10．2 城市防洪标准及设计洪水流量
城市防洪工程是通过为城市提供安全保障，间接体现其经济效益、社会效益和环境效应的。特别是经济效益，只有在发生洪水时通过由避免或减少洪灾损失来体现。由于洪水的发生具有偶然性，其发生的几率较少，且历时较短，人们往往容易产生麻痹思想和侥幸心理。加之城市防洪建设需要投资较多，且资金没有保证，这也是部分城市对防洪不够重视、防洪设施长期迟建、缓建或达不到标准而造成惨重损失的基本原因之一。
在防洪工程的规划设计中，一般按照规范选定防洪标准，并进行必要的论证。防洪标准的高低，与防洪保护对象的重要性、洪水灾害的严重性及其影响直接有关并与国民经济的发展水平相联系。当然，城市防洪工程的规划设计标准并不是所有城市采取同一个标准，国家根据城市规模的大小、等级的高低及在国民经济中的地位与作用，受洪水、雨水威胁的程度，淹没损失大小、工程修复难易程度、人口多少、环境污染状况以及其他自然经济条件等因素进行综合分析，对不同保护对象因地制宜选定不同防洪标准等级。
对于特殊情况，如洪水泛滥可能造成大量生命财产损失等严重后果时，经过充分论证，可采用高于规范规定的标准。如因投资、工程量等因素的限制一时难以达到规定的防洪标准时，经过论证可以分期达到。
10．2．1 洪水分类
洪水是一种常见的自然现象，通常是指由暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的水流现象。
1．根据洪水形成水源划分
雨洪水:在中纬度地带，洪水的发生多由雨水形成。大江大河的流域面积大，且有河网、湖泊和水库的调蓄，不同场次的雨水在不同支流所形成的洪峰，汇集到干流时，各支流的洪水过程往往相互叠加，组成历时较长涨落较平缓的洪峰。小河的流域面积和河网的蓄调能力较小，一次雨水就形成一次涨落迅猛的洪峰。雨洪水可分为两大类，暴洪是突如其来的湍流，它沿着河道奔流，摧毁所有事物，暴洪具有致命的破坏力，另一种是缓慢上涨的大洪水。
山洪:山区溪沟，由于地面和河床坡降都较陡，降雨后产流、汇流都较快，形成急剧涨落的洪峰。
泥石流:雨引起山坡或岸壁的崩塌，大量泥石连同水流下泄而形成。
融雪洪水:在高纬度严寒地区，冬季积雪较厚，春季气温大幅度升高时，积雪大量融化而形成。
冰凌洪水:中高纬度地区内，由较低纬度地区流向较高纬度地区的河流(河段)，在冬春季节因上下游封冻期的差异或解冻期差异，可能形成冰塞或冰坝而引起。
溃坝洪水:水库失事时，存蓄的大量水体突然泄放，形成下游河段的水流急剧增涨甚至漫槽成为立波向下游推进的现象。冰川堵塞河道、壅高水位，然后突然溃决时，地震或其他原因引起的巨大土体坍滑堵塞河流，使上游的水位急剧上涨，当堵塞坝体被水流冲开时，在下游地区也形成这类洪水。
湖泊洪水:由于河湖水量交换或湖面大风作用或两者同时作用，可发生湖泊洪水。吞吐流湖泊，当入湖洪水遭遇和受江河洪水严重顶托时常产生湖泊水位剧涨，因盛行风的作用，引起湖水运动而产生风生流，有时可达5～6m，如北美的苏必利尔湖、密歇根湖和休伦湖等。
天文潮:海水受引潮力作用，而产生的海洋水体的长周期波动现象。海面一次涨落过程中的最高位置称高潮，最低位置称低潮，相邻高低潮间的水位差称潮差。加拿大芬迪湾最大潮差达19．6m，中国杭州湾的澉浦最大潮差达8．9m。
风潮:台风、温带气旋、冷峰的强风作用和气压骤变等强烈的天气系统引起的水面异常升降现象。它和相伴的狂风巨浪可引起水位上涨，又称风潮增水。
海啸:是水下地震或火山爆发所引起的巨浪。
2．根据水源和发生时间划分
