工程水文及水资源第六章电子教案.docx

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工程水文及水资源第六章电子教案

“工程水文及水资源”

第六章电子教案

山东水利职业学院

授课时间年月日第周星期第节

课题

§6设计洪水概述

§6.1洪水资料的选样和审查

§6.2加入特大洪水值的作用

§6.3洪峰流量经验频率计算

学时

2

教学目的

1、掌握防洪标准概念、设计洪水的作用、思路

2、掌握洪水资料的选样

3、理解特大洪水值的作用，加入特大值后频率计算的特点

4、能进行洪峰流量的经验频率计算

教学重点

和难点

重点：

防洪标准概念、洪水资料的选样；加入特大值后经验频率计算。

难点：

防洪标准概念、洪水资料的选样；加入特大值后经验频率计算。

课型

单一课

教学方法

对比、启发、讲授

教具

教

学

过

程

一、教学思路

1、从洪水径流的两重性入手讲授洪水径流与两种类型的防洪措施，进而讲授建筑物的洪水设计标准和选定。

2、从对洪水资料审查与年径流资料审查的异同、两者选样的异同的对比入手讲授洪水资料的审查和选样。

3、从洪水资料的插补延长以及设计洪水标准高入手讲授历时特大洪水的调查、考证、作用和排位分析。

4、从洪水资料本身的特点出发提出频率计算的特殊性，从连序系列与不连序系列的异同讲授历时洪水加入系列后洪水资料经验频率计算的方法。

二、教学内容具体设计

（一）设计洪水问题的提出

1、学生回答（复习）设计年径流解决的问题，设计年径流与水利水电工程的关系。

通过总结学生的回答引入到设计洪水的问题中来。

2、设计洪水解决的问题，设计洪水与水利水电工程的关系。

解决一个地区或流域的防洪问题，需要作全流域的防洪规划，包括选定各种工程或非工程措施的布设方案以及每项防洪工程的规模尺寸，为此，在规划设计和运用管理这些措施时就会遇到一些水文问题。

设计洪水计算是通过对暴雨、洪水等资料的分析，寻求它们的规律，从而对未来长时期内的洪水情势作出切实可靠的预估，推求出在设计地点将来可能出现的符合设计标准的洪水，为水利水电部门以及其他如铁路、公路、桥涵、港口、城市等防洪措施的规划设计提供必要的水文依据。

