設(shè)計洪水

設(shè)計洪水簡介

指當(dāng)河流設(shè)計斷面發(fā)生設(shè)計頻率的洪水時，其上游各控制斷面和區(qū)間相應(yīng)的洪峰、洪量和洪水過程線，它表示下游斷面的設(shè)計洪水和上游各個控制斷面設(shè)計洪水之間的關(guān)系。在制定流域開發(fā)方案、分析單一水庫的防洪作用和研究梯級水庫或水庫群的聯(lián)合調(diào)洪作用時，需分析設(shè)計洪水的地區(qū)組成。為了分析和比較設(shè)計洪水不同地區(qū)組成的防洪效果，常需擬定若干種地區(qū)組成方案，經(jīng)調(diào)洪演算和綜合分析，從中選取能滿足工程設(shè)計要求的，作為設(shè)計的依據(jù)。

設(shè)計洪水計算方法

設(shè)計洪水的地區(qū)組成的計算方法有：

①典型年法。即從實測資料中選出若干次在地區(qū)組成上具有一定代表性的（如洪水主要來自上游,或主要來自區(qū)間,或在全流域均勻分布）、對防洪不利的大洪水作為典型洪水，以設(shè)計斷面某一時段設(shè)計洪量為控制，按同一倍比對各斷面及區(qū)間同一時段的典型洪水進行放大，求得各斷面及區(qū)間相應(yīng)的洪量或洪水過程線。

②同頻率地區(qū)組成法。指根據(jù)防洪要求，選定某一時段一個分區(qū)的洪量與設(shè)計斷面的洪量為同頻率，其余各分區(qū)的相應(yīng)洪量和某一次洪水的地區(qū)組成作為典型，進行分配，并以同頻率洪量和分配的時段洪量作為控制，放大典型過程線作為設(shè)計洪水和各地區(qū)的相應(yīng)洪水過程線。

根據(jù)流量資料計算 依據(jù)實測或調(diào)查洪水流量資料，分析洪水的某些特征值的出現(xiàn)頻率，推求設(shè)計洪水的頻率分析方法，已被許多國家廣泛采用。中國現(xiàn)行設(shè)計洪水計算規(guī)范規(guī)定，當(dāng)設(shè)計斷面或其上下游有20年以上實測洪水資料，并有歷史洪水調(diào)查和考證資料時，可根據(jù)流量資料分析計算設(shè)計洪水。其主要步驟如下：

（1）資料的搜集整理及插補延長。流量資料的插補延長多采用與長系列站的資料建立相關(guān)的方法。此外，還要重點復(fù)核大洪水資料的可靠性。

（2）歷史洪水調(diào)查及考證。包括野外洪痕、洪水發(fā)生年代、時間的調(diào)查，以及洪峰、洪量的推算；進行歷史文獻記載的考證，借以確定歷史洪水的排位順序，估計其重現(xiàn)期。

（3）系列代表性分析。一般通過與鄰近地區(qū)長系列站資料的對比分析，以及根據(jù)實測及調(diào)查考證的歷史洪水資料，分析洪水豐枯年變化情況、大洪水出現(xiàn)的周期、不同年段大洪水出現(xiàn)的頻次以及分段計算的統(tǒng)計參數(shù)的變化情況等，以判別系列代表性的好壞。

（4）進行洪水頻率計算。

（5）成果的合理性檢查。常用的檢查方法：①本站洪峰流量及不同時段洪量的頻率分析成果相互比較；②與上下游及鄰近地區(qū)河流的頻率分析成果相比較，以分析判斷統(tǒng)計參數(shù)和設(shè)計值是否符合地區(qū)變化規(guī)律；③與通過暴雨推求的設(shè)計成果和比較。

