洪水等级的三种划分方法[1].pdf

!东北水利水电!#年第$!期%第!$卷总!#期&洪 水 等 级 的 三 种 划 分 方 法洪水灾害是当今世界上造成损失最大的自然灾害之一，全世界每年各种自然灾害造成损失的(以上是由洪水带来的。中国所特有的地理位置、复杂多样的地形气候条件、广阔的疆域，尤其大陆性和季风性显著的气候，降水量和径流量时程上分配极不均匀，致使我国大部分地区处于洪水灾害的威胁之下，洪水灾害频繁且洪水量级较大。然而到目前为止，仍缺乏类似于里氏地震等级或蒲福风力等级的、能表征洪水及其灾情大小的最简单和最形象的统一指标。尽管近些年闵骞和冯利华等人曾探讨过洪水等级的划分问题，但缺乏足够的使用和推行依据。本文将依据洪水特有的属性和复杂性，进一步探讨洪水等级的划分问题。$洪水量级表示的复杂性洪水通常是指由大量降雨或冰雪融化及水库溃坝等引起的突发性高水位水流，其根本特征是水体水位的突发性上涨，超过正常水位，使沿岸遭受洪涝灾害。从其产生的后果来看，凡超过水体（江、河、湖、海、水库等）承受能力而造成灾害的水流都称为洪水（有害洪水）。因此，洪水按其发生的区域特征，可分为流域洪水和海岸洪水。河流洪水按其成因的不同，可分为暴雨洪水、融雪洪水、冰凌洪水、溃坝洪水等。表征河流洪水的特征值有洪峰水位、洪峰流量、洪水流速、洪水总量、洪水历时、洪峰模数和洪水涨落率等。水文学上，通常用洪峰流量、时段洪量或洪峰水位来反映和比较同流域上的洪水大小，但这些指标不能直接用来横向比较不同地区的洪水，更不能用来比较不同区域之间的洪涝灾情大小。比如，亚马孙河上巴西奥比多斯站上测得的最小流量为)!$*#+,，却比黄河花园口上出现的实测最大流量!#*#+,大三倍多，前者为最枯流量，后者却是特大洪水（重现期为-年）的最大流量（洪峰流量）。其原因在于河流洪水有其特定的产流与汇流过程，洪峰流量或洪峰水位取决于集水区内的降雨特性、流域特性、河槽特性及人类活动等因素。其中，降雨特性包括降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨过程及其空间分布等；流域特性包括流域面积、形状、坡度、河网密度及湖沼率、土壤、植被和地质条件等；河槽特性包括河槽断面、河槽坡度、糙率等；人类活动包括修建蓄水工程、植树造林、水土保持等措施。因此，不同流域面积的河流，包括同一流域的不同支流之间以及干支流之间，由于集水面积不同，河流水量往往相差很大，所以不能用洪峰流量来比较两个集水面积不同的河流洪水大小。河流的水位总是由上游向下游单调递减的，再加上山区性河流对水位具有敏感性，所以也不能用洪水位的高低来比较不同区域所发生的洪水大小。由此可见，依据洪峰流量、洪峰水位或时段洪量等特征值只能对同一区域洪水进行纵向比较，而不能对集水面积不同的河流或河段进行横向比较。而且这几项指标用于表示洪水大小时，人们不能立刻判断出洪涝灾情大小。.摘 要/本文分析了洪水要素的多样性和洪水的复杂性，提出了利用洪峰水位的标准化值（即洪峰水位超过正常水位的数值与可能最大洪水位超过正常水位的数值之间的比值）、洪水重现期和标准面积洪峰流量划分等级的三种方法，并对$001 年长江流域的洪水等级进行了分析。.关键词/洪水等级；洪峰水位；重现期；洪峰流量.中图分类号/23$!.文献标识码/4（$5 西华师范大学国土资源学院，四川 南充-#)!；!5 南京大学城市与资源学系，江苏 南京!$0#）许武成$，马劲松!，杨 霞$.文章编号/$!6-!%!#&$!6!6.收稿日期/!#6)6!#.作者简介/许武成%$0-&，男，四川邻水县人，高级讲师，从事教学与研究工作。!#年第$!期%第!$卷总!#期&东北水利水电!$!洪水等级的划分方法!$利用洪峰水位的标准化值划分洪水等级%$&闵骞洪水等级公式。