3、防洪规划措施的两类课题

一类是推算工程（以水库为例，）建成后，在下游防洪区将来可能出现的洪水情况，用来研究分析本工程对防洪区的作用。

另一类防洪计算是预估工程所在地点可能出现的洪水情况，用来核算工程本身的安全情况，分析建筑物工作状况和工作条件。

4、防洪标准概念

工程的防洪标准用工程的破坏率表示。

破坏率是指工程建成后很长时期内平

教

学

过

程

均的遭受破坏的可能性，即遭受破坏的概率。

5、设计标准的选定

地区防洪标准的选定，是依据防护对象的重要性分级规定设计标准的。

水利水电枢纽工程等级划分及设计标准，是针对工程建筑物本身防洪安全设计工作而制定的，其设计标准取决于建筑物的等级。

（二）洪水资料的审查分析

与年径流资料审查分析的异同。

这里重点说明洪水资料审查的概念，不强调其审查的方法。

（三）洪水资料的选样

1、问题提出（2min）

从现行的由流量资料设计洪水的“三部曲”来看，洪水资料的选样工作是其突出的一个问题。

2、洪峰流量的选样

洪峰流量的选样，根据不同的工程设计要求，采用不同的选样方法。

如年最大值法、年多次法等。

3、时段洪量的选样

采用固定时段独立选取年最大值法选样（见课件Flash）。

（四）历时特大洪水的调查和考证

1、历史特大洪水调查的意义

洪水峰量频率计算成果的可靠程度是与所用资料的代表性密切相关的，而资料的代表性又往往受资料系列长度的制约。

我国目前大多数站的流量资料一般都不长，约50年左右。

根据这样短的系列推求百年一遇以上的稀遇洪水，难免会有很大的误差，而且成果也往往不稳定。

显然，解决这一问题需从多方面努力，其中通过历史洪水的调查，获得历史上一些大洪水、特大洪水的信息，加入样本，是非常有效的措施。

2、历时特大洪水在调查考证期中的排位分析

在历史洪水的洪峰、洪量定量以后，要对历史洪水在某一时期内的排位加以分析，即确定它们的排位期N和排位序号M，以计算它们的经验频率。

历史洪水（包括实测在内）排位的一般原则：

在肯定确无遗漏大洪水的前提下，选一个最长系列N，由此确定大洪水的排位；如不能确定。

只能选一个较短系列由此分析大洪水的排位。

具体方法如下：

1）如在N年调查考证期中为首的几项历史洪水（包括实测期在内）确已查明，无一遗漏，它们就可在N年中统一排位，排位期就为N年，如因为年代久远，可能遗漏一些历史洪水，则不能统一在N年中排位，应根据调查情况分别确定几个排位期，将它们放在不同的排位期中排位。

