河道断面洪水计算
第五章 河道洪水演算及实时洪水预报
第五章 河道洪水演算及实时洪水预报河道洪水演算，是以河槽洪水波运动理论为基础，由河段上游断面的水位、流量过程预报下游断面的水位、流量过程。
本文着重介绍马斯京根洪水演算方法以及简化的水力学方法。
5.1 马斯京根演算法马斯京根演算法是美国麦卡锡(G . T. McCarthy)于1938年在美国马斯京根河上使用的流量演算方法。
经过几十年的应用和发展，已形成了许多不同的应用形式。
下面介绍主要的演算形式。
该法将河段水流圣维南方程组中的连续方程简化为水量平衡方程，把动力方程简化为马斯京根法的河槽蓄泄方程，对简化的方程组联解，得到演算方程。
5.1.1 基本原理该法的基本原理，就是根据入流和起始条件，通过逐时段求解河段的水量平衡方程和槽泄方程，计算出流过程。
在无区间入流情况下，河段某一时段的水量平衡方程为122121)(21)(21W W t O O t I I -=∆+-∆+ (5-1) 式中：1I 、2I 分别为时段初、末的河段入流量；1O 、2O 分别为时段初、末的河段出流量；1W 、2W 分别为时段初、末的河段蓄量。
河段蓄水量与泄流量关系的蓄泄方程，一般可概括为)(O f W = (5-2)式中：O 为河段任一流量O 对应的槽蓄量。
根据建立蓄泄方程的方法不同，流量演算法可分为马斯京根法、特征河长发等。
马斯京根法就是按照马斯京根蓄泄方程建立的流量演算方法。
5.1.2 马斯京根流量演算方程马斯京根蓄泄方程可写为Q K O x xI K W '=-+=])1([ (5-3)式中：K 为蓄量参数，也是稳定流情况下的河段传播时间；x 称为流量比重因子；Q '为示储流量。
联立求解式(5-2)和(5-3)，得到马斯京根流量演算公式为1211202O C I C I C O ++= (5-4)其中：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∆+-∆--=∆+-+∆=∆+--∆=t Kx K t Kx K C t Kx K Kx t C t Kx K Kx t C 5.05.05.05.05.05.0210 (5-5) 1210=++C C C (5-6)式中：0C 、1C 和2C 为马斯京根洪水演算方法的演算系数，，都是K 、x 和t ∆的函数。
防洪工程常用计算公式
(式中：Qm设——洪水设计流量；Fs——设计控制面积；Fz——附近典型水文站的控制面积；Qmz——水文站的标准流量。)
⑵经验公式设计洪水：经验公式有两种计算公式。
一是洪水面积相关法：Qm=KnFn
(式中：Qm——洪水设计流量；Kn——不同重现期的8个洪水频率系数和不同分区的6个地形系数，洪水设计计算系数是28-48个系数；Fn——控制面积，F上面的n是面积系数。面积系数是12-24个，根据地形地貌状况确定。这种计算方法在1000平方公里内可以应用，超过1000平方公里控制面积慎用。在《XXX水文手册》里面可以查到。)
洪水的类型：洪水的类型一般分为六种，一是暴雨洪水，暴雨洪水又分为山洪和泥石流两种。二是融雪洪水，三是冰川洪水，四是冰凌洪水，五是雨雪混合洪水，六是溃坝洪水。
洪水分级：根据国家《水文情报预报规范》，按洪水重现期的大小，把洪水分为常见洪水（8-10年一遇）、较大洪水（10-50年一遇）、大洪水（50-150年一遇）、特大洪水（大于50年一遇
明渠等速流洪水的类型和水力计算要素：
①梯形断面的过水断面面积计算公式：ω=（b+mh）h
(式中：ω——过水断面面积，单位：平方米；b——底宽，单位：米；h——水深，单位：米；m——边坡系数，表示斜坡的垂直距离每增加1米，则水平距离相应增加m米；)
过水断面宽度计算公式：B=b+2mh
⑷蓄满产流：年降雨量充沛，地下水位高，包气带土层不厚，下层容易常达田间持水量，缺水量不大，不容易形成超渗产流，在土壤缺水量满足后全部产生径流的蓄流方式，称为满蓄产流。
⑸汇流过程：降雨或者溃坝形成的洪水，从产生的地点到流域出口断面的汇集过程，称为汇流过程。也可以称为流域汇流。流域汇流分为坡地汇流和河网汇流两个阶段。
河道系统治理设计洪水计算分析
河道系统治理设计洪水计算分析摘要：在河道治理防洪设计过程中，设计洪水计算是必不可少的，其结果为河道断面尺寸拟定、建筑物布置、岸坡防护等各项参数的确定提供依据，洪水分析成果的合理性对整个项目影响甚大。
