水文分析与水资源评价-防洪排涝设计洪水

根据河流中下游平原地区地势平坦、河网交错、河道坡降平缓等水文地理特点；径流系数小、洪水涨落较缓、河口地区受湖泊影响等水文情势；以及人类活动频繁、复杂等因素，设计洪水主要是防洪和排涝（排渍）设计流量和设计水位等内容，而水文序列一致性是其必要条件。

5.11.3.1　洪水资料条件一致性

在平原区，设计洪水计算所依据的资料往往不具备一致性条件，因此应首先对洪水资料进行还原计算和处理，然后计算设计洪水。

（1）洪水系列受分洪溃口影响时，应计算“还原”洪水。平原河道一般有堤防束水，当堤防设计标准较低，遇较大洪水时，堤防漫溢、溃决或分洪，需将漫溃的洪水过程进行还原。由于发生较大洪水的年份不多，洪水系列中需要还原的年份较少，因此将少数较大洪水进行还原归槽处理后，即可与没有发生溃决的洪水组成一个归槽洪水系列，采用相应的洪水演算方法进行归槽设计洪水计算。

随着堤防防洪标准及防洪能力的逐步提高，原来堤防遭遇一般洪水就漫溃，目前遭遇超标准洪水才可能漫溃，因此一方面将漫溃洪水还原成受堤防约束的归槽洪水，其还原方法可采用马斯京根法或槽蓄曲线法，将上游入流演算至设计断面。另一方面，将归槽洪水按一定的堤防标准或堤防全部漫溃，将洪水系列还原成无堤防约束的天然洪水。

（2）水位系列受系统影响时，应进行水位“还现”。河道或堤防进行大规模整治，如裁弯取直，改变河道比降；又如河槽扩宽或缩窄，从而影响整治前后观测水位的一致性。

有的水位站或潮位站，由于周边大量的城市建筑及地下水的过度开采，地面发生沉降，使观测的水（潮）位产生系统偏离。因此，应逐年将观测的水（潮）位进行改正，处理成现状条件下的水（潮）位。

（3）受湖泊围垦等影响时，计算总入流系列。设计断面以上因湖泊围垦、江湖变化等对洪水的调蓄影响属渐变过程，逐年还原计算较为困难，可采用总入流系列。

采用总入流进行还原计算可以避免复杂的还原计算，但也应看到，防洪对象毕竟是河道干流的一些设计断面，最终还是需要解决断面洪水问题。若将总入流过程作为输入，利用能反映现状条件下的江湖槽蓄曲线和主要控制站水位流量关系，将总入流过程演算至设计断面，可求得断面设计洪水过程线。

总入流洪水的河道演算方法较多，除水文学方法以外，也可以采用水力学数学模型。

江苏省采用总入流槽蓄演算法对总入流过程进行计算。该方法是将总入流过程作为输入过程，再经过河网槽蓄形成出口断面的流量过程。依据水量平衡方程qΔt－QΔt＝±ΔS和线性槽蓄方程Q＝KS，经过适当的概化和数学演算，推求出流域汇流过程线。

若已知参数K、τ就可以推算出出口断面的流量过程线。

总入流槽蓄演算法中，槽蓄参数K表示河网的调蓄能力，K值愈大，河网的调蓄能力愈差，峰型愈尖瘦，K值愈小，则峰型愈平缓；流域滞时τ′表示流域坡面滞蓄雨水的能力，τ′值愈大，峰现时间愈长，相反τ′值愈小，则峰现时间愈短。

5.11.3.2　设计流量

据资料条件，采用不同方法。当有流量资料时，采用上述还原系列或总入流系列频率计算法。缺乏实测流量资料时，可采用降雨径流间接法。对于推求的设计洪水成果，应考虑地下水对产流的影响，以保证设计成果的合理和可靠。

设计排水流量是指满足一定治涝标准要求的排水河（沟）道的最大流量，是确定排水系统和工程规模的重要参数，包括排水流量及排渍流量。排渍流量指控制地下水位，防止作物受渍所需要排除的地下水流量。最大排水流量是在排涝期产生的，当排渍流量较小时，排涝流量即排水流量。

