有一些研究 1 9 8 6 年世界氣象組織 簡稱w m o 出版了 可能最大降水估算手冊 6 3 第二版 基本保留了1 9 7 3 年第一版的所有內容 并又補充了美國 澳大利亞 印度等國 新的經驗 1 2 2 國內p 鄴 p 蝦研究進展 我國p m p p m f 的發(fā)展進程大致分為三個階段 1 學習和開創(chuàng)階段 2 0 世紀5 0 年代末至2 0 世紀6 0 年代末 我國開展p m p p m f 工作始于上世紀5 0 年代 當時為滿足長江三峽水利樞紐 規(guī)劃設計的需要 長江水利委員會 原稱長辦 協(xié)同中國科學院地球物理研究所 原華東水利學院 簡稱華水 北京大學等單位 于1 9 5 8 年率先在我國開展了 p m p p m f 的研究和估算工作 在廣泛學習和吸收國外經驗的基礎上 結合三峽工 程的特點 歷經兩年時間 采用十個方案估算了三峽6 0 天的可能最大降水和可 能最大洪水 在估算大面積 長歷時p m p p f 方法上有所創(chuàng)新 隨后原上海院和 華水共同對華東地區(qū)有臺風和鋒面雨的可能最大暴雨作了研究 長辦 北京院 東北院 西北院 昆明院 長沙院等單位陸續(xù)對丹江口 隔河巖 偏窗子 寶珠 寺 烏江渡 陸水 鴨河l 普定 五強溪 白山等工程進行了可能最大暴雨的 分析計算 1 9 6 3 年8 月 海河流域發(fā)生了特大暴雨洪水 導致劉家臺等中小型 河海大學工程碩士學位淪文 水庫垮壩和京廣鐵路中斷 在全國引起較大的震動 使人們開始對p m p p m f 工作 重視起米 水利電力部水電總局為了向全國推廣這項工作 于1 9 6 5 年秋 委托 長辦舉辦了水文氣象研習班 部屬設計院和部分省設計院派員參加了學習 這個階段分析p m p 所使用的方法特點是 除少數工程為暴雨組合和暴雨移置 外 其余偏重于采用水汽輸送 動能平衡 對流環(huán) 鋒面模式和綜合模式等理論 方法 由于這些方法在理論上存在重大缺陷 參數的定量還要應用高空觀測資料 而中國這方面的資料又很少 站點稀 觀測年限短 測次少 故其成果較難令人 信服 這一階段的成果并未在實踐中正式應用 2 運用和普及階段 2 0 世紀7 0 年代至2 0 世紀8 0 年代初 1 9 7 2 年1 0 月 9 7 3 年1 0 月 為滿足黃河中上游防洪規(guī)劃的需要 黃河水 利委員會 原稱黃委 和華水 河南省氣象局協(xié)作 對黃河三門峽至花園口區(qū)間開 展p m p 研究工作 他們將國外的方法結合中國實際情況和多年來的水文分析工作 經驗加以運用 并注意把水文學和氣象學密切結合起來 提出了一套比較系統(tǒng)的 計算方法 對其它地區(qū)的可能最大暴雨估算起了一定的作用 1 9 7 3 年1 1 月 水 電部在蘭州召開了全國第一次設計洪水規(guī)范討論會 會議決定將水文氣象法計算 設計洪水列為水工建筑物設計洪水計算規(guī)范 蘭州會議引起了全國上下對p m p 的興趣和重視 為了使更多的人能夠掌握p m p 的估算方法 原華水于1 9 7 5 年夏 舉辦了p m p 短期洲練班 并由詹道江教授翻澤了世界氣象組織1 9 7 3 年出版的 可 能最大降水估算手冊 1 9 7 5 年8 月我國淮河上游發(fā)生特大暴雨 導致板橋 石漫灘等大中型水庫 垮壩和京廣鐵路長時間中斷 給人民生命財產造成了巨大損失 為吸取淮河 7 5 8 大水的教訓 水電部在鄭州召開了規(guī)模龐大的全國防汛及水庫安全會議 