在电力工程水文气象工作中,通常采用《电力工程水文气象计算手册》(2011版)、《电力工程设计手册:工程水文气象》(2017版)以及电力工程水文气象计算软件EHP进行水文气象参数的分析计算。
在实际应用过程中有一些需要特别注意的地方,通过本微信公众号和大家一起交流探讨一下。
根据Gumbel曲线的绘制原理,当有限样本n的均值和标准差做近似估计时,分布参数需要经系数C1、C2修订。《建筑结构荷载规范》(2012版)和《电力工程水文气象计算手册》(2011版)均是如是要求。图1和图2分别摘选《建筑结构荷载规范》中第101页和第102页内容。
▲图1 《建筑结构荷载规范》中第101页
2016年水文气象专业人员发现EHP计算的Gumbel频率曲线采用n趋于无穷大样本时的C1和C2,与样本数量较少时(比如最大风速序列一般30个至60个左右的样本)的线型是完全不一样的。这也是为什么EHP直接生成的频率曲线(适线前)拟合较差的原因。
而EHP通过矩法适线调整均值和CV值来调整线型,曲线是拟合较好了,但此时对应的Cv值和均值不是按照Gumbel曲线有限样本修正曲线对应的Cv值和均值。这也是EHP适线调整后,曲线的Cv值往往超出我们认知的原因。
因此应用EHP进行频率计算时,可以适线调整得到各频率对应的数值,但此时对应的均值和Cv值已不是真实的均值和Cv值。即EHP实际上是通过调整均值和Cv值在变相的调整C1和C2系数。
而若用EHP的均值和Cv值,考虑有限样本的的C1和C2来计算各频率对应数值的话,就是出现上述与EHP计算值不符的情况。
3.1 EHP水科院推理公式法降水三段概化与手册差异
▲图3 EHP水科院降水二段概化计算洪水参数
▲图4 EHP水科院降水二段概化计算洪水参数
▲图5 手算水科院法降水二段概化洪水参数
▲图6 EHP水科院降水三段概化计算洪水参数
▲图7 EHP水科院降水三段概化计算洪水参数
▲图8 手算水科院降水三段概化计算洪水参数
(径流系数0.6,相应下渗率为7.63mm/h)
3.2 EHP水科院推理公式法、电力工程水文气象计算手册水科院推理公式法洪水过程线概化与《水文水利计算》(第2版)洪水过程线概化差异
另外手册和EHP水科院推理公式均是按5点概化的洪水过程,洪水总量均为“径流深*流域面积”。但手册和EHP概化的洪水过程均为后峰型,洪峰滞后,退水时间t2<t1,与一般水文手册上概化的过程线差异较大,故不建议采用手册和EHP来5点概化洪水过程线。
《水文水利计算》(第2版)第111页中介绍的江西省根据集水面积在650km2以下的81个水文站,1048次洪水概化的过程线t2=3t1。
手册未给出t2与t1关系,且定义总历时“T=t产+t汇”。然后来求上图中涨水三角形和退水三角形的高,来得到“t1-t汇时刻”的洪峰和“t1+t汇时刻”的洪峰,再来绘制过程线。
而教材《水文水利计算》(第2版)中是根据洪水总量,以及知道概化后“t1-t汇时刻”的洪峰及“t1+t汇时刻”的洪峰,再来求洪水总历时,洪水历时不等于前面手册和EHP的“t产+t汇”。
3.3 水科院推理公式法与林平一法产流时间、洪水总量差异
在计算中使用水科院法和林平一法时,往往发现两者计算的差异较大,但洪峰流量一般都是水科院法较大,且经常大很多。使用两者方法计算发现,林平一法中有各参数计算的径流系数往往较水科院法经验取值的大很多,将两者调整为一致时,发现林平一法要比水科院法的洪峰流量偏大,但洪水总量偏小。分析后发现林平一法洪水汇流时间更短,故导致洪峰流量更大。
但产流时间跟雨强和下渗相关,本次计算输入的设计暴雨一致,下渗率亦调整为一致。分析后发现林平一的产流计算公式与水科院推理公式的形式完全一样。但林平一法的雨强和下渗率单位时间都是分钟,而水科院的雨强和下渗单位是小时。而雨力按分钟计算与按小时计算的比值不是1/60,这里在31(图12)/130(图13),而下渗率单位分钟单位时则为小时单位时的1/60,因此导致林平一与水科院的产流时间较水科院推理公式的产流时间短,从而导致林平一计算的径流深较水科院的浅,进一步导致林平一法计算的洪水总量较水科院法明显偏小。
分析认为林平一法中tc计算公式引用了1958年水科院推理公式的形式,但未注意Sp分钟与小时的关系与下渗率分钟与小时的关系一致,故导致其在产流时间、径流深、洪水总量计算上产生较大误差。不建议使用林平一法对洪水总量和洪水过程线进行计算。
3.4 EHP中汇流系数m与《电力工程水文气象计算手册》(2011版)、《电力工程设计手册》(水文气象)(2017版)差异
EHP中汇流系数m值与后面修订的《电力工程水文气象计算手册》(2011版)、《电力工程设计手册:工程水文气象》(2017版)差异较大,两边手册m值推荐值一致,m值对洪峰流量影响很大,故选取时需慎重。
3.5 总结及建议
由于水科院法中各个参数对洪峰流量和洪水总量计算影响较大,在有地区水文手册时,建议参考地区水文手册中的参数来进行设计洪水、洪水总量及洪水过程线的概化。
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