水文学概论：洪水特征及影响分析

1.洪水特征值

当大量径流短时间汇入河网，河流水量迅速增加，水位急剧上涨，而后随着径流汇入量的减少和停止，河道水位、流量又逐渐减少，这一过程就是河道洪水。河道洪水是各类水工建筑物，河道防洪、堤防和各类桥涵设计和管理运行的依据。研究洪水形成及其运动规律，是水文学的重要任务。

图8.1　洪水过程线示意图

通常用洪峰流量、洪水总量和洪水总历时这3个要素来描述洪水特征。图8.1所示为一次洪水过程线，其最大值为洪峰流量，洪水过程线与横坐标所包围的面积即为洪水总量，洪水过程线的底宽即为总历时。洪峰流量为Qm，洪水总量为W，洪水总历时为T。洪水总量W是指在一次洪水过程中通过断面的总水量。

式中　W——洪水总量，m3；

Qi-1、Qi——第i时段初、末流量，m3/s；

Δti——第i时段的时段长，s。

若取等时段，且一般起涨流量和终止流量相对较小，并近似相等，则洪量的计算公式变为

式中　Δt——时段长，s；

Qi——各时段初始时刻流量，m3/s；

其余符号同前。

2.洪水成因

根据洪水的形成原因，洪水主要分为暴雨型洪水和融雪型洪水两种类型。

暴雨型洪水主要发生在热带、亚热带和温带地区的河流。这种类型的洪水，受暴雨量、强度、历时和空间分布的影响，具有多变性。我国洪水主要为暴雨型。暴雨型洪水又可分为：①雷暴雨洪水，也称骤发暴雨洪水。局部地区因强对流作用，挟带水汽的气流急剧上升而产生雷暴雨。由于这种雷暴雨雨强大、历时短、雨区小，常在小流域上形成陡涨陡落、峰高量小的洪水过程，往往造成严重的灾害；②台风暴雨洪水。由于台风能挟带大量降水，常在我国东南沿海登陆，也可深入到湖北、河南东南部。台风暴雨洪水峰高量大，能形成洪水威胁。1975年8月淮河上游发生特大台风暴雨洪水就是一例。与台风暴雨洪水相似的还有大陆上低压涡在移动过程中不断增强，形成暴雨引起洪水，如1963年8月海河流域发生的特大洪水；③锋面暴雨洪水。因受冷暖气团交绥而产生的暴雨所引起的洪水。锋面雨一般历时长，强度较小，降雨总量大，往往造成较严重的洪水灾害。

融雪洪水又可分为两类：①积雪融化洪水，如中国东北部分地区、俄罗斯、北欧、北美部分地区；②融雪与降雨混合，以融雪为主的洪水：这类洪水受积雪场地气候及其他条件的影响，情况比较复杂，其过程与单一融雪洪水大不相同。它可能比纯融雪洪水的洪峰更平缓，历时更长，降雨可能直接加高洪峰，增大洪量。由于融雪范围内热量变化相对较小，暴雨区的暴雨变化大，因此融雪洪水的年际变化和年内变化都较暴雨洪水为小。

3.影响洪水的因素(www.xing528.com)

影响洪水的主要因素为天气因素、流域下垫面因素两类。

（1）天气因素。我国河流的大洪水主要是暴雨形成的，而一次暴雨总量、暴雨强度及其时空分布，决定了一个流域的洪水及其特征。决定暴雨特性的天气因素，主要是气流的上升运动强弱及持续性，另外还有水汽输送情况。有利于上述天气因素的天气系统，如气旋波、静止锋、台风等的出现，就易于形成暴雨洪水。

（2）流域下垫面因素。坡度大，植被少，土壤透水性差的流域，易造成陡涨陡落的大洪水。大流域洪水过程线较平缓，而小流域则反之。流域内高大的山脉，对气流有抬升作用，容易形成地形雨。通常迎风坡雨量大，而背风坡雨量小。如河北“63·8”暴雨，中心在太行山东侧，河南“75·8”暴雨，中心在伏牛山余脉东麓，都在山脉的迎风坡。

4.河流洪水波特征值出现次序

稳定流条件下的最大流量、最高水位、最大流速和最大比降等特征值是同时出现的。但洪水波的这些特征值并不出现在同一时刻。现作简要分析。

图8.2　上下断面洪水流量过程线

在无支流汇入的河段，上、下两相邻断面的流量过程线如图8.2所示，由图可见涨洪段上游流量大于下游流量，落洪段则是下游流量大于上游流量。由于洪水波的传播及变形，故下游站的洪峰Qm下晚于上游站的洪峰Qm上的出现时间，且Qm上＞Qm下。洪峰过后，上游站的流量减少率大，下游站的减少率小，这样使上下断面两过程线的交点k位于两断面的洪峰之后，即交点k的相应时刻tk处，此时两相邻断面流量相等，即流量无沿程变化；即（∂Q/∂l）=0。而由连续方程式=0可知，当∂Q/∂l=0时，必然有∂A/∂t=B（∂h/∂t）=0，即∂h/∂t=0，这意味着tk时刻水位出现极值，即此刻下断面水位达到最高值。

从图8.2可知，此时下断面洪峰（即最大流量）已先期出现，所以最高水位出现时间稍迟于最大流量。

当最大流量出现时，dQ/dt=0，相当于

从上述分析得知，出现最大流量时，水位还在上升，这意味着（d A/dt）＞0，因此要使式（8.11）等于零，必须有（dv/dt）＜0。而这表明，出现最大流量时，流速已在下降阶段，即最大流速出现在最大流量之前。

依据谢才公式，，两边同时平方，有，v2=C2hs，对其两边微分，有

当出现最大流速时，（dv/dt）=0，表明

而上述分析看出，最大流速出现时水位在上升，即（d h/dt）＞0，因而要让上式成立，必须有（ds/dt）＜0。于是，可知最大比降出现在最大流速之前。

综上所述，对于单一洪水波，任意断面上洪水波的最大特征值出现次序是：最大比降、最大断面流速、最大流量、最高水位。