2）如历史洪水发生年份距今较近，用上述发确定的排位期往往偏小，此时应尽量通过调查、考证历史文献以及邻近地区、流域进行对比等方法，再向前追溯。

3）如在N年调查考证期中，有一近年发生的大洪水与其他（a—1）个历史洪水在数值上不分上下，可统一在N年中排位，实测大洪水的排位序号可在1~a的范围内取平均值。

（五）历史特大洪水加入系列后峰量的经验频率计算

1、连序系列和不连序系列的概念

注意与时间连续概念的不同。

2、分别处理法

教

学

过

程

重点是其指导思想和具体应用。

3、统一处理法

对n项实测一般洪水中第m项的经验频率的计算为：

式中m=1，2，……，n。

若实测系列中有

项作为特大值处理，则为：

式中m=

+1，

+2，……，n。

对于a项特大洪水，仍采用期望公式

上述这些式子仅说明概念，重点是应用。

（六）经验频率计算举例

1、已知条件分析；2、要求解的问题；3、解算办法。

重点是学生回答。

（七）小结

在由流量资料设计洪水时，洪峰和时段洪量有多个，如何组成洪水资料成了首要问题。

历时特大洪水资料的运用则带来了对其排位的分析和经验频率计算的新问题。

并顺势加以总括。

（八）布置作业

布置作业

6-1特大洪水排位及经验频率的计算

补充教学内容

教学

总结

授课时间年月日第周星期第节

课题

§6设计洪水概述

§6.4统计参数的计算

§6.5洪水频率计算的运用

§6.6成果合理性分析

§6.7安全保证值问题

§6.8典型洪水选择、同倍比法

学时

2

教学目的

1、理解统计参数计算的目的、方法

2、熟练掌握洪水频率计算的过程并能熟练运用

3、熟悉成果合理性分析的目的和一般方法

4、了解安全保证值问题

5、掌握设计洪水过程线的同倍比法

教学重点

和难点

重点：

洪水频率计算的过程和运用、设计洪水过程线的同倍比法

难点：

矩法统计参数计算公式的理解、成果合理性分析方法

课型

单一课

教学方法

对比、启发、讲授

教具

教

学

过

程

一、教学思路

1、从对连序系列矩法计算公式入手，直接给出不连序系列的矩法计算公式，并对两者进行比较。

2、通过对例题的分析讲授洪水频率计算的过程和其中的技巧、特点以及与前面频率计算的异同。

3、联系设计年径流成果合理性分析的方法，讲授洪水成果合理性分析并比较。

4、从设计洪水成果与水利水电工程投资、防洪效益和安全方面入手说明安全保证值问题意义和解决思路。

5、通过联系设计年径流的年内分配讲授设计洪水过程线的同倍比法。

二、教学内容具体设计

（一）内容复习、导入新课

对不连序系列的经验频率计算问题是如何解决的？

让学生回答。

那么“千年一遇”的设计值又如何得到？

引入理论频率曲线的概念，进而提出理论频率曲线统计参数如何解决，从而引入新课。

（二）统计参数计算

式中

—特大洪水的洪峰流量或时段洪量，m3/s或m3，j=1，2，……，a；

—实测一般洪水的洪峰流量或时段洪量，m3/s或m3，i=L+1，

教

学

过

程

L+2，……，n；

a—特大洪水的个数，包括实测期中的L个。

用矩法公式计算的

值抽样误差很大，一般不直接计算，同样初步假定它与

的倍比，最后通过适线确定。

（三）推求设计洪峰、洪量

1、已知资料条件分析

2、目的分析（通过对已知资料条件分析，由学生总结要达到的目的）

3、经验频率计算：

重点是思路，具体计算由学生课后完成。

4、理论频率曲线绘制和设计成果取得：

重点是思路，具体计算由学生课后完成。

（四）设计成果的合理性分析

1、本站的洪峰流量及各种历史洪量之间对比

2、从上下游及干支流洪水关系上进行合理性分析

3、从邻近河流洪水统计参数及设计值的地区分布规律进行合理性分析

4、稀遇的设计特征值与国内外大洪水记录对比

5、与暴雨频率计算的成果比较

重点是思路，培养学生的思维能力。

（五）安全保证值问题

洪水分析和设计洪水计算成果直接关系到工程投资、防洪效益和水库安全。

显然，如果设计洪水偏大，就要造成投资的浪费，而如果偏小，则又不够安全。

根据现有有限长度的资料推算出的设计洪水总是带有误差的。

因此，在生产实践中还视情况考虑给设计值再加上一个安全保证值（也称安全修正值），以确保工程的安全。

对安全保证值的计算不做过多要求，举实例说明。

（六）设计洪水过程线的同倍比法

1、典型洪水过程线的选择

典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水资料选择典型时，资料要可靠，同时考虑下列条件：

（1）选择峰高量大的洪水过程线，其洪水特性接近于设计条件条件下稀遇洪水情况。

（2）要求洪水过程线具有一定的代表性，即它的发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。

（3）从水库防洪安全着眼，选择对工程防洪运用较为不利的大洪水典型，如峰型比较集中，主峰靠后的洪水过程。

一般按上述条件初步选取几个典型，分别放大，并经调洪计算，取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型。