會議要求編制全國可能最大暴雨等值線圖 阻作為估算各重要的中小型水庫保壩 洪水的主要依據 也為控制流域面積較小的大型水庫的防洪安全復校提供重要的 參考數據 鄭州會議后 一方面 由流域機構 部直屬設計院和各省市自治區(qū)自 已組織力量 對所轄范圍內的已建和在建重要水庫 進行全面的防洪安全復核 主 要是p m p p m f 分析討算 另 方面 由水電部和中央氣象局領導 組織全困水 利水電 氣象 科研矛u 教學部門的8 0 0 多名水義氣象科技人員 編制了 中國可 能擐大2 4 小時點雨量等值線圖 1 9 7 8 年 水利電力部頒布了 水利水電樞紐 工程等級劃分肢設計標準 山區(qū) 丘陵區(qū)部份 s d j l 27 8 試行 規(guī)定 失事 4 河海大學工程碩士學位論文 后對下游將造成較大災害的大型水庫 重要的中型水庫以及特別重要的小型水庫 的大壩 當采用土石壩時 應以可能最大洪水作為非常運用標準 1 9 7 9 年 水 利 電力兩部聯(lián)合頒布了 水利水電工程設計洪水計算規(guī)范s d j 2 2 7 9 試嗣 及 七個目錄 其中附錄四為 用水文氣象法計算可能最大暴雨 并對幾十座大中 型水庫采用 規(guī)范 所列的方法計算了p m p p g f 這個階段是中國水文氣象工作 發(fā)展史上重要的時期 參與人員之多 代表面之廣 成果之碩都是空前的 3 發(fā)展總結階段 2 0 世紀8 0 年代至今 為了進一步提高p m p 計算成果的精度 減少定量中的任意性 改進現(xiàn)行的計 算方法 1 9 8 3 年1 2 月 水電部水利水電規(guī)劃設計總院在成都主持召開了大中型 水利水電工程可能最大暴雨工作總結會 會議肯定了中國p m p 工作取得的成績 但也指出了由于受水文氣象科學技術水平和資料條件的限制 現(xiàn)行方法還存在一 些問題 這一階段p m p p m f 的研究又有了一些新成果 1 9 8 3 年 詹道江和鄒進 上教授著合著出版了 可能最大暴雨與洪水 1 對國內外p m p p m f 一些估算方 法和實踐經驗做了介紹 修訂了 水利水電工程設計洪水計算規(guī)范 為了便于 從事水文計算專業(yè)的工程技術人員理解新 規(guī)范 的規(guī)定和要求 又編寫了 水 利水電設計洪水計算手冊 1 9 9 9 年 黃河水利委員會王國安教授編寫出版 了 可能最大暴雨和洪水計算原理與方法 1 的專著 書中系統(tǒng)介紹了水文氣象 法的原理以及由水文氣象法估算p m p 的主要經驗 最新進展和存在的問題 1 9 8 5 年 林炳章等把美國漢森按p m p 的新定義推求p m p 的方法 時面深概化法 用于中 國海南島昌化江流域的大廣壩工程 于1 9 8 8 年編寫了 海南島昌化江大廣壩工 程p m p p m f 估算綜合報告 等 1 3p m p p i i f 在工程設計中的作用 2 0 0 0 年頒布的 水利水電工程等級劃分及洪水標準 是中國水利水電工程 目前選擇洪水標準的依據 規(guī)范按工程規(guī)模 效益和在國民經濟中的重要性劃分 工程等級 再根據各等級工程中不同建筑物的性質和重要性劃分水工建筑物的級 別 并規(guī)定各級別建筑物所應采用的洪水標準 我國目前采用的洪水標準有兩種表達方式 一種是以洪水的重現(xiàn)期 率 表示 的 這種洪水也稱為頻率洪水 是絕大多數工程防洪安全設計所采用的洪水 另 河海大學工程碩士學位論文 一種是可能最大洪水 