闵骞于近年（$()年）提出了划分洪水大小的幂函数洪水等级公式!*$!#（#$）%&#+$%$&式中!洪水等级；#洪峰水位；警戒水位；&#年最高水位变幅。该式选用了洪峰水位#超过警戒水位 的数量%#$&与反映对水位敏感度因素的复合因素（年最高水位变幅的倒数），作为划分洪水等级的特征量，公式结构简单，具有一定的应用价值。但也存在着以下不足：警戒水位是该式的基础，是影响洪水等级划分结果的关键因素。但警戒水位是一个人为规定的特征量，随着自然条件和防洪能力的提高，警戒水位将会有相应的调整，因此该式得到的洪水等级将会因为不同时期警戒水位的不同而发生变化。而且在缺乏警戒水位的地区也无法计算,年最高水位变幅是该式的重要参数。由于统计年限的不同，年最高水位变幅也会有变化，这样使得同一次洪水在不同统计年限内计算得到的洪水等级也有所不同。显然，统计年限愈长，计算出的洪水等级愈小,该式只能计算超过警戒水位的有害洪水的等级，而不能计算警戒水位以下的洪水（无害洪水，类似于#级以下的无感地震）。%!&利用洪峰水位的绝对标准化值划分洪水等级。根据以上分析，不能依据洪峰水位大小直接对不同河流或不同河段的洪水进行横向比较，因此应进行标准化处理，将洪峰水位转化成能反映洪水量级大小的一个适合所有地区的特征量。事实上，闵骞洪水等级公式中将洪峰水位与警戒水位相减后，再与年最高水位变幅%能反映水位的敏感变化&相除所得到的特征量就是一种标准化变量。因此，为了避免选取人为规定的特征量警戒水位和洪水等级随统计年限的变化，可以利用洪峰水位与正常水位的差值反映洪水大小，利用可能最大洪水所对应的可能最大洪水位与正常水位之差值的倒数作为反映一个地区对水位敏感度的因素。即将洪峰水位作绝对标准化，得如下特征量来反映洪水等级：(#$)*+,$)%!&式中 用以划分洪水等级的特征量，这里称为洪峰水位的绝对标准化值；#洪峰水位；)正常水位，为随机变量水体水位总体的平均值，一般用多年平均水位近似代替；*+,-可能最大洪水所对应的可能最高洪水位，根据可能最大降水推求。为了使洪水等级与地震、风力等级数学结构相似，仍采用闵骞推出的幂函数等级公式：!*!&-%#&式中!取决于总等级数，即最大洪水等级，取决于起始等级。若洪峰水位等于正常水位时，起始等级为$，则 *$；并设最大洪水等级为$!，即#(*+,时，!*$!，则!*.，因此有洪水等级计算公式：!*$#$)*+,$&)+$%)&!利用标准面积（$/0!）洪峰流量划分洪水等级%$&流域规模等级划分。相同强度的暴雨，常常因为流域面积（集水面积）的不同，洪峰流量或时段洪量相差很大，因而不能简单地用洪峰流量或时段洪量来比较不同流域之间的洪水大小，按集水面积大小，流域可分成不同等级，其公式为：+*$1,（.）式中+流域等级；,流域面积，/0!。依据流域等级，流域可分为山坡流域、小流域、中等流域、大型流域、特大型流域和巨型流域六个规模类型，见表$。表$流域大小类型%!&利用标准面积洪峰流量划分洪水等级。骆承政根据全国 2 多个河段历史洪水调查和实测洪水资料综合分析，估算出我国不同流域面积可能达到的最大洪峰流量（表!），并将我国不同流域面积最大流量与世界相同面积最大流量进行比较，中国的最大洪水与世界最大洪水非常接近。3 4 科斯塔和骆承政根据美国、中国大陆和世界实测与调查到的各种流域面积的最大洪水流量资料，在双对数格纸上绘制得到了流域面积与最大洪峰流量关系曲线即最大洪水外包线。同一产流和汇流条件，相同强度的暴雨，洪峰流域类型流域面积,%/0!&流域等级+山坡流域5$5$小流域$#,5#$#+5!.中等流域#,5$!.#+5)大型流域$#,5$)#+5.特大型流域$#,5$.#+52巨型流域%$%2!东北水利水电!#年第$!期%第!$卷总!#期&表!