不同于水库设计洪水计的计算，河道系统治理需要对一条河从河源至入河口的整条河道进行分析。
由于河道水面线的推求一般采用河道分段恒定非均匀流方法，河道的设计流量相应地根据沿流程支流汇入的情况分段给出，汇总各段河道的设计流量得到整条河的设计流量。
本次以清水河设计洪水分析计算为例，分析计算河道设计流量和水面线的计算步骤、方法及成果。
关键词：河道;系统治理;设计洪水;水面线引言清水河流域无长系列的流量及降雨资料，因此无法直接推求河道设计洪水，本次分析流域特点及情况，采用经地方刊布的洪水计算办法进行间接计算。
1、流域划分及流域参数根据清水河流域及支流情况，将清水河分为水库、余家河渡槽、枣木河口及清水河口四个节点，并根据流域1:10000地形图及实测流域1:1000地形图分析计算各节点流域参数。
经分析水库坝址以上流域面积 5.4km2；水库至余家河渡槽区间流域面积37.4km2；水库至枣木河口流域面积73.0km2；支流枣木河流域面积67.2km2；清水河口以上流域面积145.6km2。
2、设计洪水分析根据《安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》以及流域参数查图及表格确定流域1h及24h时段点雨量均值及Cv、Cs，以及模比系数Kp及点面折减系数等，由此推求流域设计面暴雨量。
本次工程流域属于江淮地区浅山～丘陵区，利用该办法计算面净雨量时，应扣除相应损失量。
成果见表1。
表1清水河洪水计算主要参数成果表分析河道流域内水工建筑物情况，河道上游建有一座小1型水库，故河道洪水主要由两部分组成，分别为：①水库下泄洪水；②河道自身区间汇水，包括干流汇水及其支流枣木河汇水。
因此需对水库调洪后的下泄流量及河道自身区间流量分别进行分析计算，之后对成果进行叠加方得最终洪水流量。
河道防洪水面线的计算分析
河道防洪水面线计算涉及大量水文、地形、工程等数据， 数据的获取和处理难度较大，对数据质量和精度要求较高 。
模型预测能力有限
当前模型主要基于历史数据和经验公式进行构建，对于未 来极端气候事件和人类活动影响的预测能力有限。
未来发展趋势预测
加强模型普适性研究
未来将进一步拓展模型的适用 范围，提高模型对不同河流类 型和防洪需求的适应性，实现 模型的通用化。
实例背景介绍
河流概况
位于我国南方的一条中型河流， 流域面积广，水流湍急，洪水频 发。
防洪需求
为保障沿岸城市和农田的安全， 需对该河流进行防洪规划，确定 合理的防洪水面线。
数据收集和整理过程
水文数据收集
工程设施数据
收集河流历史洪水数据、降雨数据、 水位数据等。
收集河流上已有的水库、堤防等工程 设施的设计和运行数据。
水流特性对防洪水面线影响
水流流速
流速越大，水面线越高， 需要更高的防洪标准。
水流流向
流向改变会导致水流紊乱 ，产生局部壅水和降低防 洪能力。
水流含沙量
含沙量大会导致河床淤积 ，降低河道泄洪能力。
不同断面形态下计算方法选择
矩形断面
可采用一维水动力学模型进行计算分析，如圣维南方程组等 。
梯形断面和复合断面
要点一
影响因素
河道防洪水面线受多种因素影响，主要包括河道地形、地 质、水文、气象等自然条件，以及水库、堤防、分蓄洪区 等防洪工程措施。
要点二
变化规律
河道防洪水面线的变化规律主要表现为沿程水位的逐渐降 低。在洪水传播过程中，由于河道糙率、断面形态、水流 流态等因素的影响，洪水波会逐渐坦化，波峰降低、波谷 升高，导致沿程各断面的洪水位逐渐降低。同时，随着洪 水向下游传播，由于河道比降逐渐减小、河床糙率逐渐增 大等因素的影响，河道防洪水面线的降低速度会逐渐减缓 。
防洪工程常用计算公式
防洪工程常用计算公式2010-8-28 强新泉摘自新浪强新泉的博客在抗洪抢险中，经常遇到一些技术问题，也就是暴雨、洪水、河道、水库的设计洪水、校核洪水、河道过洪能力计算问题，本人把一般常用的水利水电工程计算公式摘录如下，以供大家在抗洪抢险中参考、探讨：㈠暴雨洪水设计⑪暴雨设计：暴雨：12小时降雨量达到30毫米或者24小时降雨量达到50毫米时称为暴雨。
每小时以内的降雨量达到20毫米也称为暴雨。