洪水是指特大的径流。这种径流往往因河槽不能容纳而泛滥成灾。根据洪水形成的水源和发生时间，一般可将洪水分为春季融雪洪水和暴雨洪水两类。
3．根据洪水量大小划分
一般洪水:重现期小于10年。
较大洪水:重现期10～20年。
大洪水:重现期20～50年。
特大洪水:重现期超过50年。
4．洪水三要素
当某一流域发生了一次洪水时，人们便可在一测流断面上测算出一条相应的洪水过程线。从过程线上可看出一般洪水的特征。
“形”，如图10－1所示。洪水从水位(水量)涨高(多)一直到降回原水位，这段时间为洪水历时T。T=t1+t2，一般t2＞t1。
图10－1 洪水过程线
a—起涨点;b—洪峰点;c—落平点;t1—涨水段;t2—退水段
“峰”，b点为洪峰值，洪水过程中最高点(可能不止一个)。
“量”，即洪水总量。本次洪水总的水量，亦是由a－b－c过程线与时间坐标所夹的面积。
峰、量、形简称洪水三要素，即洪峰流量(洪峰水位)、洪水总量、洪水流量过程线。其中洪峰流量对于防洪工程具有重要控制作用。不同的地理、气候等因素对洪水三要素或大或小地有影响。例如，山区使洪水过程线“高而瘦”，平原使洪水过程线“低而胖”。
10．2．2 防洪标准
所谓防洪标准，是指防洪工程能防多大的洪水。一般以某一重现期(如10年一遇洪水、100年一遇洪水)的设计洪水为标准;也有以某一实际洪水为标准。防洪工程的规模是以所抗御洪水的大小为依据，洪水的大小在定量上通常以某一重现期(或某一频率)和洪峰流量表示。
防洪规划的设计标准，关系到城市的安危，也关系到工程造价和建设期限，是防洪规划中体现国家经济政策和技术政策的一个重要环节。世界各国所采用的防洪标准各有不同，有的用重现期表示，有的采用实际发生的洪水表示，但差别不大。例如日本对特别重要的城市要求防200年一遇洪水，重要城市防100年一遇洪水，一般城市防50年一遇洪水;印度要求重要城镇的堤防按50年一遇洪水设计。对农田的防洪标准一般为10～20年一遇洪水。澳大利亚农牧业区要求防3～7年一遇洪水。美国主要河道堤防防洪标准，比1927年洪水大11%～38%，约相当于频率法的100～500年(随控制站而异)一遇洪水，但实际上许多河道都未能达到防御100年一遇洪水的标准。我国防洪标准一般用重现期表示。
确定城市防洪标准时一般应明确设防城市或工业区的规模，城市或工业区的地理位置、地形、历次洪水灾害情况以及当地的经济技术条件等。对于上游有大中型水库的城市，防洪标准应适当提高。
1．城市防洪标准
目前，我国城市已达660多座，城市大小不仅人口差别悬殊，而且在政治、经济、文化上的重要程度相差甚大。一般地讲，人口愈多、重要程度愈高者，其防洪标准应当愈高;反之，其防洪标准就要低些。为了科学制定不同城市的防洪标准，应根据其社会经济地位的重要性或非农业人口的数量将城市分为4个等级。
表10－1 城市的等级和防洪标准
注:1．城市人口是指市区和近郊非农业人口。
2．城市是指国家按行政建制设立的直辖市、市、镇。
特大城市、大城市及城区范围较大分为几个城区的城市可分为几部分单独进行防护的，各防护区的防洪标准，应根据其重要性、洪水危害程度和防护区非农业人口的数量分别确定。
位于山丘区的城市，当城区分布高程相差较大时，应分析不同量级洪水可能淹没的范围，并根据淹没区非农业人口和损失的大小，确定其防洪标准。
位于平原、湖洼地区的城市，当需要防御持续时间较长的江河洪水或湖泊高水位时，其防洪标准可取表10－1中规定的较高者。