（6）根據(jù)設(shè)計要求，推求設(shè)計洪水過程線、分期設(shè)計洪水或施工設(shè)計洪水、擬定設(shè)計洪水的地區(qū)組成等。

根據(jù)雨量資料計算 暴雨是形成洪水的主要因素，許多流域暴雨觀測年限大于流量觀測年限。中國現(xiàn)行設(shè)計洪水計算規(guī)范規(guī)定，當(dāng)設(shè)計斷面所在流域及鄰近地區(qū)的雨量站有20年以上實測暴雨資料，并且有實測或調(diào)查大暴雨和多次可供產(chǎn)流匯流分析用的暴雨洪水對應(yīng)觀測資料時，可根據(jù)暴雨資料，采用頻率分析方法，計算流域設(shè)計暴雨，通過流域產(chǎn)流匯流計算（參見暴雨徑流關(guān)系、單位線），推求相應(yīng)頻率的設(shè)計洪水。

此外，對于短缺暴雨洪水資料的小流域，可采用推理公式（參見小流域設(shè)計洪水）、經(jīng)驗公式或單位線等推求設(shè)計洪水。

經(jīng)驗表明，在有條件的情況下，采用幾種方法推算設(shè)計洪水，并根據(jù)資料的長短與可靠程度，有側(cè)重地對計算成果綜合分析，合理確定具體工程的設(shè)計洪水?dāng)?shù)據(jù)，是提高成果精度的有效方法。

以實際年洪水作為設(shè)計洪水 世界各地大江大河較多地采用某一實際發(fā)生過的大洪水作為設(shè)計洪水。如1954年長江洪水是近百年長江中下游出現(xiàn)的一次最嚴(yán)重的全流域型大洪水。在《長江流域綜合規(guī)劃簡要報告》（1990年修訂）中，長江中下游平原區(qū)以1954年實際洪水作為主要防御對象?？紤]上游水庫建設(shè)情況、中下游防洪情況和中下游防洪狀況，確定以1954年洪水實際最高洪水位為基礎(chǔ)，適當(dāng)提高堤防設(shè)計水位。

指年內(nèi)不同季節(jié)或時期，如豐水期、平水期、枯水期、或其他指定時期的設(shè)計洪水。在水庫調(diào)度運用、施工期防洪設(shè)計或其他需要時，要求計算分期的設(shè)計洪水。分期的原則是：①要使各分期的洪水不僅在成因上，而且在數(shù)量級和洪水特性等方面有明顯差異。一般根據(jù)洪水成因，把全年劃分為暴雨洪水期、凌汛期和融雪洪水期等。在可能條件下，暴雨洪水期還可進一步劃分為梅雨期和臺風(fēng)雨期等。②滿足工程設(shè)計的需要。例如，為選擇截流時間，合理安排施工計劃，常需求出枯水期、平水期和洪水期的設(shè)計洪水或分月設(shè)計洪水。分期一般不宜短于一個月。分期設(shè)計洪水的計算方法原則上與全年設(shè)計洪水的計算方法相同，但其計算成果一般誤差較大，要作認真的合理性分析。

指防洪工程抗御洪水能力的規(guī)定限度。防洪水工建筑物設(shè)計時，選用過于大的洪水作為設(shè)計依據(jù)，雖然安全，但不經(jīng)濟；若選擇的洪水偏小，投資雖然減少，但不安全或達不到預(yù)期的防洪要求。因此，需權(quán)衡安全和經(jīng)濟兩個方面，為工程的防洪能力規(guī)定一個恰當(dāng)?shù)南薅?，即防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。符合此標(biāo)準(zhǔn)的洪水即為設(shè)計洪水。防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般用洪水出現(xiàn)的概率或重現(xiàn)期表示。個別工程和有些地區(qū)的防洪規(guī)劃，也有以防御某次大洪水作為防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的。通常分為正常運用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（簡稱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)）和非常運用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（簡稱校核標(biāo)準(zhǔn)）兩種。當(dāng)洪水超過正常運用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，工程的正常運用將遭到破壞；當(dāng)洪水超過非常運用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，工程的安全將受到威脅。不同規(guī)模和不同重要性的工程分別采用不同的防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。中華人民共和國于1978年頒布了《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（山區(qū)、丘陵區(qū)部分）(SDJ12-78)（試行），表中所列的是永久性水工建筑物正常運用的洪水標(biāo)準(zhǔn)。對于特別重要的工程，在上述文件中規(guī)定以可能最大洪水作為校核標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)工程的性質(zhì)和水文資料條件采用不同的計算方法。在一般情況下，采取多種途徑計算，綜合分析論證和合理選用成果。常用的計算方法有：