其采用有嚴格的限制 只對水庫工程石壩的擋水和泄水建 筑物一旦失事將對下游造成特別重大災害時 作為一建筑物的非常運用洪水標 準 世界上平均每l o 年發(fā)生一起大壩失事事件 還有一些大壩瀕于破壞 發(fā) 生在我國的1 9 6 3 年8 月 海河流域特大暴雨洪水 導致劉家臺等中小型水庫垮 壩 j 9 7 5 年8 月淮河上游發(fā)生特大暴雨 導致板橋 石漫灘等大中型水庫垮壩 這些事故大多是起因于無法預見的大洪水 高壩水庫及江河海附近核電站的防洪 工程一旦失事 就會造成生命財產的巨大損失 對于這類失事后會造成嚴重災害 的工程 如何計算設計洪水 是一個嚴峻而必須認真研究的問題 可能最大降水 與可能最大洪水估算 就是針對這種需要高度安全而提出的洪水計算方法 可能 最大洪水是指合理地考慮水文與氣象條件的最嚴重遭遇而發(fā)生的洪水 因此當水 庫大壩采用土石壩時 應以可能最大洪水作為非常運用標準 江河海附近的核電 站 其防洪措旌需要特別安全 也必須以可能最大洪水作為防洪設計標準 美國內政部墾務局編的 小壩設計 中正式提出 凡垮壩后會造成生命損失 的工程 應以p m f 作為設計洪水 美國土木工程師學會水文委員會正式提出的美 國大壩分級標準及設計洪水標準中規(guī)定 不允許失事的極重要工程 壩高大于 1 8 m 庫容大于6 2 0 0 萬m 3 溢洪道設計洪水采用p m f 1 4 主要研究內容 結合清江水布埡水利樞紐工程的水文分析計算工作 在綜述國內外p m p p m f 估算方法研究進展的基礎上 對p m p 的主要計算方法 特別是近期國外用的較多 而國內使用較少的時面深概化方法在清江水布埡樞紐上的應用進行了研究 主要 開展了以下1 作 1 綜述國內外p m p p m f 估算方法研究進展 評價了估算方法的特點及適用條 件 2 對估算p m p 的主要方法 當地暴雨放大 暴雨移置 暴雨組合及時面深概 化法在清江水布埡工程l 的應用進行了研究 并對各種方法計算的成果進行了比 較分析 3 采用可能最人降水條什f 的產流計算方法計算 r 凈雨過程 利用p m p 凈雨 河海大學工程碩士學位論文 與實測典型暴雨的凈雨差值 單位線推算出流量差值 再求出p m f 過程 并對各 方法估算的p m p 推求的p m f 成果進行了比較 4 對估算得到的p m p p m f 成果 從多方面作了合理性分析 河海大學工程碩士學位論文 第二章p m p p l i i f 估算方法研究進展 2 1 p m p p l i f 分析估算原理 2 1 1 可能最大降水分析 1 可能最大降水 為了設計如大壩溢洪道這樣一些高風險的建筑物 需要采用具有很低超越風 險的降水值 理想情況是水文工作者希望能選用無超越風險的設計暴雨 理論上 尋求這樣一種暴雨先得確定是否真的存在暴雨的上限值 g i l m a n 得出的結論 是 無論從數學上或者物理上講 降水量是存在上限的 降水量上限在空問和時 間方面的考慮包含在可能最大降水的定義中 關于p m p 的定義 世界各國專家說 法不盡一致 具有代表性的說法有如下幾條 1 美國水文氣象學者h a n s e n 1 9 8 2 等人給出了p m p 定義 在一年的某個時 期內 特定地理位置 給定暴雨面積 物理上可能發(fā)生的給定歷時的理論最大降 水深度 2 刪o p m p 估算手冊 6 1 1 9 8 6 第二版的定義是 p m p 是在不考慮長期氣候 趨勢的條件下 一年的某一特定時期 特定位置 給定暴雨面積 在氣象上可能 