2、同倍比放大法

即用同一放大系数放大典型洪水过程线的流量坐标，使放大后的洪峰流量或控制时段的洪量恰好满足指定的频率。

由此条件可得出放大系数k的计算公式如下：

教

学

过

程

k——放大系数；

——设计洪峰流量，m3/s；

——典型洪水的洪峰流量，m3/s；

——

时段的设计洪量，m3；

——

时段典型洪水过程的洪量，m3。

（七）小结

让学生回答与设计年径流的同倍比法的异同，然后总结。

（八）布置作业

布置作业

6-2设计洪峰、洪量的频率计算

补充教学内容

教学

总结

授课时间年月日第周星期第节

课题

§6设计洪水概述

§6.8同频率法

§6.9设计洪水的其他问题

章结

学时

2

教学目的

1、掌握设计洪水的同频率计算法

2、了解设计洪水的其他问题

3、能够把本章知识联系在一起形成整体概念，实现设计洪水的计算

教学重点

和难点

重点：

设计洪水的同频率计算法、章结

难点：

设计洪水的其他问题、知识之间的联系

课型

单一课

教学方法

对比、启发、举例、讲授

教具

教

学

过

程

一、教学思路

1、从对同倍比法的进一步分析说明该方法的弱点，进而引出要讲授的内容。

2、从同频率法的思想入手让学生试着回答解决问题的思路以便仿设计年径流的年内分配计算的方法给出这里的计算公式。

3、从对入库洪水问题的提出引出入库洪水的概念和研究入库洪水的目的。

4、从水利水电工程施工的历时长短和洪水的特性出发说明分期设计洪水的概念。

5、从本课的作用出发重点总结工程水文的计算分析方法、设计年径流计算和设计洪水计算

二、教学内容具体设计

（一）内容复习、导入新课

让学生描述同倍比法。

根据学生的回答顺势说明这种方法的缺点，进而引入到同频率方法。

（二）设计洪水的同频率方法

——分别为T1、T2、T3时段时段的设计洪量（T3>T2>T1），m3；

教

学

过

程

——分别为典型洪水过程中最大的T1、T2、T3时段的洪量，m3。

典型洪水的洪峰流量用

放大；典型洪水过程中最大的T1时段洪量范围内各时刻的流量用K1去乘；在T2时段内，除去T1时段部分所余下的各时刻流量，用K2-1去相乘；在T3时段内，除去T2时段部分所余下的各时刻流量，用K3-2去相乘。

以此类推，就得到一次完整的洪水过程。

这种放大方法体现了“长包短”的特点，可保证所求设计洪水过程的洪量比较集中，但因各个时段所用的放大倍比系数不同，放大后的过程线在各个时段交接处出现不连续的突变现象。

处理的方法是徒手修匀，修匀后应保持各时段的洪量及洪峰流量仍然符合设计值。

（三）例题

某水库设计标准P=1%的洪峰和1天、3天、7天洪量，以及典型洪水过程线的洪峰和1天、3天、7天洪量（见表6-9）。

要求用分时段同频率放大法，推求P=1%的设计洪水过程线。

表6-1某水库洪峰、洪量统计表

项目

洪峰流量（m3/s）

洪量W[（m3/s）h]

1天

3天

7天

P=1%的设计洪峰、洪量

2610

1525

2875

3870

典型洪水过程线的洪峰、洪量

1810

1085

1895

2565

解

1、已知条件分析

2、题目要求

3、设计洪水过程线计算

首先，计算洪峰和各时段洪量的放大倍比，

1.44，K1=1.40，K3-1=1.67，K7-3=1.49；其次，将典型洪水过程线的洪峰和不同时段的洪量乘以相应的放大倍比值，得放大的设计洪水过程线。

由于各时段放大倍比值不同，时段分界处出现不连续现象，可用手修匀，即得所求的设计洪水过程线。

Flash动画演示见课件。

（四）设计洪水的其他问题

1、入库设计洪水简介

入库洪水是指水库建成后，集水面积上向水库周边汇集并注入水库汇向大坝的洪水过程。

建库后，库区的产流、汇流及水力特性均发生了很大变化，与坝址洪水相比，入库洪水的洪峰增大，洪水总量有所增加，峰现时间提前，一次洪水过程的总历时缩短，洪水过程线较尖瘦。

2、分期设计洪水简介

分期设计洪水是指年内不同季节或时期（丰水期、平水期、枯水期或其它指定时段）的设计洪水。

分期设计洪水广泛地运用于工程施工阶段，因水利枢纽工程施工期较长，不同施工阶段抵御洪水的能力不同，故常需要推求施工期的设计洪水以作为研究施工阶段围堰、导流等临时工程方案以及制定施工进度计划的依据。

教

学

过

程

（五）章结

设计洪水是一场特定的洪水，据此求得的工程建筑物可达到规定的防洪设计标准。

设计洪水包括设计洪峰流量、设计洪水总量和设计洪水过程线。

由流量资料推求设计洪水，现行的计算方法主要分为峰、量频率计算和按典型洪水过程放大，推求设计洪水过程线两大部分。

进行峰、量频率计算，对洪水资料的可靠性审查、一致性和代表性分析，插补展延系列和历史洪水的加入，是提高计算精度减少抽样误差的重要环节；年最大洪峰、洪量的分布线型，由于理论线型难以解决，目前无论哪一种线型，实际上都是一种外延的工具；参数估算，目前规范规定采用目估适线方法，因此其他方法如矩法、三点法等计算的结果都是初估值，最后设计值由目估适线确定；历史特大洪水的引用和处理是洪水频率计算的重点环节。