中国不同流域面积最大洪峰流量估值标准面积洪峰流量%#()&洪水等级*!$!+,!,+$#$+!-!+-,-+.+/0/+$/$+$!12$!$流量随集水面积增加而增大。为便于比较不同地区的洪水，将各地不同流域面积的洪峰流量统一转换成集水面积为$3!的标准面积洪峰流量。根据标准面积洪峰流量大小，洪水可分成$个等级，见表#。表#洪水按标准面积$3!洪峰流量分级受暴雨、地形、地质、植被等多种因素影响，最大洪水的量级地区差异是很大的。骆承政根据我国各地的最大流量资料，绘制了我国标准面积（$3!）最大流量分布图和分区图，并分析了我国各地最大洪水量级分布特点。中国标准面积（$3!）最大流量$#()等值线的位置大体与年最大!-4 点雨量多年平均值,等值线相当。此线以东为我国主要暴雨洪水区，洪水量级地区差别大，最大洪水等级从-级到$级基本上有分布；此线以西暴雨洪水量级不大，不超过#级。!5#利用重现期（或频率）划分洪水等级洪水重现期!（年）等于洪水频率（6）的倒数（$(）。洪水频率是指洪峰水位#$、洪峰流量%$或时段洪量&等特征值出现的累积频率。洪水重现期或频率能科学地反映洪水出现的概率和防护对象的安全度以及洪水灾情的大小，而且也消除了流域面积这一因素，因而可以用作划分区域洪水等级的统一指标。我国水利部和建设部也依据洪水重现期指标颁布了国家防洪标准（78,!$9 1-）。利用洪水重现期指标可以将洪水划分为$!个等级，见表-。一般地，将洪水等级 :$的洪水称为小洪水，二级洪水为一般洪水，三级洪水为较大洪水，四级洪水为大洪水，五级洪水为特大洪水，六级以上为非常洪水。根据洪水等级指标可以确定各类防护对象的防洪标准。比如我国城市的防洪标准为：特别重要的城市（!级城市，非农业人口%$,万）防洪标准为 0 级（%!年一遇），重要城市（级城市，非农业人口$,+,万）防洪标准为.级，中等城市（#级城市，非农业人口,+!万）防洪标准为,级，一般城市（$级，非农业人口#!万）防洪标准为-级（,+!年一遇）。水库工程水工建筑物的校核标准，当采用土石坝且对下游造成重大灾害时，!级建筑物的校核标准为$!级洪水（$万年一遇），级建筑物的校核标准为$级洪水（,到$年一遇），#、$、%级水工建筑物的校核标准分别为$，1，/级洪水。利用洪水重现期确定洪水等级时应注意：（$）划分洪水等级时，河流洪水常采用洪峰流量或时段洪量的重现期，海岸洪水采用潮位的重现期。（!）洪水频率计算是确定洪水等级的关键。在洪水频率计算中，按年最大值法选取样本系列，首先对实测水文资料可靠性进行审查、代表性进行分析、一致性进行检查，并对历史洪水的调查资料进行复核后，选取;9#型分布模型，按配线法（适线法）计算洪水频率。（#）若甲地洪水等级比乙地大，表明甲地受到洪水的威胁比乙地大，但并不能说明甲地洪水的洪峰流量比乙地大。表-洪水等级划分标准%下转第#页&流域面积%3!&最大流量%#()&$0-$-!$,$#-$.!洪水频率%6&洪水重现期!%年&洪水等级 2!*,$!+$,+$!$+,$+!#,+!+,-!+$,+$,$+5,$+!.5,+5!+,05!+5$,+$/5$+5,$+!15,+5!+,$5!+5$,+$*5$2$!#年第$!期%第!$卷总!#期&东北水利水电#进行观测。裂缝观测的周期视裂缝的发展情况而定。裂缝发生的初期，应每天观测至少一次，当裂缝有显著的发展和外江水位较高时，每天观测!(#次，当裂缝有突变时，每!()观测一次；暴雨后、高水位时和水位骤降时需要加密观测。每次观测都要做好相应的观测记录，然后整理成果，作为最终的成果资料保存。当采取工程保强措施、裂缝发展缓慢后，可以减少为每周一次或每月两次。*观测成果整理和分析预测%$&观测成果整理。整理裂缝的观测成果，绘制成下列图表：!