水利水電工程設計的洪水計算方法分析

【摘 要】山洪災害是山丘區(qū)由于降雨引發(fā)的山洪、泥石流、滑坡等對人民生命、財產造成損失的災害。暴雨山洪來勢猛、成災快，且山丘區(qū)暴雨的發(fā)生常具突發(fā)性，因山高坡陡，洪水匯流快，流速大，加之人口和財產分布在有限的低洼平地上，往往在洪水過境的短時間內即可造成人員傷亡和財產損失。本文介紹了水利水電工程設計的洪水計算之前所需要的準備工作，并且具體闡述了水利水電工程設計的洪水計算方法。

【關鍵詞】水利水電工程；洪水計算；工程設計；分析

一、計算之前的準備

1. 資料搜集與復核

在對水利水電工程設計的洪水進行計算之前，需要對整個工程的資料進行整理，找出計算所需要的河道特征、地區(qū)降水情況和地質現狀、地區(qū)其他水利設施等等資料，對這些資料進行整理與復核，對于一些特殊的情況往往還需要進行現場勘察，從而取得最準確的資料。如果在復核過程中發(fā)現問題，應當及時改正。復核的重點包括以下內容：一是水位資料，包括水基準面的變動情況和換算關系，對于水尺位置、大洪水時期的資料、水尺零點高程變動位移等重點復核；二是流量資料，復核的內容包括水面流速系數、浮標系數、計算斷面選擇的合理性和水流量關系曲線的可靠性。

2. 洪水資料差補延長

對于需要計算的洪水，在整理資料的過程中發(fā)現中間有點年份沒有測量，就需要采取一定的措施對資料進行差補延長，其具體內容包括：若水利水電工程的上下游或者附近流域的監(jiān)測站具有詳細的資料，可以參照這些資料進行補充；若在不同的時期，洪峰與洪量的關系較好，也可以互相差補；若整個流域洪水與暴雨具有較好的關系，也可以根據暴雨的資料對洪水資料進行插補。插補資料需要經過嚴格的分析論證，確定其合理性之后才能使用。

二、水利水電工程設計的洪水計算方法

1. 洪水系列

在頻率的計算中使用的洪量系列和洪峰流量應當取全年中的最大值。如果洪水的特性受到季節(jié)或者氣候的影響較大，可以采用統(tǒng)計學的方法找出一個合理的值。對于洪水系列的分析，可以采用可靠性分析、代表性分析與一致性分析的綜合方法。

2. 洪水災害危險區(qū)、安全區(qū)的劃分

（1） 危險區(qū)：①已有明顯變形和裂縫，可能產生山體崩塌、滑坡等災害的區(qū)域。②含有軟弱夾層的順向坡，坡度大于巖層傾角，且?guī)r層傾角大于30度的陡坡，可能產生滑坡影響的區(qū)域。③處于歷史洪水線及各河10年一遇洪水淹沒線以下河谷、溝口、河灘、易損堤段范圍以及陡坡下、低洼處、不穩(wěn)定山體下的村莊、居民點所在區(qū)域。

（2）對難以通過頻率計算山洪的無資料或資料短缺地區(qū)：將常遇山洪威脅范圍劃為危險區(qū)。

（3） 安全區(qū)：對處于歷史最高洪水線以上、各溪河百年一遇洪水線以上能避開山洪、泥石流、滑坡威脅，地質結構比較穩(wěn)定的區(qū)域。

3..洪水的洪峰流量計算

（1） 各河流百年一遇和十年一遇頻率設計洪峰流量計算

由暴雨資料推求設計洪水公式推求設計洪峰流量，采用公式：

1）短歷時設計暴雨推算法：

使用《遼寧省水文手冊》中根據短歷時設計暴雨推算（簡稱“推算法”），其方法見《遼寧省水文手冊》第7—8頁。其中所用暴雨參數使用現在計算值。

設計洪峰流量按如下公式計算：

式中：――不同頻率的洪峰流量（m3/s）

――年最大24小時暴雨不同頻率的模比系數，由水文手冊圖十查出CV，CS=3.5CV，由附錄（一）（4）表根據相應CV值查得

――不同頻率的洪峰徑流系數，由水文手冊表四根據所在水文分區(qū)查得

――不因頻率而變的常數流量（m3/s），等于、、三者之乘積

――從水文手冊表五根據所屬水文分區(qū)由查得

――短歷時暴雨指數

――流域匯流歷時（小時）

――年最大24小時暴雨均值（mm），由水文手冊圖九查讀

――集水面積（km2）

X、Y――地區(qū)參數，可由水文手冊圖十一查得

2）水文比擬法：

對以上計算方法采用水文比擬法驗證如下：

根據水文比擬法和現有的各水文站的實測資料，算出各山洪溝（河流）的設計洪峰流量值。

比擬公式： （4-2）

式中：Q設——設計站洪峰流量，m3/s；

Q參——參證站洪峰流量，m3/s；

F設——設計站流域面積，km2；

F參——參證站流域面積，km2；

n ——經驗性指數，對于洪量可取n=1，對于洪峰，應根據本河流或鄰近河流上、下游站的實測資料或調查洪水資料按上式反求，一般河流n值為0.5～0.7，較小河流的n值可大于0.7。