涝区的设计排涝流量计算，首先应调查了解涝区江、河、湖堤的防洪设计标准，地形、地质情况，涝区形状、蓄涝容积，小河沟和湖塘数量，滞洪、蓄洪条件，排涝面积、排灌能力和通道，圩内农田灌溉方式、作物种类，最高内涝水位和相应年份的降雨量等，并依据不同的资料条件和设计要求采用相应的计算方法。

用雨量资料计算，确定设计暴雨要合理拟订设计暴雨历时、设计暴雨量、设计雨型、设计净雨深等因素。

设计暴雨历时，应采用形成涝区最大排水流量的降雨历时。它与涝区的暴雨特征、面积、蓄涝区大小有关，一般为1～3d。当涝区面积、蓄涝区较大时，应采用较长的设计暴雨历时；反之采用较短的设计暴雨历时。根据我国华北平原地区的实际资料分析，100～500km2的涝区，最大排水流量主要由1d暴雨形成，500～5000km2的涝区，由3d暴雨形成。

设计暴雨量可采用典型年或频率法确定。当涝区面积较大时，应采用面暴雨设计暴雨量；面积较小时，可采用点设计暴雨量。按典型年法确定设计暴雨量，可以取涝区较严重年份的实际雨量作为设计雨量；或选择降雨时空分布符合涝区基本降雨规律的典型年雨量。频率法以涝区雨量频率曲线为依据，取相当于治涝标准的雨量为设计暴雨量。

设计雨型：首先考虑治涝工程的安全性，适当照顾代表性。一般应考虑出现机会多、雨峰稍偏后，雨量集中并尽可能接近设计暴雨量的雨型。

设计净雨深：旱作物一般采用径流相关法，水稻可采用扣损法。

有防渍要求的地区，一般要求雨后及灌水后地下水位在作物耐渍时间以内下降到作物耐渍深度以下。当蓄涝区死水位长期高于耐渍深度时会引起作物受渍减产，作物耐渍时间及耐渍深度可根据当地气候、土壤、作物种类、生育阶段、农业技术措施以及作物丰产经验与试验资料确定。表5.26列出了几种主要农作物耐渍深度和时间。

表5.26　几种旱作物耐渍深度及时间

涝区洪水主要来自山丘区、且有对应的暴雨资料时，可按本书第9章产流、汇流方法计算设计排涝流量。设计暴雨历时应采用形成涝区最大排涝流量的降雨历时。

（1）排水模数经验公式法。涝区面积较大，且区域内暴雨洪水资料短缺时，可采用排涝模数经验公式计算设计排涝流量，但应对有关参数进行地区综合分析。要求经验公式中包含的参数不宜过多，一般不超过3个，使用时流域面积不宜超出公式的适用范围。对坡水地区的骨干排水河道，可采用由实测暴雨洪水资料分析率定的排涝模数或排涝经验公式估算设计排涝流量。

一般由当地排涝公式推求设计断面的设计流量时，应考虑防洪排涝设计洪水在槽蓄方面的差异。应考虑流域或行洪滩地蓄洪、滞洪以及分洪的影响。计算排涝模数可采用以下排涝公式：

式中：M为排水模数，m3／s·km2；R为设计径流深，mm；F为设计断面以上控制的汇水面积，km2；K为综合系数（见表5.27）。暴雨中心偏上、净雨历时长、地面坡度小、流域形状系数小、河网调节程度大，K值越小，反之则大；n为递减指数（见表5.27），大流域n值一般在－0.35～－0.20，小流域的n值在－0.20～0之间；m为峰量指数（见表5.27）。排水状况较好或排水状况一般，但流域坡度较大者，m值一般较大；排水状况较差，受回水影响的河渠，m值较小；开挖后的河渠，排水条件有所改善，m值一般比未开挖前增大。

