第四章 设计洪水流量

（3）考虑特大洪水时经验频率的计算
不连序系列经验频率（考虑特大洪水时经验频
率）计算：
设调查及实测(包括空位)的总年数为 N 年（即 首位特大洪水的重现期），连续实测期为 n 年（n 包 含在 N 中），共有 a 次特大洪水，其中有 l 次发生
在实测期，a - l 次是历史特大洪水。
a l
追 溯 最 远 年 份
胁。对公路桥梁工程来说，在发生洪水时，必须保
证桥梁能安全宣泄洪水，公路能畅通。因此，在规
划设计公路桥梁时，桥涵的孔径、桥梁的高度、墩 台基础的埋置深度、调治构造物的尺寸等，都应根
据洪水的大小来设计。
但河流的洪水有大有小，用多大的洪水来设计 桥梁？这就需要有一个标准，这个标准称为设计洪 水标准，用频率（或重现期）表示，称为设计洪水 频率。 确定设计洪水频率后，可以按照一定的方法推 求相应于该频率的设计洪水流量，简称设计流量， 以及相应的设计水位、设计流速和过水断面面积， 作为桥孔设计、墩台冲刷计算的依据。
【例4-2】东北某桥位河段有1935~1960年实测资料， 其中，1960年为特大洪水，洪水位 Z1960 . 并调查到 1888年（光绪十四年）发生的特大洪水，洪水位 Z1888 . 并考证到1810年（嘉庆十五年）发生的特大洪 水，洪水位 Z1810 . 经过对历史文献的论证，上述三次 洪水排序为： Z1960 > Z1810 > Z1888 26年实测系列中排第二位的是1945年，洪水位 Z1945 .
4.1.2
设计洪水标准
（Design Criterion of Flood）
设计标准由国家统一制定。桥涵工程依据：交通
部颁布的《公路工程技术标准》（JTJ001-97）和
《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2002）。
首先根据《公路工程技术标准》确定公路的等级 和桥梁的大小，然后按照《公路工程水文勘测设计规 范》，确定设计洪水频率（或重现期），最后推求相 应于该频率的设计流量，以及相应的设计水位、设计
（2）连序系列和不连序系列
连序系列（ complete n-year series ）：洪水样本中每
一项从大到小排位，序号是连续顺位排列的系列。如：
实测系列。
不连序系列（ incomplete N-year series ）：洪水样本 加入特大洪水后的系列称为不连序系列，即从大到小 排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位的 系列。如：加入历史调查洪水的系列。
第 4 章 设计洪水流量
与设计水位计算
Chapter 4 Calculation of Design Flood Flow and Flood Water Level
§4.1 概 述（Introduction）
4.1.1 设计洪水的意义及内容
桥梁、涵洞、堤防、水坝和城市防洪工程，在
未来长期运行过程中，随时都面临着洪水破坏的威
不连序系列经验频率和统计参数的计算方法与
连序系列有所不同。这样，就要研究有特大洪水的
不连序系列的排序和频率计算以及参数估计的方法，
称为特大洪水处理。
特大洪水的排序，对可以定量的特大洪水，可 根据洪峰流量的大小进行排位。对无法定量的历史 调查洪水，可根据历史文献记载中不同次洪水的雨 情、水情、灾情的描述分析比较后确定序位。
ml nl 1 (0 ~ 1)
m = l + 1， l + 2， · · ·，n
x 然后按（ 1- PMa ） 为比例缩小，并接到 PMa 之后，最后得：
P(%)
ml Pm PMa (1 PMa ) nl 1 a a ml (1 ) N 1 N 1 nl 1
列的各项可在调查期限N年内统一排位。
特大洪水的经验频率为：
M PM N 1
式中，M = 1，2，…，a
(4 1)
最后一项的经验频率： x
PMa a N 1
一般洪水的经验频率为: 剩下 N – a 项的频率范围 为：1-PMa ，而实际
PMa 100 P(%)
只知 n – l 项。先将 n –l 项在 0 ~ 1 内计算经验频率：
主要从人类活动影响和下垫面的改变来审查。若不
能满足一致性要求，则需进行一致改正。
（3）资料代表性的审查与插补延长 洪水系列的代表性，是指该洪水样本的频率分布
Baidu Nhomakorabea
与其总体概率分布的接近程度，如接近程度较高，则
