第四章洪水径流一、设计洪水流量与水位 1.洪水： （1）定义：河中流量急增，水位猛涨并具有一定危害性的大水 称为洪水。 （2）引起洪水的原因：多为夏秋季发生暴雨或大面积下雨引起 。 另外，春季迅速融雪，冬季冰凌塞流等也常造成灾害性洪水。 （3）设计洪水的确定 1）频率计算法 以符合某一频率的洪水作为设计洪水,如百年一遇、千年一遇等 。 2）水文气象法 根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下,可 能发生的最大洪水作为设计洪水。 （4）设计洪水三要素：洪峰流量的大小，洪水流量逐时 变化情况（简称洪水过程线），一定时段内的洪水总量。工程建成后在使用年限中的破坏情况指的是连续K年的破坏率，其计算式如下： SK =1(1P )K (4.1) 2.洪水设计标准 如果设计洪水标准定得过高，设计洪水过大，建筑物本身 虽然安全，但工程投资高，不够经济；反之不够安全 永久性水工建筑物的洪水设计标准 永久性水工建筑物系指运行期间使用的建筑物，根据其重 要性分为主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物系指失事 后造成灾害或严重影响主要设备和设施使用的建筑物，次 要建筑物系指失事后不造成灾害或对主要设备和设施使用 影响不大并易于修复的建筑物。 设计洪水标准分为正常运用（设计标准）和非常运用（校核 标准）两种情况，相应的洪水分别称为设计洪水和校核洪水。建筑物的尺寸由设计洪水确定,当所发生的洪水小于等于设计 洪水时,建筑物应处于正常运用状态。校核洪水起校核作用, 当所发生的洪水小于等于校核洪水时,其主要建筑物要确保安 全,但工程处在非常情况下运行。 公路设计通行能力见表4.1，公路与桥涵设计洪水频率见表 4.2。3.洪水资料审查 洪水资料审查，包括审查资料的可靠性、代表性、一致性和独立 性。 4.洪水资料选择 常见的选样方法有年最大值法、超定量法和超大值法三种方法 （1）年最大值法 从每年实测资料中选取一个最大流量（或水位）组成样本系列。 此法的优点是独立性好，符合数理统计的要求。缺点是所选 某年最大值可能小于其它某些年份的次大值。 当观测年数较少时，常考虑采用超大值法和超定量法。根据超定量法选样，在频率计算中所得的是次累积频率P （即多少次一遇）和次重现期T ，不是工程上所需的年累积 频率P和年重现期T。二者的关系可按下式换算 (4.2) （3）超大值法 将n年资料按数值的大小顺序排列，从中选取S个最大值组成 样本系列，这样每年平均可选得a0个洪峰流量（或水位）， n年中即可选得S = na0个洪峰流量（或水位）。按超大值法选取样本的个数，是根据需要而由设计者来确定的。 （4）超大值法与超定量法选样的区别 超大值法选样的个数一般为实测年数的35倍。 超定量法要选取大于或等于标准值的样本，而超大值法 则不需要考虑标准值问题。（2）超定量法 在每年实测资料中，选取超过某一标准值的全部洪峰流量（ 或洪水位）组成样本系列，选样的标准值则各地区不同。（5）超大值法与超定量法选样的相同点 用超大值法求次累积频率P及次重现期T 的公式与超定量法相同。选样方法的采用视设计要求而定。5.设计洪峰流量或水位的推求 （1）频率分析中有关问题的说明 频率分析的目的是为了求一合适的理论累积频率曲线。对于重要 工程，计算成果还应结合物理成因加以分析，作多方面的比较论 正后才能作为设计的依据。对洪水资料进行频率分析，首选的应 是皮尔逊型曲线。 （2）洪水资料的插补延长 1）上下游或邻近流域站资料的移用，如果设计站和参证站流域面 积相差不超过15%，且流域自然地理条件比较一致，流域内暴雨 分布比较均匀时(4.3)当设计断面的上游或下游不远处均有观测资料，可认为洪峰 随流域面积的增长呈直线变化，便可按流域面积进行内插。2）利用洪峰、洪量关系插补展延 利用本站或邻站（上、下游站或邻近流域站）同次洪水的洪 峰和洪量相关关系，或洪峰流量相关关系进行插补展延。 利用本流域暴雨径流关系插补展延径流系列。 用于湿润地区。 应用以上方法插补展延洪水系列时，插补延长资料的年数最多 不得超过实测年数。点据在坐标中的分布应比较均匀，各点据 与回归线的相对误差一般应小于20%。相关线外延的幅度一般 不宜超过实际变幅的50%。曲线相关时，其转折处要有实测点 据控制。 （3）特大洪水资料的处理 1）特大洪水及其重现期 特大洪水的定义 一般指模比系数K 23的洪峰流量（或水位）。 引进特大值是为了提高系列的代表性及分析成果的合理性。虽然设计站有20年以上的连续实测资料，但还要尽可能插补展延系列。对于雨量充沛地区还可用暴雨资料来检查洪水。 确定特大值的重现期N N =T2T1+1 (4.4)2）连续系列与不连续系列关于洪峰流量系列，有两类情况 连续系列指的是连续实测和插补延长的资料由大到小排序 时，序号连续，见上图，n为连续系列的项数。 有特大值的不连续系列 如图4.10，N为通过历史洪水调查和文献考证所及的年份， 在N年内，除n年有实测记录外，其它年份为缺测年份。由 大到小排序时，存在一些空位，序号不连续，此种系列称为 不连续系列。 