發(fā)生的給定歷時的最大降水深度 3 我國 水利水電工程設計洪水計算手冊 1 9 9 5 中的定義是 設計流域 的可能最大暴雨足指在現(xiàn)代氣候條件下 在一年的某一時期 流域上一定歷時內 可能發(fā)生的最大降水量 總之 上述定義均表明 p m p 是近似的上限降水 且必須經由氣象成因分析 求得 2 估算可能最大降水的基本原理 可能最大降水的估算存美國是作為一種水文氣象法研究和發(fā)展起來的 決定 u 能最大降水的 i 象要素有三個 叮降水量 輻合程度 垂直運動 已有 一些氣象模型 來描述這三個分量 而另有研究表明 要為模型確定最大的面 輻合速率和垂直運動狀況是相當困難的 計算p m p 時包括兩個重要部分 實測暴 雨的水汽極大化和暴雨移置 水汽極大化的目的是使暴雨量增大以反映最大可能 河海大學工程碩士學位論文 的水汽效應 暴雨移置是要確定一次己發(fā)生在設計流域以外地區(qū)的暴雨能否被移 用來代表本流域的暴雨 暴雨移置基于這樣假定 對一已知的暴雨來說 存在著與其在氣象上一致的 地區(qū) 在該地區(qū)中同樣可能出現(xiàn)這樣的暴雨 移置步驟包括要被移置暴雨的氣象 分析 移置范圍的確定阱及由于位置的改變對暴雨作適當調整 氣象分析能鑒定 暴雨類型的一些關鍵性因素 移置范圍一般這樣來確定 即由長期的逐日天氣圖 上定出發(fā)生過氣象上相似暴雨類型的地區(qū)邊界 調整是針對暴雨位置上與移置地 點的水汽極值差異及暴雨位置與移置地點的地形差異而進行的 3 估算可能最大降水的方法 w a n g 5 1 根據所建工程的位置 獲取的資料情況和其它考慮概述了p m p 的所有 方法 其中除了統(tǒng)計分析外 幾乎所有方法都需要分析工程所在區(qū)域的氣象資料 w i e s n e r 等 總結了用于估算p m p 的主要方法 暴雨模型法 實際暴雨 的極大化和移置 使用從雷暴雨中概化的暴雨資料 包括暴雨面積 暴雨歷時 及最大雨深 使用根據降雨時面深關系推求的經驗公式 使用特殊地區(qū)概化 的變量問的經驗關系 極值降雨的統(tǒng)計分析 我國水文氣象工作者根據我國各地估算p m p 的工作經驗 總結出了我國估算 p m p 的主要方法 水利水電工程設計洪水計算規(guī)范s l4 4 9 3 當地暴雨法 暴雨移置法 暴雨組合法 暴雨時面深概化法 p m p 估算值的推導可以是為特定流域而作 也可以是為了制作較大區(qū)域的概 化圖 制作概化圖必須采用客觀的分析程序 在坐標網格上繪制p m p 的估算值圖 美國已制作出許多地區(qū)的類似概化圖 如各州的水文氣象報告 2 1 2 可能最大洪水分析 1 可能最大洪水 和p m p 一樣 目前世界上對p m f 也沒有統(tǒng)一的定義 世界氣象組織定義p m f 為 研究一個流域或地區(qū)的降雨 目的在于估算暴雨的物理上限 得到的估計值 稱為 可能最大暴雨 然后采用一定的方法換算為洪水就稱為 可能最大洪水 美國田納西河流域管理局定義 根據水文氣象情況的結果 預期在某一地點上可 能發(fā)生的最嚴重的洪水 假定p m p 危險地集中在流域上 而且一系列對特大暴雨 有代表性的有關水文和氣象因子同時發(fā)生 1 9 7 0 年美國國家天氣局出版的美國 河海大學工程碩士學位論文 水文氣象報告定義 p m f 是研究地區(qū)內由不利而又有可能出現(xiàn)的氣象和水文條件 的組合而產生的最嚴重的洪水 我國華東水利學院定義是 