位于滨海地区中等级以上城市，当按表10－1的防洪标准确定的设计高潮位低于当地历史最高潮位时，应当采取当地历史最高潮位进行校核。
对于重要的工程，除了按照设计标准规划设计外，还应考虑在非常情况下，洪水可能会漫淹堤顶，因此，常需要提高标准进行校核。校核标准可按表10－2采用。
表10－2 防洪校核标准
2．乡村防洪标准
以乡村为主的防护区，应根据其防护人口或耕地面积分为4个等级，各个等级的防洪标准见表10－3。
表10－3 乡村防护区等级与防洪标准
3．不同洪灾类型防洪标准
同一等级城市，不同类型洪水可造成的灾害程度和损失大小是大不相同的。所以，行业标准规定，同一等级城市，遭受不同洪水威胁，可采用不同的防洪标准。其中，江河洪水和风暴潮洪水对城市危害严重，防洪标准应适当提高;山洪一般因每条山洪沟汇水面积较小，洪水损失一般都是局部性的，灾害较轻，防洪标准可采用较低值;泥石流是一种特殊的山洪，危害较一般山洪严重，所以防洪标准比一般山洪高些。城市防洪标准是根据城市等级和洪灾类型按表10－4分析确定。
表10－4 城市等级和洪灾类型
注:城市等级一级为非农业人口在150万以上的特别重要城市;二级为非农业人口在150～50万的重要城市;三级为非农业人口在50～20万的中等城市;四级为非农业人口在20万以下的一般城市。
4．文物古迹防洪标准
在城市规划及历史文化遗产保护规划中，常常涉及到文物古迹受到洪水的威胁，对于不耐淹的文物古迹必须加以设防，防洪标准根据其等级与价值确定(表10－5)，对于特别重要的文化遗产，其防洪标准可适当提高。
表10－5 文物古迹等级和防洪标准
5．旅游设施防洪标准
对于常受洪灾威胁的旅游设施必须加以设防，可根据其旅游价值、知名度和受淹损失程度确定防洪标准(表10－6)。
表10－6 旅游设施的等级和防洪标准
6．工矿企业防洪标准
冶金、煤炭、石油、化工、林业、建材、机械、轻工、纺织、商业等工矿企业，应根据其规模分为4个等级(见表10－7)。
表10－7 工矿企业的等级和防洪标准
注:如辅助厂区(或车间)和生活区单独进行防护的，其防洪标准可适当降低。
根据《统计上大中小型企业划分办法(暂行)》(国统字［2003］17号)的划分标准，并依各类工矿企业的规模，按表10－8划分为大、中、小型3类。
表10－8 大中小型企业划分标准
续表
7．确定防洪标准注意事项
(1)江河沿岸城市城区段堤防的防洪标准，应与流域堤防的防洪标准相适应。城市城区段堤防的防洪标准应高于流域堤防的防洪标准;当城市城区段堤防成为流域堤防组成部分时，不论城市大小，其堤防的防洪标准均不应低于流域堤防的防洪标准。
(2)江河沿岸城市，当城市上游规划有大型水库或分(滞)洪区时，城市防洪标准可以分期达到。近期主要依靠堤防防御洪水，其防洪标准可以适当低些;待上游水库或分(滞)洪区建成投入运转后，城市防洪标准再达到或超过防洪规范要求的防洪标准。
(3)江河下游沿岸城市和沿海城市，地面高程往往低于洪(潮)水位，主要依靠堤防来保卫城市安全。堤防一旦决口，必将全城受淹，后果不堪设想。因此，防洪标准应在规范规定的范围内选用防洪标准的上限。
(4)当城市防洪可以划分几个防护区单独设防时，各防护区的防护标准，应根据其保护区的重要程度和人口多少，选用相应的防洪标准。如此可以使重要保护区采用较高的防洪标准，而不必提高整个城市的防洪标准。重要性较低和人口较少的防护区，可以采用较低的防洪标准，以降低防洪工程投资。
(5)兼有城市防洪作用的港口码头、路基、涵闸、围墙等建筑物、构筑物，其防洪标准应按城市防洪和该建筑物、构筑物的防洪要求较高者来确定，即不得低于城市防洪标准，否则，必须采用必要的防洪措施。