設(shè)計洪水①直接法

即根據(jù)流量資料推求設(shè)計洪水。當(dāng)工程所在地或其附近有較長的洪水流量觀測資料，而且有若干次歷史洪水資料時，逐年選取當(dāng)年最大洪峰流量和不同時段（如 1天、3天和7天等）的最大洪量，分別組成最大洪峰流量和不同時段最大洪量系列，然后進行頻率分析，以確定相應(yīng)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪峰和時段設(shè)計洪量。最后，選擇典型洪水過程線，按求出的設(shè)計洪峰和各時段設(shè)計洪量，對典型洪水過程線進行同頻率或同倍比放大，作為設(shè)計洪水過程線。

設(shè)計洪水②間接法

即根據(jù)雨量資料推求設(shè)計洪水。當(dāng)工程所在地及其附近洪水流量資料系列過短，不足以直接用洪水流量資料進行頻率分析，但流域內(nèi)具有較長系列雨量資料時，可先求得設(shè)計暴雨,然后通過產(chǎn)流和匯流計算,推求設(shè)計洪峰、洪量和洪水過程線。該法假定，一定重現(xiàn)期的暴雨產(chǎn)生相同重現(xiàn)期的洪水。

設(shè)計洪水③地區(qū)綜合法

如果工程所在地的洪水流量和雨量資料均短缺，可在自然地理條件相似的地區(qū)，對有資料流域的洪水流量、雨量和歷史洪水資料進行分析和綜合，繪制成各種重現(xiàn)期的洪峰流量、雨量、產(chǎn)流參數(shù)和匯流參數(shù)等值線圖，或?qū)⑦@些參數(shù)與流域自然地理特征(流域面積和河道比降等)建立經(jīng)驗關(guān)系，然后借助這些圖表和經(jīng)驗關(guān)系推算設(shè)計地點的設(shè)計洪水。

設(shè)計洪水包括水工建筑物正常運用條件下的設(shè)計洪水和非常運用條件下的校核洪水，是保證工程安全的最重要的設(shè)計依據(jù)之一。

防洪設(shè)計中的防洪標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)工程規(guī)模、失事后果、防護對象的重要性以及社會、經(jīng)濟等綜合因素，由國家制定統(tǒng)一規(guī)范確定的。目前，許多國家通過工程措施投資和防洪效益進行綜合經(jīng)濟比較，并結(jié)合風(fēng)險分析來選定防洪標(biāo)準(zhǔn)。中國1995年1月頒布實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50201-94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》對國民經(jīng)濟各部門不同防護對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)作了詳細規(guī)定。防護對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)以防御洪水或潮水的重現(xiàn)期表示。

設(shè)計洪水是估計水工建筑物抗御洪水能力和各種工程與非工程措施防洪效益的首要依據(jù)，是按照國家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)和通過分析計算當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料確定的。設(shè)計洪水計算的內(nèi)容包括：年最大洪水的特征值、設(shè)計洪水過程線、施工設(shè)計洪水、入庫洪水以及設(shè)計洪水地區(qū)組成等。根據(jù)設(shè)計要求，可計算其中的一部或全部。設(shè)計洪水的分析計算方法，按資料條件的不同，主要分為根據(jù)流量資料計算和根據(jù)雨量資料計算兩類。有些河流的設(shè)計洪水是以某年實際發(fā)生過的大洪水為基礎(chǔ)確定的。

年最大施工設(shè)計洪水一般根據(jù)有關(guān)規(guī)范選定的洪水標(biāo)準(zhǔn)，采用頻率分析方法確定。如果施工設(shè)計洪水的重現(xiàn)期低于實測或調(diào)查的最大洪水的重現(xiàn)期時，也可直接采用經(jīng)驗頻率曲線推求施工設(shè)計洪水。