可能最大洪水是指現(xiàn)代氣候及地理條件下 設計 地區(qū) 或流域 可能發(fā)生的最大洪水 1 9 6 1 可能最大洪水是指恰當的 合理的 考慮氣象 水文及自然地理諸要素的組合可望發(fā)生的洪水 1 9 6 5 長辦水文局定 義為 可能最大洪水系指一定流域上可能出現(xiàn)的最大洪水 可能最大洪水一般多 從可能最大降水途經來推算 2 估算可能最大洪水的基本假定 由p m p 推求p m f 的基本假定是 p m f 是p m p 經產匯流計算后得到的洪水流量 過程線 這個假定和使用數理統(tǒng)計法由設計暴雨推求設計洪水時所作的基本假定 暴雨和洪水同頻率是一致的 事實上 暴雨和洪水不一定是同頻率的 但目 前世界各國都是這樣做的 同樣 由p m p 推得的洪水不一定就是p m f 因為在一 個特定的流域上面平均雨深最大 所形成的洪水不 定就是最大 特別是流域面 積較大 而流域內上中下游或左有岸產匯流條件相差較大時 更是如此 因為在 這種情況下 不同時 面 分布的暴雨 所形成的洪水就有較大的差別 3 估算可能最大洪水的基本原理和方法 由降水計算極值洪水或可能最大洪水的原理與一般的由設計暴雨推求設計 洪水的原理是一樣的 差別僅是采用的設計參數不同而已 極值設計暴雨的時程 分配一般比大概率暴雨更均勻 前期濕度假定更高 損失值假定等于或稍小于實 測洪水中的最小損失值 如果以可能最大洪水作為合理的極限值 除了短歷時暴 雨可以忽略損失外 零損失的假定則過于保守 我國由可能最大降水推求可能最大洪水的方法 般分為兩類 一類是產匯流 計算法 另一類是流域模型法 我國常用的產匯流計算方法有扣損法 暴雨徑流 相關法和徑流系數法 流域 l 流計算方法有 單位線法 單元匯流法 流量差值 匯流法 典型洪水放大修正法等 2 2 國內外p m p 估算方法綜述 2 2 1 腫估算方法 p i p 的估算方法最早始于美國 其它國家的估算方法與美國相似 只是在 1 0 河海大學工程碩士學位論文 些環(huán)節(jié)上的處理有所差異 目前 在p m p 估算方面是多種方法并存 這些方法大 致可概括為兩類 1 直接式 即針對設計流域特定工程的集水面積直接推求p m p 采甩方法主 要有 當地暴雨放大法 暴雨移置法 暴雨組合法 理論或物理模式法 以上四種方法在山區(qū) 平原均可運用 除最后一種方法一般只適用于面積在 4 0 0 0 k m 2 以下 歷時在2 4 小時以下外 其余三種方法基本上不受面積大小和歷時 長短的限制 2 間接式 即先求出暴雨面積上的p m p 然后則設法轉換為設計流域的p m p 采用方法主要是概化估算法 其適用范圍是 平原地區(qū)面積5 2 0 0 0 k r a 2 以下 山 區(qū)面積1 3 0 0 0 k m 2 以下 降雨歷時在6 小時 7 2 小時 此外 p m p 的估算方法還有統(tǒng)計估算法和經驗公式法等 2 2 2 當地暴雨放大法 1 概述 當地暴雨放大法的中心思想是以設計流域的實測暴雨為典型 選擇有關的影 響因子 合理地放大 典型暴雨必須是其量級 時空分布型式等對于指定的設計 工程來說 防洪威脅最大 選取典型暴雨時 不能拘泥于設計流域 必須與鄰近 流域的實測特大暴雨作比較 例如 般流域的實測資料都不足以找出嚴重的時 程分配型式 而歷史資料難于做出較準確的時程分配 所以必須參考鄰近流域的 特大暴雨資料 以選取對工程防洪最不利的暴雨分配型式 2 暴雨放大方法 放大典型暴雨應按暴雨特性 稀遇程度及流域特性等不同情況 