表5.27　各地排水模数公式参数值

从以上求得排水模数后，即可推求各断面的排水流量，其公式为：

式中符号意义同前。

（2）平均排除法。涝区面积较小、在不超过农作物耐淹历时条件下，可采用平均排除法确定设计排涝流量。农田的设计排涝流量宜按确定的排涝期内平均排除净雨深至作物允许耐淹水深为原则进行计算。平均排除法适用于田间排水沟，对河网地区也可适用于支沟和干沟的设计。农田积水深度和积水历时超过农作物的耐淹水深及历时时，就会导致作物减产甚至绝收，故排涝天数以不超过农作物允许的耐淹历时为宜。我国各地区排涝天数一般采用1～5d，据表5.28所列几种农作物的耐淹历时及耐淹水深、排涝天数，旱作物一般采用1～3d、水稻一般采用3～5d。

设计排涝流量与涝区暴雨、涝区面积、河网密度、排水河（沟）坡降、植被情况、土壤性质等多种因素有关。对于较大面积的涝区，宜考虑上述因素进行产流、汇流方法准确计算。对坡水地区的骨干排水河道，一般采用由实测暴雨径流资料分析率定的排涝模数经验公式估算。

表5.28　几种农作物耐淹历时及水深

影响排涝流量的因素较多，为了避免计算成果出现不合理现象，需要用实测资料及有关成果对计算排涝流量进行检验。

涝区由于修建骨干排水河道，干、支、斗、农排水网蓄涝区，以及各种治涝工程，必然改变产流、汇流条件，当其变化明显时，应考虑这些变化对排涝流量的影响。

涝区蓄涝容积较大时，可采用概化方法计算涝区设计洪水过程线，经排涝演算后确定设计排涝流量。当涝区有较大蓄涝容积时，应考虑蓄涝容积对排涝流量的影响，此时需先求出流量过程线，然后通过调蓄计算确定设计排涝流量及蓄涝容积。平原河流洪水过程线的一般特点是洪水涨落缓慢，峰形扁平，可采用概化过程线的方法确定流量过程线。概化过程线的面积系数，可根据流域内或邻近流域实测资料分析建立面积系数与流域面积的关系。确定概化过程线时，应着重考虑出现机会多、主峰稍偏后、洪量集中等因素。

当蓄涝区有一定的调蓄容积，应首先求出涝区水量过程线。对于有闸情况，按拟定的运用方式进行蓄涝区的调蓄计算，求出排水流量过程线，并以其中最大流量作为设计排水流量。对无闸情况，按自然滞蓄方式求出排水流量过程线，然后以其中最大流量作为设计排水流量。

5.11.3.3　设计水位

平原河道的设计水位，应根据资料条件和设计要求，采用下列方法计算。

设计水位影响因素复杂，比降、河段断面形态、河道上人工控制工程的运行方式、回水顶托、冲淤变化、河道疏浚等均会对水位产生影响。上述因素对设计断面水位影响较小或影响稳定时，可直接采用水位资料推求设计水位。

根据目前搜集到的各种类型测站的水位资料，分析其水位频率分布曲线线型，一般P-Ⅲ型分布曲线对水位拟合较好；但对于感潮河段极值Ⅰ型分布曲线拟合效果也较好。对于潮水位频率计算，在有关铁路设计规范中明确要求采用极值Ⅰ型分布线型。

当工程设计标准不高，且具有实测高水位资料或历史调查洪水位时，可选用典型年水位或实测最高水位作为设计水位，也可将此水位适当调整作为设计水位。又如堤防工程等，可根据实测高水位或历史调查洪水位资料，从中选定设计水位。这种方法在堤防工程的防洪标准选定上使用较多，对一些小型涵闸也可采用这种方法确定设计水位。

我国大多数涝区一般以江河、湖泊、海域作为承泄区。承泄区选择应尽量满足以下要求：①具有足够的输水能力，以确保排泄或容纳涝区排水；②应位于涝区最低处，并有适宜的排水出口，以争取有较大的自排面积；③排水河道在承泄区入口处需要稳定的岸坡，并尽量避免排水河道出口处产生淤积，以保证出口畅通。

江河承泄区水位变化快，湖泊承泄区水位变化缓慢，海域承泄区水位呈周期性变化。在选择承泄区设计水位时，应考虑上述特点，并根据涝区暴雨与承泄区遭遇的可能性确定。当遭遇的可能性较大时，可采用相应于治涝设计标准的承泄区水位；当遭遇的可能性不大时，各地可根据具体情况进行确定。例如广东、江西省采用年最高水位的多年平均值，湖北、安徽、江苏、福建等省采用汛期平均水位或最高水位等。当采用设计典型涝水过程线进行排涝计算时，可采用相应典型年的承泄区水位过程。