设计暴雨的计算公式：①设计点雨量计算公式：Htp=KpHt(式中：Ktp——设计点雨量；Kp——皮尔逊曲线值；Ht——最大雨量均值；t——欲求时间；)②设计面雨量计算公式：Ht面=atHt（式中：Ht面——设计面雨量；at——暴雨线性系数；Ht——设计历时点雨量；at、bt——暴雨线性拟合系数；）③暴雨系数计算公式：at=（式中：at、bt——线性拟合参数；F——流域面积；）④多年平均径流量计算公式：Wp=1000yF(式中：Wp——多年平均径流量；y——多年平均径流深；F——流域面积；)⑤设计频率年径流深计算公式：yp=yKp(式中：y——多年平均径流深；Kp——频率模比系数；)⑥多年平均年径流系数计算公式：α=y/x =W/1000Fx（式中：α——多年平均年径流系数；y——年径流深；x——多年平均降雨量；）⑫洪水设计：①洪水特征：一般常用洪峰流量、洪水总量、洪水过程线三个要素表示。
洪水设计的概念：一次降雨形成的洪水过程线，反映洪水的外形，过程线上的最大值就是洪峰流量，用Q表示。
洪峰最高点就是洪峰水位，用Z表示。
洪水过程线和横坐标所包围的面积，经过单位面积换算求得，就是洪水总量，用W表示。
洪水过程线的底宽是洪水总历时，用T表示。
从开始涨水到洪峰流量的历时称为涨水历时，用t1表示。
从洪峰到洪水下落到终止的历时称为落水历时，用t2表示。
洪水总历时等于涨水历时和落水历时之和。
即T=t1+t2。
一般情况下，一次降雨形成的洪水过程称为单式洪水过程。
排水沟、截水沟等(洪峰流量)是如何计算来的？
排洪沟编号集雨面积（km 2）（河长）沟长(km)平均坡降(‰)洪峰流量(m 3/s)1#0.0130.2231.80.0982#0.0060.1643.80.048R—水力半径；χ—排水沟断面湿周；C—谢才系数；排洪沟断面按明渠均匀流公式谢才公式计算：R=A/χC=R 1/6/n式中： Q—设计坡面最大径流量；A—排水沟断面面积； ＝85mm，Cv6＝0.50=140mm，Cv 24＝0.45 根据项目区1：10000地形图量测区内各溪流集雨面积、河道长、坡降，其它参数参照当地水文部门提供的数据，分别计算两条排洪沟10年一遇的洪峰流量，详见表5-5。
表5-5 项目区排洪沟设计洪水社硎排水沟是如何计算（3）排洪沟水力计算 社硎村兰前后山经常由于暴雨产生漫流，损毁房屋基础以及农田，项目设置两条排洪沟，汇集山坡漫流，直排入河。
因流域内无实测水文资料，采用推理公式由暴雨推求设计洪水，暴雨参数由《福建省暴雨等值线图》查得： ＝48mm，Cv1＝0.45hH 1h H 6h H 24h H 1h H 6hH 24RiC A Qn—沟渠的糙率，浆砌石明沟取0.025；i—沟道比降。
经计算，设计排洪沟断面能满足洪水过流要求。
下面这个表我是从其他《水土保持方案》复制过来的，他们是从那里查来的？是不是其他项目也可以用？根据《福建省暴雨等值线图》和《中国暴雨统计参数图集》，项目区暴雨特征值见表4-1。
设计频率暴雨值（mm,P= %)中的（P= %)表示什么意思？ 是不是表示1小时的平均降水量48mm？ 是不是表示6小时的平均降水量85mm？ 是不是表示24小时的平均降水量140mm？A—（是不是表示要求得排水沟的断面面积？）式中R（从那里来？）R是不是水力半径RQ—设计坡面最大径流量；（从那里来？）R—水力半径；（从那里来？）C—谢才系数；（从那里来？）χ—排水沟断面湿周；（从那里来？）Cv6＝0.50是表示什么意思？Cv24＝0.45是表示什么意思？Cv1＝0.45是表示什么意思？hH 1hH 6hH 24n—沟渠的糙率，（从那里来？）浆砌石明沟取0.025；（从那里来？）i—沟道比降。
洪水频率计算(规范方法)
附录A 洪水频率计算A1 洪水频率曲线统计参数的估计和确定A1。
1 参数估计法A1。
1。
1 矩法。
对于n 年连序系列,可采用下列公式计算各统计参数： 均值∑==ni i X n X 11 （A1）均方差 ∑=--=ni i X X n S 12)(11或 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=∑∑==n i n i i i X n X n S 1212)(111 （A2）变差系数XSC v =(A3）偏态系数3313)2)(1()(vni i s C X n n X X n C ---=∑=或 3313112132)2)(1()(23vn i ni i ni i ni i i sC X n n n X X X n X n C --+⋅-=∑∑∑∑==== （A4)式中 X i —-系列变量（i=1，…，n ）; n —-系列项数。