绘制裂缝分布图，将裂缝绘在平面图上，并注明编号；裂缝平面形状分布图，对于重要和典型的裂缝，可绘制较大比例尺的平面图或剖面展视图，在图上注明观测成果，并将有代表性的几次观测成果绘制在同一张图上，以便于分析比较；#裂缝发展过程图：对于重要裂缝，可用+,-./电子表格的图表功能绘制裂缝的宽度、长度随时间变化的过程线图，同时绘出相应的水位、气温、混凝土温度过程线，以便于分析比较。$编制裂缝考证表。%!&分析预测。通过对原始观测资料进行客观和全面的分析，力求正确地反映真实情况和规律，使所获得的观测资料能更好地分析裂缝产生的原因和它对堤防安全的影响，以便及时地采取有效的措施处理安全隐患。!查找问题。从发展过程和分布关系上发现特殊的观测值，联系外界条件及结构因素进行考查，了解其是否符合正常变化规律或是否在正常变化范围之内。预测变化。根据所掌握的规律，预测未来一定条件下测值的变化范围或估计其发展趋势、变化速度和可能后果。#判断安全。对已有测值进行分析，判断过去一段时期内的运行状态是否安全正常，并对今后可能出现的最不利条件的组合下的堤防安全作出预先判断。#$001 年长江洪水的等级分析长江流域面积约$1 万 23!，为巨型流域。其支流众多，同一年份的洪水由于受到洪水来源和洪水地区组成的影响，各河段洪水量级大小并不相同，很难用一个等级来表达。即使同一河段，用洪峰和时段洪量的重现期划分出的等级也可能不相同。$001 年长江洪水是自$0*年以来又一次全流域性洪水。长江干流主要控制站宜昌、螺山、汉口等站洪峰流量均小于$0*年，其中宜昌站最大洪峰流量为 4#3#5 6，其重现期为 4(1 年，洪峰等级为!，属一般洪水；各主要支流控制站的最大洪峰流量重现期均在#年以下，洪峰等级低于 级。宜昌站最大#7 洪量与$0*年相当，重现期为$年，最大 4 7 洪量比$0*年多 08 亿 3#，其重现期超过$年，可见洪量等级超过*级，为特大甚至是非常洪水。但中下游的洪水情况与$0*年有所不同。$0*年长江中下游堤防多处溃口和分洪，分蓄洪水总量高达$!#亿 3#；而$001 年主要是洲滩民垸溃决，仅分蓄洪水$余亿 3#。如果都将溃口和分洪的水量还原到河中去，采用总入流方法统计洪水的组成，则螺山和汉口时段洪量均小于$0*年，总入流最大#7 洪量重现期为#年左右，最大 4 7洪量重现期为*年左右，洪量等级介于 到*，为大到特大洪水。由于资料和条件限制，这里只对$001 年长江洪水根据重现期作等级分析。结 语从上面分析可知，洪水等级是描述洪水大小的简易指标。由于洪水要素的多样性和洪水的复杂性，洪水等级可以从不同角度进行划分。通常可根据洪水重现期确定洪水安全度等级，但同一洪水，其洪峰流量、时段洪量和洪峰水位的安全度等级可能不同，而且同一河流的不同河段所发生的洪水等级也常常不相同。根据洪水安全度等级可以制定防洪标准和防洪规划及洪泛区的利用规划。但同一安全度等级的洪水，在不同流域其洪峰流量、时段洪量和造成的灾情损失常常各不相同。等级愈高的洪水，灾情及受灾程度将愈大。在有条件的地方，要重点探讨将不同条件和不同集水面积的河流的洪峰流量转换成标准面积洪峰流量，进而确定洪峰标准等级，并进一步研究利用洪峰标准等级进行防洪标准的制定和防洪规划等。尤其要研究各地可能最大降水、可能最大洪水、可能最高洪水位和洪峰水位的标准化研究，利用洪峰水位的绝对标准化值对洪水等级进行划分。)%上接第!页&!#$%&()*+,-).$&/$)&%01 2)3*42*#3)3$&!#$%&()*+&,-%./0&1()*&,2-3.%&4()*52()567#3*)+38!#$%&()%(*+,-.%/#0 1,.#0 2/%/,(2%$,-34#5 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