平原水网区，可根据设计暴雨计算分区产水量，并通过水文水力学方法计算控制断面的设计洪水位。平原水网区，水系复杂，区内各防洪控制点的设计水位应综合考虑。可首先通过设计暴雨和流域产流、汇流模型分区计算不同频率的产水量，然后运用水文水力学模型综合计算水网区不同控制点的设计水位，并以此作为防洪控制水位。

在计算内涝水位时，需全面了解流域河网沼泽历史、现状和近、远期治理规划，搜集流域河道、堤防、泵站、涵闸、防洪排涝等规划报告和设计资料以及大比例尺地形图，注意搜集泵站涵闸实测水文资料。

进行包括邻近有关流域的调查，了解有关跨流域的规划以及河网、圩区的分布；各圩之间、各河汊之间及其与主河道的联系和水流调节方向；蓄洪、滞洪、分洪区和堤闸的设施及运用原则，以及历史上溃堤破圩和蓄洪、分洪情况及各种特征水位。

调查内涝地区江、河、湖堤防防洪设计标准，地形、地质情况，圩内农田灌溉，小河沟和湖塘数量，滞洪、蓄洪条件，排灌能力和水力联系通道，最高内涝水位和相应年份的降雨量。

建立各种水位—蓄水面积关系曲线A＝f（H）和各种水位—蓄水体积关系曲线V＝f（H），并假定降雨增加的体积ΔV等于蓄水增加的体积ΔV′，由此ΔV＝FΔh计算出设计雨量较历史最高内涝水位相应雨量增加的降雨体积，即可由V＝f（H）曲线上查得增加水深ΔH。

也可由下式计算：

式中：Δh为雨量增量，m；F为流域面积，m2；AH为历史最高水面积，m2。

根据ΔH，即可求出设计水位：

复杂的平原水网区设计水位计算常采用分区水力学方法。对平原河网地区，由于河网连接，湖泊（河道）、分蓄洪区调蓄复杂，人类活动影响突出等特点，运用基于圣维南方程组的一维非恒定流模拟河网汇流是较好的方法。一则理论较为严密，圣维南方程组是由水量平衡方程和动量守恒方程组成；二则随着计算数学和计算手段的不断发展，在采取适当的条件概化以后，精确求解已经成为可能。特别是可以针对不同条件下对河网水力特征的模拟，常在流域规划中使用。

例如水阳江、青弋江、漳河流域河网复杂，在《水阳江、青弋江、漳河流域防洪规划》中把流域内3个湖泊单元、74个河道节点和97个河段平行或嵌套组合起来，形成模型的基本骨架，而后将边界条件和旁侧入流按照节点或河道内外边界的属性嵌入模型中，最后形成完整的模型。河网采用一维非恒定流四点隐式差分格式求解，河网与湖泊采用隐式衔接。这种算法充分利用了隐式差分稳定性好，求解速度快以及准确实现河网汊点流量自动分配和湖泊与河道水量自动交换的优点。除此之外，模型中方便地与堤防溃决，闸坝过流等计算模式进行衔接，能考虑堤防自然溃决引起的分洪后果，模拟了各种防洪规划方案和洪水调度方案的控制运用方式。

河海大学研制开发了太湖流域产水模型和全流域河网动力学模型。该模型由5个部分组成，即：降雨产流模拟、水流在河网中非恒定运动模拟、流域河网及湖泊概化、建筑物及其运行方式模拟、边界条件模拟。其中降雨产流模拟为Runoff模块，后面为HOHY23模块及Beg模拟等。