選取放大方 法 暴雨放大方法一般有以下幾種 1 水汽放大 大氣中水汽是降水的根本條件 水汽含量越高 轉化為降水的 數量和可能性越大 若選取的典型暴雨屬于高效暴雨 即效率因子已達到足夠大 則可采用水汽放大 水汽放大的基本假定是水汽與效率相互獨立 對高效暴雨作 水汽調整不影響其效率 2 水汽效率放大法 同一水汽量 可降水 可以與各種不同的效率相組合 同 一效率也可以與不同水汽組合 而特大暴雨則是水汽與高效率相遇的結果 因此 設計流域或鄰近地區(qū)缺乏特大暴雨資料 而有較大的實測暴雨或特大歷史暴雨洪 河海大學工程碩士學位論文 水資料時 可采用水汽效率放大 水汽效率放大的假定是水汽與效率相互獨立 即放大水汽不改變其效率 放大效率也不改變其水汽 p m p 系由高效率與高水汽 同時遭遇形成 3 水汽風速聯(lián)合放大及水汽輸送率放大 水汽因子和動力因子聯(lián)合放大 空 氣動力因子是將可降水轉化為降水的催化劑 在形成p m p 過程中發(fā)揮著極為重要 的作用 從理論上講 當典型暴雨的可降水條件已經達到最大 只要再做動力因 子放大 即可求得可能最大降水 但在實際暴雨中 可降水已經達到最大的情況 非常少 因此做動力因子放大時 常與水汽因子放大聯(lián)合進行 動力因子有降水 效率和風速等可供選用 水汽風速聯(lián)合放大及水汽輸送率放大法只是在指標的選 取上有所不同 前者是對風速和水汽分別取可能最大值進行放大 后者是取風速 與水汽乘積的可能最大值進行放大 水汽風速聯(lián)合放大及水汽輸送率放大 對于入流指標v w 或風速v 與相應的 流域平均降水量p 有一定正相關關系 且暴雨期間入流風向和風速較為穩(wěn)定的流 域 可采用水汽風速聯(lián)合放大或水汽輸送率放大法 4 水汽凈輸送量放大法 5 是我國水文氣象工作者于2 0 世紀5 0 年代末提出 的 首先應用于三峽水利樞紐的p m p 估算 水汽凈輸送量放大法的假定是 在降 雨期l s 從流域周邊輸入的凈水汽量能準確地求得 然后再假定凝結率等于降水 率 得出降水量的計算公式 其基本思路是從整個流域邊界輸入和輸出水汽量之 差來考慮問題 具體方法是從多年資料中選取入流邊界某種歷時 要求 最大水汽 輸入和輸出量之差 來推算流域某種歷時的p m p 本方法適用于大面積 計算時 段長 天氣系統(tǒng)穩(wěn)定的降水 根據長委在長江流域應用的經驗 推求大面積的 造峰暴雨 采用水汽凈輸送量法最好 3 對當地暴雨放大法的評價 對放大方法的評價 水汽放大法簡便易行 己為國內外普遍采用 水汽放大法的實質是對實際暴 雨不做效率調整 美國一般只做水汽放大 水文氣象學家w i e s n e r 1 9 7 0 說明 其原因如下 降水理論還不足以完全估計暴雨效率及其能達到的最大值 嚴 重的大暴雨是由于高效率而非高水汽含量 即高效暴雨已經發(fā)生并包含在資料之 l 卜 觀測的大暴雨資料中的極端情況表明 大暴雨已經達到其最大效率 相 應f 同一地面露點 其雨量變化很人 說明暴雨中有些已經包括氣象因子的最有 效組合而達到最大效率 塒實際暴雨作水汽放大結果可能偏大 但可以通過對 1 河海大學工程碩七學位論文 效率稍作調整來修正 水汽效率聯(lián)合放大法中的降水效率是根據流域平均雨量來計算的 因而它是 唯一能問接反映整個設計流域內空氣輻合上升運動情況的指標 效率是根據地面 觀測雨量和露點資料計算的 且地面觀測站較多 系列較長 精度高 因此 效 