10．2．3 设计洪峰流量
相应于防洪设计标准的洪水流量，称为设计洪峰流量。洪峰流量是防洪工程规划设计的基本依据，计算正确与否关乎防洪规划的科学性。而洪水量的预测计算较为复杂，各地水利部门作了大量研究工作，在这里仅介绍几种常用方法，具体洪峰流量要征求当地水利部门的意见，取得水利部门的相关资料和基础数据。
1．推理公式
1)推理公式的具体形式
式中 Q————设计洪峰流量，m3/s;
s————与设计重现期相应的最大的一小时降雨量，mm/h;
ψ————洪峰径流系数;
t————流域的集流时间，h;
F————流域面积，km2;
n————与当地气象有关的参数。
推理公式有一定的理论基础，方法简便。被应用的流域由于自然条件各异，有关参数经综合分析比较，从中进行取舍。
2)适用范围
推理公式是缺乏资料时小流域计算设计洪峰流量时常用的方法，在城市防洪工程中，对于山洪防治特别适用。山洪发生地带一般都无观测站观测资料;有些流域虽有短期暴雨资料，但由于流域之间自然条件相差悬殊，而具有较多资料的流域又很大，短期资料难以延长。
该推理公式的适用范围为流域面积F≤500km2。公式中各参数的确定方法，需要通过查阅相关计算图表和当地水文手册求得。
2．经验公式
1)常见的经验公式
常见的经验公式以流域面积为参变数。其中“公路科学研究所”经验公式使用方便，应用较广，其公式如下:
式中 Q————洪峰流量，m3/s;
C————径流模数，是概括了流域特征、气候特征、河槽坡度和粗糙程度及降雨强度公式中的指数n等因素的综合系数，可根据不同地区按表10－9采用;
F————流域汇水面积，km2;
n————面积参数，当1km2﹤F﹤10km2时按表10－9采用，当F≤1km2时n=1。
该经验公式使用方便，如果建立在资料较为充足且可靠的基础上，使用时只需要知道流域面积大小即可，且发生的误差不会太大，因此得到广泛推广。但它的地区性较强，在采用现成公式到新区域时，必须注意两地条件是否基本相同。地区性经验公式很多，应用时可参阅有关资料和各省水文手册。
表10－9 径流模数及面积参数
注:表中的洪水频率反映不同大小洪水发生的可能性，例如1∶5反映这种洪水发生的可能性是20%(即5年中可能发生一次，或100年中可能发生20次)。
2)适用范围
在缺乏水文直接观测资料的地区，可采用经验公式。
该经验公式适用于汇水面积小于10km2的流域。
3．洪水调查法
1)洪水调查
洪水调查主要是对河流、山溪历史上出现的特大洪水流量的调查和推算。调查的主要内容是历史上洪水的概况及洪水痕迹标高。
通过洪水调查，取得了洪痕标高(洪水水位)、调查河段的过水断面及河道的其他特征数值，根据这些数值，即可整理分析计算洪水流量。计算洪水流量的方法较多，其中均匀流公式最为常用。公式如下:
式中 Q————通过调查面的洪水流量，m3/s;
ω————调查断面的过水面积，m2;
v————相应调查断面的流速，m/s。
2)适用范围
当城市或工业区附近的河流或沟道没有实测资料或资料不足时，设计洪水流量可采用洪水调查法进行推算。当采用推理公式或经验公式进行计算时，为了论证其正确性，也可采用洪水调查法推算洪水流量加以验证。
4．实测流量法
城市上游设有水文站，且具有20年以上的流量等实测资料，利用这些多年实测资料，采用数理统计方法，计算出相应于各重现期的洪水流量。计算成果的准确性优于其他几种方法。在有条件的地区，最好采用实测流量推测洪水流量。
