防灾减灾科学与工程 课件 第7章-流域与城市洪水灾害

第7章流域与城市洪水灾害目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害知识目标（1）掌握流域与城市洪水灾害的成因及特征（2）了解洪水灾害的监测预报方法（3）熟悉洪水灾害的防治与应急抢险措施能力目标（1）具备结合实际情况分析城市洪水成因的能力（2）具备根据现场实际情况选择正确应急救援方式的能力【本章学习目标】目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害7.1暴雨洪水过程定义：洪水灾害是由暴雨、冰雪急融、溃坝等自然或自然—人为因素，引起江河湖泊水量增加、水位上涨或排水不畅，进而造成人员伤亡和财产损失的灾害现象。我国洪水类型（按成因）可分为暴雨洪水、融冰融雪型洪水、冰凌型洪水、溃决洪水等类型2023年北京暴雨洪水2024年新疆融雪型洪水2008年唐家山堰塞湖溃决洪水第7章流域与城市洪水灾害7.1暴雨洪水过程暴雨洪水是最常见、威胁最大的洪水，按暴雨的成因可分为：雷暴雨、锋面暴雨和台风暴雨雷暴雨洪水：也称骤发暴雨洪水，局部地区因强对流作用，挟带水汽的气流急速上升而产生雷暴雨。特点是历时短、雨强大、雨区小，常在小流域上造成来势猛、涨落快、峰高量小的洪水锋面暴雨洪水：指冷暖气团相交产生的暴雨洪水。锋面雨一般历时较长，雨强较小而降水总量大，它形成的洪水在中小流域上也往往表现为峰低量大，但在大流域上则可能出现较大的洪峰与洪量台风暴雨洪水：通常指沿海地带因台风产生暴雨而造成的洪水雷暴雨锋面暴雨台风暴雨目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的自然因素：（1）气候洪水形成及洪水特性的关键影响要素是降水和气温。同时，两者也深受季风活动的影响流域洪灾成因1）季风气候影响：我国冬季盛行来自大陆的偏北气流，气候干冷，为降水很少的旱季；