系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之 较低。 样本对总体代表性的高低，可通过对二者统计参 数的比较加以判断。但总体分布是未知的，无法直接 进行对比，人们只能根据对洪水规律的认识，与更长 的相关系列对比，进行合理性分析与判断。
3、洪峰流量频率分析方法 （1）问题的提出
特大洪水的处理
① 什么叫特大洪水
比系列中一般洪水大得多的稀遇洪水（rare flood）
称为特大洪水（extraordinary flood），并且通过洪水
调查可以确定其量值大小及其重现期者。
特大洪水可以发生在实测记录期间的n年之内，
也可以发生在实测期的n年之外，前者称资料内特大
桥梁
1/100
涵洞
1/50
1/300
Ⅲ
1/50
1/50
1/100
设计标准越高（频率越小），设计洪水越大， 设计的工程越安全，被洪水破坏的风险就越小，但 工程的造价越高；反之，标准越低（频率越大）， 工程耗资较少，但安全程度也相应降低，被破坏的 风险就较大。
4.1.3 设计洪水的计算途径
1、由实测流量资料推求；
流速和过水断面面积。
桥梁涵洞分类 桥涵分类
特大桥
多孔跨径总长 L (m) L ≥ 500 100 ≤ L < 500
30 < L <100
单孔跨径 L0 (m) L0 ≥ 100 40 ≤ L0 < 100
20 ≤ L0 < 40
大 桥
中 桥
小 桥
涵 洞
8 ≤ L ≤ 30
L<8
5 ≤ L0 < 20
设计资料：桥位断面实测年最大洪峰流量系列及若干
次历史调查洪水资料；实测水位~流量关系、水位~流
速关系、水位~过水断面关系等。
4.2.1 设计洪峰流量的推求
1、选样（sampling） 年最大值法选样，组成容量为n的年最大洪峰流 量系列，以及若干次历史调查洪水资料。一般要求桥 位断面洪水系列 n > 30a，并有若干次特大洪水（实
后在滹沱河调查到1794、1853、1917和1939年4次 特大洪水，将1956年洪水和历史调查洪水作特大值处 理，得千年一遇设计洪峰 Qm= 22600m3/s，比原设计值 大得多。1963年又发生了一次大洪水，洪峰流量为 12000m3/s，再将其作为特大洪水也加入样本，得千年 一遇设计洪峰流量 Qm= 23500m3/s。这次计算的洪峰流 量只变化了4 %，显然设计值已趋于稳定。由此可看出 特大洪水处理的重要性。
大中桥 1/100 小 桥 1/100 1/100 1/100
涵洞及小型 排水构造物
路 基
注：二级公路的特大桥及三、四级公路的大桥，在水势猛急、河 床易于冲刷的情况下，可提高一级洪水频率验算基础冲刷深度。
铁路桥涵设计洪水频率 铁路 等级
Ⅰ、Ⅱ 设计洪水频率 检算洪水频率
特大桥（或大桥）属于技术 复杂、修复困难者或重要者
【例】1955年规划河北省滹沱河黄壁庄水库时，按当
时具有的1919-1955年期间断断续续的20年实测洪水 资料推求千年一遇设计洪峰流量Qm=7500m3/s。1956 年发生了一次洪峰流量为13100m3/s的特大洪水，显 然原设计成果值得怀疑。将1956年特大洪水直接加入 实测资料组成21年的样本系列，对此样本直接进行频 率计算也是不合适的。
史上曾经发生过的特大洪水，往往会造成严重的洪涝
灾害，在历史文献中一般会有详细的记载和留下洪水
痕迹可供查证，所以调查到的历史洪水一般就是特大 洪水。 如果能获得这种洪水资料，比如能调查到 N 年 (N>>n) 中发生的特大洪水，就相当于把 n 年资料延长 到了 N 年，提高了系列的代表性，能使计算成果更加 合理、可靠。
2、由暴雨资料推求；
3、由地区综合法推求。
实际工作中，对重要的工程，为保证计算成果
的可靠性，应根据水文资料的情况，采用多种途径
计算，相互比较，充分论证，合理采用。
设计洪水标准越高（频 率越小），设计洪水流 量越大还是越小？
§4.2 由实测流量资料推算设计流量
(Design Flood Based on Streamflow Data)
PMa
100
( 4 3)
m = l +1，l + 2，· · · ，n
上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独
立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立的， 这在理论上有些不合理，但比较简单，在特大洪水排 位可能有错漏时，因不相互影响，这方面讲是比较合 适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统 一样本法更好一些。