根據地理位置、氣候條件及區(qū)內流域情況，采用的參證站為龍頭山水文站，通過對龍頭山水文站基本資料的調查：

F參=3587km2，Q參10=350m3/s，Q參100=800m3/s n值取0.7。

4. 設計值的確定（1）如果設計地區(qū)的資料出現短缺，可以使用鄰近地區(qū)的資料，綜合分析以后選定出適合設計流域的數值。（2）如果水利水電工程的設計標準不高，例如在最近很多年洪水與暴雨都很少出現，但是在歷史資料中具有明確記載的洪水、暴雨資料，需要對歷史資料進行調整，將調整后的數值作為工程的設計洪水。5. 設計洪水水面線根據對各條河流的實地勘察，利用曼寧公式、伯努里方程和歷史調查方法計算10年一遇和100年一遇設計洪水水位，在1：10000地形圖上繪制洪水水面線，做出洪水洪災害風險圖。

曼寧公式：

式中：Q——設計洪峰流量，m3/s；

n——河床糙率；

A——過水斷面面積，m2；

R——水力半徑，m；

I——水面比降。

各河流設計流量已知，河床比降約等于水面比降，河床糙率n值查閱各年水文統(tǒng)計年鑒、洪水調查資料確定和水力計算手冊。采用試算法計算得出各河流的設計洪水過水斷面面積的水力半徑，從而得出各河流設計洪水出口水面高程。

天然河道的水流一般是非恒定非均勻流，由于河道中各種水力要素隨時間的變化非常緩慢，可以認為天然河道在一定時間內是恒定非均勻流，水面曲線的計算，是對河道相鄰兩斷面列出伯努里方程，從已知斷面水位，依次求解此方程，得出未知斷面的水位，這些斷面的水位的連線，就是河道的水面曲線。

根據伯努里方程：

式中：Z1、V1——斷面1的水位和流速；

Z2、V2——斷面2的水位和流速；

hW =hy+ hj ——斷面1到斷面2之間的水頭損失；

=×ΔL——沿程水頭損失；

=/（）——沿程摩阻坡度；

，，——斷面1和斷面2的平均流速、平均流速系數、平均水力半徑；

ΔL——兩斷面間的距離；

hj =-ξ（V12/2g-V22/2g）——局部水頭損失；

ξ——河段的局部阻力系數，

在順直河段及收縮河段ξ=0，

逐步擴散河段ξ=（0.3～0.5），

設有Z，使得K=0，則此Z即為方程的解，用二分法求解，可得Z2。依次可求得河流各斷面的設計洪水水位。

連接各條河流設計洪水時各斷面的水位，就得到設計洪水水面線，從而確定出各流域的危險區(qū)和安全區(qū)。

6. 入庫設計洪水

對于典型的入庫洪水，分析計算方法包括以下幾種：

（1）流量疊加法。這種方法適用于當在水庫周邊附近有水文站，其控制面積占壩址以上面積的比重較大、資料較完整可靠時，可以分別計算粉干直流、庫面分區(qū)和區(qū)間陸面的入庫洪水，最后疊加成入庫洪水。

（2）流量反演法。如果支流洪水在整個入庫區(qū)域占據的比重很小，可以直接使用馬斯京干法或槽蓄曲線法推算入庫洪水。

（3）水量平衡法。對于已建水庫，可根據水庫下泄流量及水庫蓄水量的變化反推入庫洪水。

另外，根據資料條件及工程設計需要，可采用下列方法計算集中的或分區(qū)的入庫設計洪水：當有較長的入庫洪水系列時，可采用頻率分析法計算入庫設計洪水；當入庫洪水系列較短，不能采用頻率分析法時，可采用壩址設計洪水的放大倍比放大典型入庫洪水作為入庫設計洪水；當匯入庫區(qū)的支流洪水所占比重較小時，可將壩址設計洪水采用流量反演法推求入庫設計洪水。

7. 暴雨資料推算法

有時候還需要根據當地暴雨的資料對你洪水量進行計算，其計算方法有兩種：如果當地降水量較多并且暴雨出現比較頻繁，可以通過對暴雨頻率進行分析。

從而得出結果；如果水利水電工程所在的區(qū)域暴雨很少出現，就可以使用相應歷時的設計點暴雨量和暴雨點面關系間接計算；如果該地區(qū)幾乎不會出現暴雨，可用設計點暴雨量作為流域設計面平均暴雨量。

三、結束語

水利水電工程設計的洪水計算對于工程的規(guī)模、投資的合理性和工程建筑的安全性都有很大的影響，是水利水電工程建設中的重要內容。在計算過程中，必須根據當地的實際情況，選擇正確的方法和數據，從而保證計算結果的準確性，為水利水電工程提供依據。

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