在推求分期施工設(shè)計洪水時，分期的劃分，除滿足施工設(shè)計的具體要求外，還應(yīng)考慮洪水的成因及季節(jié)變化規(guī)律。在分期時，要求各分期洪水不但在成因上，而且在數(shù)量級上（如分期洪水的均值、歷年最大值）、洪水過程線形狀和峰值出現(xiàn)全年最大值的可能性等方面，有比較明顯的差異。分期一般不宜短于1個月，特別是資料系列較短、洪水年際變化較大、相鄰期洪水的季節(jié)性差異不明顯時，為保證成果精度，分期時段更不宜過短。分期洪水的選樣方法和分期設(shè)計洪水的使用，有不跨期與跨期兩種：（1）不跨期選樣，即各分期的樣本，只在本分期時段范圍內(nèi)選取，若一次洪水過程跨越兩個相鄰分期時，視期洪峰流量或時段洪量的主要部分處在哪一分期內(nèi)，就作為該分期的樣本。由此選樣方法計算的各分期設(shè)計洪水，在使用時，如果某一分期的設(shè)計洪水比其相鄰分期的大，則允許將這一分期的設(shè)計洪水既作為本分期、也可作為跨越相鄰分期5~10d范圍內(nèi)的設(shè)計洪水。（2）跨期選樣，即各分期的樣本，可在本分期及跨越相鄰分期5~10d范圍內(nèi)選取。發(fā)生在兩相鄰分期交接處附近的洪水，允許同時選作這兩分期的樣本。由此樣本計算的各分期設(shè)計洪水，只作為本分期的設(shè)計洪水，不再跨期使用。由于分期洪水的實際變差較大，而且分期的歷史洪水調(diào)查考證比較困難，因此其頻率計算成果的誤差，比年最大洪水為大。為此，要從分期洪水設(shè)計值在年內(nèi)的分布是否符合該地區(qū)洪水的季節(jié)變化規(guī)律，以及比較分期洪水與年最大洪水頻率曲線是否相交等方面，作合理性分析。當(dāng)分期洪水設(shè)計值大于年最大洪水設(shè)計值時，應(yīng)以后者為準(zhǔn)修正前者。施工設(shè)計有時要求給出分期小于1個月的設(shè)計洪水，為此可根據(jù)分期不小于1個月的洪水頻率計算成果，將各分期同頻率的設(shè)計值，點繪稱設(shè)計洪水年內(nèi)分配圖，從中內(nèi)插確定小于1個月的分期設(shè)計洪水值。

設(shè)計洪水的期望概率表示所設(shè)計的水利設(shè)施在水文上破壞的可能性，因此也稱為破壞概率。

正文

在每一年內(nèi)，設(shè)計洪水被實際洪水超過的概率。它設(shè)以表示實際洪水,憫表示設(shè)計頻率為的設(shè)計洪水真值的估計值（因此憫亦為隨機變量），則期望概率即為事件(憫)的概率,記為(憫)?？梢宰C明，50%時利用通常的頻率分析方法(見設(shè)計洪水)所得的，(憫)的值一般恒大于。而且（樣本容量）、越小,相對差異越大。根據(jù)設(shè)計洪水的原來含義，設(shè)計洪水真值的一個正確的估計量，設(shè)記為，應(yīng)該滿足()=的條件,即期望概率等于設(shè)計頻率。期望概率概念的提出，就在于尋求滿足上述條件的一種。對于大型重要工程，為保證工程達到預(yù)測的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，采用做為設(shè)計值是必要的。對于一般工程，如并不要求必須以滿足上式的為設(shè)計值，也應(yīng)該對采用的設(shè)計值憫，求出其期望概率，以便對工程的實際安全程度有所了解。

期望概率的概念是20世紀(jì)60年代首先在美國提出的，并提出了計算方法。20世紀(jì)70年代，中國在期望概率的理論與計算方法方面，有新的發(fā)展。

要進一步解決流域匯流的問題，也就是如何根據(jù)設(shè)計凈雨過程推求流域出口斷面的設(shè)計洪水流量歷線，這種推算稱為匯流計算。流域出口斷面的洪水過程，包括地面徑流和地下徑流兩部分，由設(shè)計凈雨通過流域匯流推求設(shè)計洪水歷線時，首先應(yīng)將凈雨劃分為地面、地下凈雨兩部分，然后分別進行流域匯流計算，推求出設(shè)計地面徑流過程和設(shè)計地下徑流過程，兩者同時疊加，就得到總的設(shè)計洪水歷線。