我国大部分河流由于实测年限有限，所以目前我 们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差愈大。 而且在实测期内不一定发生大洪水，所以洪水系列不 一定含有特大洪水资料，如果用一般的中小洪水资料
进行设计，设计成果不可靠。特别是用于推求百年一
遇、三百年一遇的高标准洪水，根据就很不足。
桥位河段历史上肯定发生过很多次特大洪水。历
测和调查的历史洪水）。
2、资料的审查
（1）资料可靠性的审查与改正 资料的可靠性是指资料的正确与否，要从流量 资料的测验方法、水位流量关系、整编精度和水量 平衡等方面进行检查。
（2）资料一致性的审查与还原 资料系列的一致性是指组成该系列的流量资料，
都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一
测流断面条件下获得的。因气候条件变化缓慢，故
洪水，后者称资料外特大洪水（历史特大洪水），如
下图。 也可以资料内资料外都有特大洪水。一般， 这样的洪水QN可以考虑作为特大洪水处理。
② 特大洪水重现期的确定
特大洪水可能有多次，首先必须确定出首位特大 洪水的重现期，然后在该重现期内对其它特大洪水进 行从大到小排位，计算每项洪水的经验频率。但要准 确地定出首位特大洪水的重现期是相当困难的，目前， 一般是根据历史洪水发生的年代来大致推估。 1）从发生年代至今为最大 N = 设计年份 - 发生年份 + 1 2）从调查考证的最远年份至今为最大 N = 设计年份 - 调查考证期最远年份 + 1
=123 (a)，这么大的洪水平均123年就发生一次，可能
性不大。又经调查， 忠县东云乡长江岸石壁上有两处 宋代石刻，记述“绍兴二十三年癸酉六月二十六日水泛 涨。”这是长江干流上发现最早的洪水题刻。
据洪痕实测，忠县洪峰水位为155.6m。又据历 史洪水调查，宜昌站洪峰水位为58.06m，推算流量 为92800 m3/s，3天洪量为232.7亿m3。宋绍兴二十三 年即公元1153年，该次洪水也小于1870年洪水，所 以可以推断1870年洪水是 1153 年以来最大的洪水， 故1870年洪水的重现期为：N=1992-1153+1=840 (a)
L0 < 5
公路桥涵设计洪水频率
构造物 名 称
特大桥
公
高速公路
路 一 二
1/100 1/100 1/ 50 1/ 50 1/ 50
等 三
1/100 1/ 50 1/ 25 1/ 25 1/ 25
级 四
1/100 1/ 50 1/ 25
按具体情 况确定 按具体情 况确定
1/300
1/300 1/100 1/100 1/100 1/100
设 计 年 份
N
n
N : a个特大（包括n内l个） n： l个特大
目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频
率的方法。
1) 独立样本法
此法是把包括历史洪水的长系列(N年)和实测的
短系列(n年)看作是从总体中随机抽取的两个独立样本，
各项洪峰值可在各自所在系列中排位。因为两个样本 来自同一总体，符合同一概率分布，故适线时仍可把 经验点据绘在一起，共同适线。 特大洪水的经验频率为：
M PM N 1 (4 1)
式中， M = 1，2，· · ·，a
x
100
P(%)
一般洪水的经验频率为：
m Pm n1
式中， m l 1, l 2,, n
( 4 2)
2) 统一样本法
将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成
一个不连序系列作为代表总体的样本，不连序系
这种方法确定的特大洪水的重现期具有相当
大的不稳定性，如果要更加准确地确定历史洪水
的重现期势必就要追溯到更远的年代，但追溯的
年代愈远，历史记载可能愈不详尽，河道情况与 当前差别也愈大，计算精度反而愈差，所以，我 国一般以明清两代以来六百年为宜.
【例4-1】确定特大洪水重现期 长江重庆～宜昌河段洪水调查，同治九年 (1870年) 川江发生特大洪水，沿江调查到石刻91处（如下图）， 推算得宜昌洪峰流量Qm=110000 m3/s。该洪水为1870 年以来为最大，则重现期：N=1992-1870+1