对于不连序系列,其统计参数的计算与连序系列的计算公式有所不同。
如果在迄今的N 年中已查明有a 个特大洪水(其中有l 个发生在n 年实测或插补系列中)，假定(n-l)年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的（N —a)年系列的相等,即l n a n l n a N S S X X ----==,，可推导出统计参数的计算公式如下：)(111∑∑+==--+=nl i i a j j X l n a N X N X （A5）⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+--=∑∑++==n l i i a j jv X X l n a N X X N XC 1212)()(111 （A6）331313)2)(1()()(vn l i ia j j s C X N N X X l n a N X X N C --⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+-=∑∑+== （A7） 式中 X j ——特大洪水变量(j=1,…,a ）；X i ——实测洪水变量(i=l +1，…，n ）。
A1。
1。
2 概率权重矩法。
概率权重矩定义为⎰=10)(dF x xF M j j j=0,1，2，… （A8）皮尔逊Ⅲ型频率曲线的三个统计参数不能用概率权重矩的显式表达。
洪水计算
洪水计算㈠、洪水设计标准大乐亭水库属小（二）型水利工程，其等级划分按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），该工程为五等五级建筑，对山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑的洪水标准其重视期按30—20年一遇设计，300—200年一遇校核，因此，洞甲水库采用防洪标准按30年一遇设计，300年一遇校核。
㈡、洪水复核大乐亭水库坝址以上集雨面积为1.35km2，由于集雨面积及其上下游无水文站，无法取得确切的水文资料，其洪水计算采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册（修订本）小汇水流域部分》中简化公式进行计算。
①、洪峰流量的计算采用公式QP=ψp″F0.89式中：Qp—相应频繁下的洪峰流量（m3/S）ψp″—经验性系数（设计时为23.8，校核时为43.0）F—坝址以上集雨面积km2即设计洪峰流量为16.89m3/S，校核洪峰流量为30.51 m3/S，②、洪峰总量的计算采用公式W p=0.1CH24F式中：W p—洪水总量（万m3）C—径流系数（设计时0.86，校核时为0.88）H24—最在24小时降雨量（设计时254mm，校核时为390mm）F—集雨面积即设计洪水总量为14.85万m3，校核洪水总量为23.34万m3㈢、水库调洪计算水库流域面积小，库容也很小，暴雨汇流时间短，无合适的流量过程线可套用，因此，采用三角形概化法进行水库的调洪计算。
水库的泄洪流量按下式计算：q=MEBH3/2式中：m—流量系数，取m=0.36E—侧收缩系数，E=0.95B—溢流堰宽，B=7.6mH—堰上水头（m）水库水量平衡用下式计算：（Q1+Q2）/2▽t-（q1+q2）/2▽t=V2-V1=▽V式中：Q1、Q2—进段▽t始、未的入库流量（m3/S）q1、q2—时段▽t始、未的水库蓄水量m3▽t—计算时段（秒）水库泄流方程式：q=f（V）联解水量平衡方程和泄流高程，用公式算法，即可求得最大泄洪流量和最高洪水位，详见附表2、附表3、附表4，设计洪洪水过程公式的推求：洪水过程线采用概化三角形线，洪水历时采用下式计算：T=2W p/Q m小时式中：W—洪水总量（m3）Qm—洪峰流量（m3/S）涨洪历时t1与退洪历时t2的比例，即：t1：t2=2据此作出洪水过程线图。