对历史特大洪水的数值和重现期都要仔细慎重论证，不应片面追求大、远、多，而忽略了对资料可靠性的分析考证；计算成果合理性分析是一项重要工作，其实质是应用本系列以外的信息，综合分析论证及修正计算成果，由于利用的信息多了，成果的可靠性也有所提高了。

（六）布置作业

布置作业

6-3设计洪水过程线计算

补充教学内容

教学

总结

授课时间年月日第周星期第节

课题

阶段总结及综合训练

学时

2

教学目的

1、使学生对前面所学内容进行再思考，以便产生新的认识

2、进一步巩固所学知识

3、加强知识的综合运用，培养学生动手能力

教学重点

和难点

重点：

知识总结、比较、师生互动、学生练习

难点：

知识之间的联系和比较

课型

单一课

教学方法

对比、启发、举例、练习

教具

教

学

过

程

一、教学内容具体设计

（一）水资源开发利用的工程措施

1、工程规模确定的依据

2、分析水文条件

3、水文循环是水资源的根本来源

（二）工程水文的研究方法

1、成因分析法

如：

流域水量平衡，进而让学生回答。

2、水文统计分析法

如：

水文资料的频率计算，让学生回答。

（三）设计年径流量与设计洪峰流量、时段洪量的异同

让学生回答，然后总结。

（四）设计年径流量的年内分配计算与设计洪水过程线的异同

让学生回答，然后总结。

（五）设计年径流量与设计洪峰流量（时段洪量）成果的合理性分析异同

让学生回答，然后总结。

（六）拟定水库本身设计洪水过程线的两种现行方法

同倍比、同频率的基本假定与设计年径流年内分配的两种现行方法（同倍比、同频率）的基本假定的异同。

先让学生回答两种放大方法的异同，然后总结。

（七）综合训练题

1、某个流域年、月径流量资料从1967～1987共21年，降雨量资料从1960～1987年共28年。

由于用水部门的要求需在此流域上建一座水库。

试回答年径流分析计算的各种可能方法。

分析思路：

1）资料条件分析

年、月径流量资料从1967～1987共21年，属长系列。

对此年径流该如何分析计算。

降雨量资料从1960～1987年共28年，能否考虑插补延长？

抽样误差是什么？

如何插补延长？

2）具体年径流的分析计算方法。

教

学

过

程

引导学生做。

2、假如水库下游地区的防洪标准为P1=2%，大坝本身的设计标准为P2=1%，据此求出设计洪水特征值和典型洪水的特征值如下表示。

表5－7典型洪水及设计洪水特征值表

项目

洪峰

（m3/s）

洪量（104m3）

3天

5天

7天

P1=2%

2500

80.5

120.4

153.5

P2=1%

3500

90.5

146.0

171.5

典型洪水

2000

60.0

81.5

95.5

试用同频率法求放大倍比，并比较对应水库下游的防洪标准和大坝本身设计标准的放大倍比。

分析思路：

让学生描述，然后再让学生计算。

3、在对洪水径流的分析中以及对年径流量值的分析中，前者为何遇到了所谓“选样”问题，而后者又为何没有这样一个问题。

让学生描述，然后再让其他学生点评

4、对洪水资料进行了“三性”审查分析，对设计成果是否还需进行合理性分析？

如何进行合理性分析？

让学生描述，然后再让其他学生点评。

5、已经做出某区域多年平均年径流深，多年平均年降水量，多年平均年蒸发量的等值线图。

能否利用水量平衡方程式对其等值线图加以检查分析？

让学生描述，然后再让其他学生点评。

教

学

过

程

（八）布置作业

布置作业

6-4论文

题目：

对设计年径流与设计洪水分析计算的认识

补充教学内容

教学

总结