水力学模型需要以实际发生的大洪水过程对模型进行参数率定和模型检验。

5.11.3.4　滨海及河口地区设计潮水位

滨海及河口地区潮水位受影响的因素较多，应根据所在地区的自然地理特征及相应的计算方法广泛搜集整理有关资料。如设计断面所在河段历年河道地形图、航道图以及设计断面处河道断面资料；上下游水工建筑物的规划设计和现状，河段的航道标准，河口整治资料；设计断面所在河道的潮汐现象和特点，搜集设计断面处历年最高、最低潮水位，涨落潮历时，最大潮差和发生时间（年、月、日）。必要时应进行水位、流量的观测，观测时间不应短于一年。如受时间和条件限制，可仅做洪枯水季节的观测，洪前观测不应少于一个月，观测时应逐时记录。封冻及有流冰的潮汐河段，应调查搜集冰块尺寸，冰层双向移动和上下浮动资料。

在分析计算中，应对所调查的河段上的潮汐现象及设计断面所在河段的特点进行分析。潮汐河段上游段，其设计流量、设计流速可按无潮汐影响河段的办法计算确定，但其设计水位应考虑潮汐顶托影响。

潮水位系列的选取应根据设计要求，按年最大（年最小）值法选取高、低潮水位。对历史上出现的特高、特低潮水位应注意特高潮位时有无漫溢，特低潮水位时河水与外海有无阻隔。

设计潮水位过程的选择，即潮型设计，包括设计高低潮水位相应的高潮水位推求；位于潮汐河段的下游段，应选择典型潮型确定设计潮位过程线，并在潮区界以上选择可能发生的不利频率组合的流量过程线，计算设计断面的流量。

（1）有观测资料。海域或感潮河段承泄区设计水位，原则上可采用海塘或堤防外设计水位的确定方法，取各年排涝期内的高潮位与低潮位，按排涝天数的平均值（即半潮水位）作频率计算，以相应于治涝设计标准的潮位作为设计潮位，其对应的连续平均高潮位的潮型作为设计潮位过程线。

潮汐河段的中间段，按洪水与潮流可能相遇的不利组合的设计频率，算出设计断面处流量。

（2）无观测资料。如设计依据站实测潮水位系列有5年以上，但不足30年时，其设计潮水位可以用邻近地区有30年以上资料，且与设计依据站有同步系列的潮位站作为参证站，采用极值同步差值法推求。参证站的气象条件，受河川径流的影响、潮汐特性、受增减水的影响应与设计依据站相似。

极值同步差值法计算公式如下：

式中：XSY为设计断面处设计高（低）潮位，m，或设计潮洪流量（潮流量），m3／s；XSX为测站处设计高（低）潮位，m，或设计潮洪流量（潮流量），m3／s；ANY、ANX分别为设计断面与测站的同期平均潮水位或同期平均潮洪流量（平均潮流量）；RY、RX分别为设计断面及测站同步潮差，m，或同步潮洪流量（潮流量）差，m3／s；其比值可取两处每日潮差或流量差比值的平均值。

（3）不具备极值同步差计算条件。设计断面处无实测资料，设计断面下游河口潮位站又不具备极值同步差比法计算设计高（低）潮位时，则应在河口潮位站进行观测。若潮区界亦无水文资料，可近似确定设计潮位过程线。

近似计算设计高（低）潮位公式如下：

式中：K为常数，可根据潮汐性质、潮差大小、河流影响以及增减水影响都较相似的附近港口相应的数值；高潮用正，低潮用负；HS为设计高（低）潮位值，m；H′S为用短期观测资料推求的设计高（低）潮位值，m；按下式计算：

式中：AN为年平均海平面高，m，AN＝A＋ΔA；式中A为短期观测资料的平均海平面高，ΔA为设计断面下游河口所在地区（或附近港口）海平面高的月订正值；r为短期（一个月以上）观测资料中的平均潮差；K′为正常数，可采用0.4m。

5.11.3.5　涝水排水的影响

我国涝区大多利用江河、湖泊作为承泄区，汛期大量涝水排出，使承泄区水位抬高，高水位持续时间延长，对排水不利。根据分析洞庭湖装机43.5万kW，江汉平原装机65万kW，如果50%机组同步开机，将增加江湖水量6000m3／s以上，约抬高武汉关水位0.7m左右。1991年7月4日至8月4日期间，江汉平原动用30万～40万kW的电排，排水流量为4000～4700m3／s以上，估计抬高武汉关水位约0.6m左右。因此在确定承泄区设计水位时应考虑涝区排水对承泄区水位壅高的影响。