率放大法是最容易計算且精度較高的一種方法 水汽凈輸送法的優(yōu)點是物理概念明確 方法原理簡單 但要想準確地求得水 汽凈輸送量 必須有充分的高空氣象觀測資料 而在資料稀疏 觀測次數少的情 況下 要求降水系統(tǒng)的流場和濕度場在平面上的變化是均勻的 在時間上的變化 也是均勻的 所以 水汽凈輸送法目前僅適用于大面積 長歷時 穩(wěn)定性的降水 系統(tǒng) 實踐證明在長江流域和西南地區(qū)應用比較成功 2 2 3 暴雨移置法 1 概述 p m p 是近似于上限的暴雨 對于任意一個特定流域來說 其暴雨觀測資料越 長 其中的極值應越接近于暴雨的物理上限 當設計流域缺少足夠的時空分布較 惡劣的特大暴雨資料 而氣象 致區(qū)內具有可供移置的實測特大暴雨資料時 可 以采用暴雨移置法推求設計流域的p m p 暴雨移置的實質 從資料樣本的角度看 就是用空間代替時間 由于特大暴雨發(fā)生地區(qū)和設計流域在自然地理氣候條件上 的差異 在進行暴雨移置時 大多需要做必要的改正 2 移置可行性分析 暴雨移置法的關鍵是移置可行性分析 分析方法有 氣象一致區(qū)的劃分 針對具體暴雨劃定移置界線 針對設計流域作具體分析 3 暴雨移置范圍 w m o 認為 6 8 1 若一個地區(qū)面積達幾十萬平方公里 雨量站網比較稠密 資 料系列達4 0 年以上 則可以根據氣象資料 氣候特征和下墊面條件明確劃定移 置范圍 若一個地區(qū)雨量站網比較稀疏 資料系列不長 暴雨移置范圍不便明確 劃定 此時暴雨移置范圍可適當放寬 在熱帶地區(qū) 海域寬廣 實測雨量資料更 為稀少 移置范圍更可放寬 4 暴雨移置改正 設計流域和移置區(qū)兩地由于區(qū)域形狀 地理位置 地形等條件差異而造成降 河海大學工程碩士學位論文 雨量不同 因此 暴雨移置時需作移置改je 即流域形狀改正 地理改正和地形 改正 其中 地理改正只考慮水汽改正 即因地理位置上差異而造成水汽條件不 同所作的改正 地形改正包括水汽改正和動力改正兩個方面 地形差異不足以 引起暴雨機制的較大變化 則可以不考慮動力改正 只考慮水汽改正 平原 淺 山區(qū)常用的方法 水汽改正有障礙改正和高程改正兩種 前者是指移置前后水 汽入流方向障礙高程差異而使入流水汽增減的改正 后者是指移置前后兩地區(qū)地 面高程不同而使水汽增減的改正 兩種改正只能取其一種 流域入流邊界的高程 若接近流域平均高程 則采用高程改正 若高于流域平均高程 則用障礙改正 流域形狀改正是任何暴雨移置必須進行的改正 2 2 4 暴雨組合法 在研究大型水電站水庫調度 特別是梯級水庫調度時 往往需要提供較長歷 時的暴雨洪水 即連續(xù)天氣過程造成的洪水 此時可以將兩場或兩場以上的暴雨 按天氣氣候學原理 合理地組合在一起 構成一個新的暴雨序列 以之作為典型 暴雨來推求p m p 這種方法稱為暴雨組合法 組合方式一般是從時間上進行組合 必要時也可以從空間上進行組合 或從 時問和空f 司上均進行組合 1 時問組合 暴雨時間組合就是將兩場或兩場以上暴雨的雨量過程 合理地銜接起來 銜 接時注意保持一個合理的時距 以便使前一天氣過程能演變?yōu)楹笠贿^程 所用組 合單元 均是本流域實測的 時間組合又分為兩種 相似過程替換法 以設 計流域實測特大暴雨過程為基礎 將典型暴雨中雨量較小的一次或數次降雨過 程 用歷史上環(huán)流形勢基本相似 天氣系統(tǒng)大致相同而降雨量較大的另一場或數 場暴雨過程予以替換 從而構成一新的暴雨序列 演變趨勢分析法 