a+ 个特大洪水中，有 个发生在实测系列之内，称为资 料内特大洪水；有a个发生在实测系列之外，称为资料外特 大洪水。 3）经验累积频率计算方法 a.独立样本法 把实测系列与特大洪水系列看作是从总体中独立抽取的两 个随机样本，各项洪水可分别在各自系列中进行排位，分 别计算其经验累积频率。 特大洪水的经验累积频率计算公式为 % （4.5） 实测系列的经验累积频率公式为 % （4.6）b.连续样本法将实测系列与特大洪水系列共同组成一个不连续系列，作为 代表总体的一个样本，不连续系列各项可在历史调查期N年内统一排位。 特大洪水的经验累积频率公式仍用公式（4.18）。 实测系列的经验累积频率公式为100% (4.7)式（4.6）适用于实测系列的代表性较好，而历史洪水排位可能有错漏的情况。 式（4.7)适用于历史洪水排位无错漏的情况，目的是为了避免历史洪水的经验频率与实测系列的经验频率有重叠的现象。4）含特大值系列的经验点据统计参数的计算方法 包尔达科夫、克里茨基和闵凯里假定：缺测年份Nna中 的系列平均值、均方差与n年连续实测一般数值洪峰流量的平均值和均方差相等，即 (4.8) 含特大值系列的平均值计算公式 含特大值系列的离势系数计算公式 （4.12） 或 （4.13）含特大值系列的偏态系数CSN选取 CSN值与一般资料的确定方法相同，按适线法试算。我国大部分 河流洪峰流量资料的CSN 值介于（24）CVN之间。 北方河流CVN 较大，CSN 值接近于2CVN ，南方河流CVN较小， CS值接近于4CVN。适线时可参考以下范围选择：在CVN 0.5的 地区，可采用CSN =（34）CVN ；在1.0CVN 0.5的地区， CSN =（2.53.5）CVN ；在CVN 1的地区，CSN =（23）CVN 。5）误差分析 用公式（3.29）和（3.30）计算误差，但要注意将S改为N。6）计算成果的合理性分析利用参数之间的相互关系和地理分布规律，对各单站单一项 目的频率计算成果进行对比分析，减少因系列过短带来的误 差。 从上下游及干支流洪水的关系上进行分析。 从邻近河流洪水统计参数及设计值的地区分布进行分析。 将稀遇的设计值与国内河流大洪水记录进行比较。 见例4.9。 某坝址断面洪峰流量频率曲线图（试错适线法）6.流量观测资料不够时大中河流推算设计流量的方法 缺乏水文站观测资料时，应尽可能搜集历史洪水资料，作 为计算依据，也可以利用间接的或经验性的资料进行计算， 或采用地区性的经验公式直接计算。但由于所依据的资料较 少，有的又是间接的或经验性的，所以计算结果的误差较大 。通常是采用多种方法进行计算，相互核对，结合实际情况 分析确定。 对于大中型河流，当缺乏流量观测资料时，可以利用短期 的观测资料、洪水调查资料、邻近河流的观测资料或地区性 的经验资料，估算统计参数，求出合适的理论累积频率曲线 ，再根据设计频率标准推算设计流量。虽然计算结果的误差 较大，但还是可以作为分析比较的依据。 (1)无历史洪水资料时实测系列推算设计流量的方法 1)平均流量 的估算 对于一个固定的水文站，其误差随观测年数的变化幅度不 大，表明 值是比较稳定的。 如果桥位附近水文站的观测资料中，能获得10年以上的年最大流量值，则可以考虑直接计算 值。但必须检查资料的 代表性，根据其观测期处于本地区连续丰水年的情况，对计 算结果作适当调整。对于小于10年以下的观测资料，计算的值只能作为参考，不宜直接使用。既无水文站观测资料，又无洪水调查资料时，还可利用平均流量的经验公式直接计算 值。其经验公式可按桥位勘 设规程或有关手册及各地区的资料选用，但必须注意公式 所依据的资料情况及其适用条件，以便判断计算结果的可靠 程度。2)离势系数CV和偏态系数CS的估算如有10年以上的流量观测资料，同时可以找到参证站，就 可采用适线法推求CV和CS值；如果找不到参证站，则以适线 法推求的CV和CS值，只能作为参考，不能直接使用。 邻近河流有较长期（20年以上）的流量观测资料时，流域 特征和降雨情况如果差别不大，可以直接采用邻近河流的CV和 CS值，如果差别较大，则可根据CV和CS的地区变化规律，适当 调整后采用。 无水文站观测资料时CV和CS可以采用地区经验值，或利用 经验公式计算。这些经验值和经验公式，可以查阅桥位勘设 规程及有关手册，或向当地有关单位搜集。 3)设计流量推算 三个统计参数确定以后就可确定唯一地一条理论累积频率曲 线，再根据设计频率标准求出设计流量。 此外还可利用地区经验公式，直接推算设计流量。 (2)利用历史洪水位推算设计流量 1)历史洪水流量的计算 当调查的历史洪水位处于水面比降均一、河道顺直、河床 断面较规整的恒定均匀流河段时，可按连续性方程和谢才曼 宁公式计算： 见P100例4.4 例4.4某公路桥梁跨越一条平原河流，桥位河段基本顺 直，上游有河弯，河床平坦，两岸较为整齐，无坍塌现象 。河槽土质为砂砾，河滩为耕地，表层为沙和淤泥。实测 桥位处河流横断面如图4.4，可作为计算断面进行流量计算 。经调查确定，桩号K0+622.60为河槽与河滩的分界。选 定粗糙系数为：河滩 ，河槽 。调查的历 史洪水位为63