第3章 洪水分析计算

3.1 概述

3.1.1 主要任务

洪水是由暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的水流现象。洪水可能成灾，导致水库垮坝、江河横溢、房屋被冲塌、农田被淹没、交通和电信中断，会给国民经济和人民的生命财产带来严重危害，造成严重的经济损失。狭义地说，洪水形成的灾害可按成因分为洪灾、涝灾、渍灾。

洪灾一般是指河流上游的降雨量或降雨强度过大、急骤融冰化雪或水库垮坝等导致的河流突然水位上涨和径流量增大，超过河道正常行水能力，在短时间内排泄不畅，或暴雨引起山洪暴发、河流暴涨漫溢或堤防溃决，形成洪水泛滥造成的灾害。防洪对策措施主要依靠防洪工程措施（包括水库、堤防和蓄滞洪区等）和非工程措施（包括洪水预报、洪水调度、洪水风险防范等）。

涝灾一般是指本地降雨过多，河道排水能力不够；或受大江大河洪水、潮水顶托，排水动力不足不能及时向外排泄，造成地表积水而形成的灾害，多表现为地面受淹。我国城市化发展很快，许多城市扩张区地势比较低，加上排水标准偏低，使产汇流条件发生变化，加剧了城市涝灾，农业区涝灾一般只影响农作物，造成农作物的减产，城区涝灾已经严重影响到经济的发展与居民生活。治涝对策措施主要通过加强排水管网建设、开挖排水河道并增加动力设备排除地面积水。

渍灾主要是指当地地表积水排出后，因地下水位过高，造成土壤含水量过多，土壤长时间空气不畅而形成的灾害，多表现为地下水位过高，土壤水长时间处于饱和状态，导致作物根系活动层水分过多，不利于作物生长，使农作物减收。实际上涝灾和渍灾在大多数地区是相互共存的，如水网圩区、沼泽地带、平原洼地等既易涝又易渍。山区谷地以渍为主，平原坡地则易涝，因此不易把它们截然分清，一般把易涝易渍形成的灾害统称涝渍灾害。

比较常见的、危害比较大的是洪灾与涝灾，简称为洪涝灾害，采取有效措施科学治理洪涝灾害、建设项目的防洪影响评价、防洪排涝工程的效益分析等都需要知道不同频率的洪水过程或者其特征值，洪水分析计算的主要任务是根据各种资料条件推求不同频率的洪水过程。

水利工程规划设计中经常用到设计洪水，所谓设计洪水，实质上是指具有规定功能的一场特定洪水，其具备的功能是：以频率等于设计标准进行洪水频率分析计算，求得相应设计洪水，以此为据而规划设计出的工程，其防洪安全事故的风险率应恰好等于指定的设计标准。例如，某一河道堤防工程的设计标准是50年一遇，就是指采用50年一遇的河道洪水位作为堤防设计洪水位，在未来堤防工程长期运行中，每年河道水位超过该设计水位的概率为2%。

根据指定设计标准计算的设计洪水，其功能是通过将其输入到流域防洪工程措施系统后得到体现的。经过系统作用（如水库调洪演算），不仅输出设计洪水位、防洪库容等工程设计参数，同时也输出其防洪后果，得到该系统的防洪安全事故风险率，该风险率恰好等于设计标准。显然，为了满足这种对应关系，理论上这个系统必须是确定性的，而且输出与输入之间是单值函数关系，这样才能保证根据某一设计标准（频率）的设计洪水输入，得到相同频率大小防洪安全事故风险率对应的输出结果。

从以上分析中可知设计洪水具有如下一些基本性质。

（1）设计洪水具有实际洪水的样式，是在时间上、空间上的一个连续过程，可以输入到流域防洪工程措施系统，经过系统模型运算得到防洪工程设计参数，如水库最大下泄流量、设计水位值等。

（2）设计洪水又区别于实际洪水。它总是与一定的出现概率相联系的，而且是其防洪后果的出现概率，即风险率。如百年一遇的设计洪水，就是会造成百年一遇概率防洪后果的洪水过程。

3.1.2 主要方法

根据洪水事件特性、洪水形成的原理与洪水分析计算的主要任务，洪水分析计算综合利用频率分析法、成因分析法、地理综合法等推求不同频率的洪水过程。推求不同频率的洪水过程方法的选择依据是否有实测流量资料和对计算成果的要求。

（1）在有实测流量资料的情况下，先进行洪水资料的选样，对洪水资料进行可靠性、代表性、一致性审查，如果审查结果不满足要求，需要进行处理，如还原计算、插补展延等；为了增加洪水分析计算成果可靠性，还需要调查与判别特大洪水并进行处理，采用考虑历史资料的洪水频率计算方法进行计算，对洪水频率计算成果进行合理性分析；根据不同频率的洪水特征值，用同倍比放大法或同频率放大法对典型洪水放大，可以得到不同频率的洪水过程。

（2）没有实测流量资料时，根据不同频率的暴雨过程，用径流系数法、次降雨径流经验相关法和初损后损法等产流计算方法可以推求出不同频率的净雨过程；进一步，用时段单位线法、瞬时单位线法等汇流计算方法可推求出地表流量过程，用线性水库模拟计算得到地下流量过程，将地表流量过程与地下流量过程叠加得到总流量过程。需要注意对应用产流方案和汇流方案时的外延及移用等相关问题进行分析。

（3）对于小汇水面积洪水分析计算，往往只需要计算洪峰流量，根据小汇水面积洪水特点采用基于利用暴雨强度公式的推理公式法可以计算得到洪峰流量，也可以采用地区经验公式法计算得到洪峰流量，通过三角形概化或者其他简易方法可以得到概化流量过程线。

3.1.3 主要内容

根据资料条件及推求不同频率洪水的方法，洪水分析计算的主要内容包括由流量资料分析计算洪水，由暴雨资料分析计算洪水，小汇水面积洪水分析计算。

（1）由流量资料分析计算洪水。介绍洪水资料的选样，洪水资料的可靠性、一致性和代表性审查，洪水特征值资料的插补展延，历史洪水的调查和考证，有特大值的不连序样本系列的经验频率计算，洪水特征值频率计算成果的合理性分析，典型洪水的选取原则，选择典型洪水的方法，典型洪水同倍比放大法和同频率放大法。

（2）由暴雨资料分析计算洪水。介绍根据不同频率暴雨，用径流系数法、次降雨径流经验相关法和初损后损法推求净雨过程，用时段单位线法、瞬时单位线法推求地表汇流过程，用线性水库模拟计算地下汇流过程，对产流方案和汇流方案应用的相关问题进行分析。

（3）小汇水面积洪水分析计算。分析小汇水面积洪水分析计算特点，介绍基于利用暴雨强度公式的推理公式法计算洪峰流量的原理与方法；地区经验公式法基本原理，地区经验公式的类型，建立和应用地区经验公式需注意的问题；概化流量过程线的推求方法。