是從天氣 形勢的發(fā)展趨勢上來進行組合 即以實測資料中降水量最大的一個或數個天氣過 程作為組合基點 然后從該基點出發(fā) 按天氣過程演變趨勢的統(tǒng)計規(guī)律向前進行 組合 以構成一較長歷時的新暴雨序列 2 空間組合 空間組合一般是將發(fā)生在設計流域及其附近的暴雨移置到流域中的一個或 多個危險位置 以使流域產生最大洪水 換言之 空間組合就是將暴雨單元在空 河海大學工程碩士學位論文 間上重新排位 來加強造洪效果 當設計流域面積較大 流域上 下游分屬兩個 暴雨區(qū)或一為暴雨區(qū) 另一為非暴雨區(qū)時 需要考慮空間組合 3 組合暴雨極大化 暴雨組合本身不僅延長了實際典型暴雨的降雨歷時 同時也增加了典型的降 雨總量 在某種意義上說 已經是一種放大了 故在作氣象因子極大化時應慎重 組合暴雨序列是否需要極大化 主要取決于典型暴雨本身的嚴重性和組合結果的 惡劣程度 組合暴雨極大化方法與當地暴雨放大方法相同 具體采用何種方法則 視流域情況和資料條件而定 2 2 5 概化估算法 1 概述 將暴雨放大 移置 外包來估算p m p 的一套方法 這種方法的基本思路是 把p m p 的估算分為非山岳地區(qū)和山岳地區(qū)分別進行 非山岳地區(qū)的降水假定是由 天氣系統(tǒng)過境而產生的 山岳地區(qū)的降水假定是由天氣系統(tǒng)過境和地形影響共同 產生 由天氣系統(tǒng)引起的降水簡稱輻合雨 或輻合分量 由地形引起的降水簡稱 地形雨 或地形分量 概化研究主要針對輻合雨而言 這種方法可用于特定流域 也可用于包括許 多大大小小不同流域的大區(qū)域 后一種情況被稱為概化或區(qū)域估算 概化內容包 含時面深關系的概化和p m p 時空分布的概化 概化估算法所得成果有 p m p 的雨深 一種是p m p 的時面深 一種是不同 歷時 不同面積的p m p 等值線圖 p m p 的時程分布 概化為單峰型 p m p 的 空間分布 概化為一組同心相似的橢圓形圖形 對山岳地區(qū)還有若干相關圖或 某些反映地形影響的參數的等值線圖 以便將輻合分量轉化為山岳地區(qū)的p m p 概化估算法目前為美國 澳大利亞 印度及一些中低緯度國家廣泛利用 也 是w m o p m p 估算手冊 中的主要方法 1 9 7 3 年出版手冊中是按p m p 的老定義 即 特定流域 的p m p 進行的 1 9 8 6 年版是按p m p 的新定義 即 給定暴雨面積 的p m p 進行的 美國將暴雨劃分為一般暴雨和局部暴雨 分別進行了概化研究 澳大利亞又將一般暴雨分為熱帶和溫帶天氣系統(tǒng) 分別作概化研究 我國則在將 溫帶天氣系統(tǒng)再作分類的基礎上進行概化研究 但此類研究比較少 我國一般稱 這種方法為時面深概化法 河海大學工程碩士學位論文 2 概化估算法計算步驟 時面深概化法推求p m p 包括四個步驟 將實測大暴雨 l j n 以極大化 一般只 進行水汽放大 將極大化后的暴雨移置到設計地區(qū) 將這些極大化了的并 可移入設計地區(qū)的大暴雨時面深關系加以外包 作為各暴雨面上的可能最大暴雨 量 將暴雨面上的可能最大暴雨量應用于設計流域 求得流域面上的可能最大 暴雨 這套方法在美國適用于平原區(qū)5 2 0 0 0 k m 2 以下 山區(qū)1 3 0 0 0k m 2 阻下面積 6 小時 7 2 小時的可能最大暴雨估算 將暴雨面上的p m p 轉化為設計流域面積上的p m p 時