夏季与冬季相反，盛行来自海洋季风作用，气候湿热多雨，形成雨季；

季风的进退决定雨带分布与雨量的季节变化，如与洪水关系最密切的梅雨与台风。2025年“风王”桦加沙梅雨第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的自然因素：（1）气候流域洪灾成因2）降水影响：降水是影响洪水的关键，尤其是暴雨和连续性降水。我国的降水有以下关键特征：降水量地区分布不均、降水的年内分配不均3）气温影响：气温对融雪洪水、冰凌洪水和冰川洪水等升温型洪灾影响显著，体现在洪灾的形成、分布等特征。降水的年内分配不均降水量地区分布不均我国西北升温型洪灾分布第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的自然因素：（2）地貌我国高原和山地面积比重很大，平原辽阔，对我国的气候特点、河流发育和江河洪水形成过程有重要影响。我国地势为西高东低、逐层下降的“三级阶梯”。三个地形阶梯之间的隆起地带，是我国外流河的主要发源地带和著名的暴雨中心地带。此外，山脉对水汽输送的影响也十分显著，使降水分布形成大尺度带状特点。流域洪灾成因山脉导致的地形雨第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的社会因素：（1）水土流失加剧，江河湖库淤积严重：森林植被既可以减少蒸发、减少地表径流、增加降水，又可以截留降水、涵养水源、保持水土。森林被盲目砍伐，一方面导致暴雨之后不能蓄水于山上，使洪水峰高量大，增加了水灾的频率；另一方面增加了水土流失，使水库淤积，库容减少，也使下游河道淤积抬升，降低了调洪和排洪的能力流域洪灾成因水土流失江河湖库淤积黄河开封段“悬河”现象第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的社会因素：（2）围垦江湖滩地，湖泊天然蓄洪作用衰减：我国东部人口密集，人多地少，河湖滩地围垦在所难免。虽然增加了耕地面积，但使湖泊面积和数量急剧减少，降低湖泊天然调蓄作用（3）人为设障阻碍河道行洪：随着沿河城市、集镇、工矿企业不断增加和扩大，滥占行洪滩地，修建码头、桥梁等各种阻水建筑物，严重阻碍河道正常排洪流域洪灾成因围垦江湖滩地（左）与拆除河道违建房屋（右）第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征影响流域洪水灾害的社会因素：（4）城市发展带来的问题：近代以来城市范围不断扩展，不透水地面持续增加。降雨后，地表径流汇流速度加快，径流系数增大，峰现时间提前，洪峰流量成倍增长。同时，城市的“热岛效应”使城区的暴雨频率与强度提高，增加了洪水成灾的可能。此外，城市发展导致的围垦江湖滩地、修建码头、桥梁等各种阻水建筑物，也加剧了城市洪水灾害流域洪灾成因2000年与2020年的成都卫星影像城市热岛效应第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征主要江河洪水特性：长江洪水主要由暴雨形成，主汛期为5~9月。洞庭湖、鄱阳湖水系洪水多发生于5~7月，金沙江和长江上游北岸支流洪水发生时间为6-9月。长江上游干流洪水发生时间为7~9月，中下游干流为5~10月。长江洪水峰值高水量大且历时长，上游一次洪水过程短则7~10天，长的可达一月以上；中下游由于众多支流汇入，常形成多峰洪水，持续30~60天。一旦上游洪水提前或中下游洪水延后，上游洪水就可能与中下游洪水遭遇，形成全流域的大洪水流域洪水特征长江流域第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征主要江河洪水特性：黄河洪水主要由暴雨和冰凌形成。2~3月上游发生凌汛，暴雨洪水多发生在7~10月，是黄河的主汛期。黄河上游洪水过程平缓，含沙量小，洪水历时40天左右。中游洪水主要来源于河口镇—龙门区间、龙门—三门峡区间及三门峡—花园口区间。下游洪水主要来自中下游地区，含沙量大、水少沙多、水沙异源、水沙过程不同步以及年际变化大，使黄河防洪具有特殊难度。近年来，由于持续来水偏少，河道主槽淤积萎缩严重，平滩流量下降，部分河段甚至形成了“二级悬河”，一旦发生特大洪水，有导致黄河大堤出现溃决的危险流域洪水特征黄河流域第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征流域洪水灾害的时空分布：（1）流域洪水灾害的地区分布农田受灾面积的地区分布：按受灾面积来看，最严重的是河南省，占全国农田受灾面积总数的12%，其次是安徽省，占11%，江苏省占8.7%，居第3位房屋倒塌数量的地区分布：房屋倒塌和损坏在水灾损失中占比较大，约占直接经济的20%~40%。从全国来看，房屋倒塌主要分布在平原地区，占全国总数的3/5，山区、丘陵区占2/5。流域洪水特征第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征流域洪水灾害的时空分布：（2）流域洪水灾害频率的地区分布1）洪灾常发区主要分布在东部平原丘陵区，这一地区地势平坦，河道平缓，人口、耕地集中，受台风、梅雨锋影响显著，洪灾频率一般都在10%以上2）在东部洪灾常发区中，洪灾频率也不相同，其中有7个主要频发区，自北往南依次为：辽河中下游、海河北部平原、鲁北徒骇河马颊河地区、鲁西及卫河下游、淮北及里下河地区、长江中游、珠江三角洲。这7个地区洪灾频率均在20%以上3）中部高原地区除了少数山间盆地洪灾频率较高，大部分地区属于洪灾低发区或少发区流域洪水特征第7章流域与城市洪水灾害7.2流域洪水成因及特征流域洪水灾害的时空分布：（3）流域洪水灾害的时间分布集中性和阶段性是洪灾时间分布上的两个重要特点1）集中性：暴雨洪水量级年际之间的变化极不稳定，其量级差别悬殊，在某些特大水灾年尤为突出，如1954年、1975年。2）阶段性：洪灾还存在阶段性特征，即连续一个时期水灾频繁、灾情严重，而另一个时期风调雨顺或者水灾较轻，在时序分布上二者呈阶段性交替出现流域洪水特征全国洪灾灾情历年变化目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害7.3城市洪涝特征类型与特征城市暴雨洪涝灾害的主要致灾因素分为自然造成灾害的因素和人类活动造成灾害的因素两种城市洪涝成因城市水循环系统示意图自然过程人类活动第7章流域与城市洪水灾害7.3城市洪涝特征类型与特征（1）自然条件的影响：城市洪涝成因1）气候变化对城市洪涝的影响：气候变化通过影响降雨、气温和蒸发过程，对水文循环带来的影响主要体现在土壤的下渗过程、地表水与地下水的交互过程以及径流形成过程等，从而导致区域降水机制的改变，引起极端暴雨事件发生频率、强度和持续时间增加，致使更多洪水灾害发生2）极端天气对城市洪涝的影响：极端降水是引发城市洪涝事件最直接的驱动要素。对于沿海城市，暴雨、高潮位和台风等成为沿海城市洪涝事件主要的驱动要素3）地形条件对城市洪涝的影响：地形中地表沉降和海平面上升所导致的地面相对高差、河网水系、植被水土保持及蓄养水分等环境变化，同样是促使洪涝灾害发生的重要原因自然条件的影响第7章流域与城市洪水灾害7.3城市洪涝特征类型与特征城市洪涝成因城市化发展对城市洪涝灾害的影响关系示意图（2）人类活动的影响：城市化建设改变了城市区域下垫面特征，导致下渗量的减少，植被的减少也会导致蒸散发减弱，地表产流量增加城市化扩张使城市流域的基流和城市周边区域地下水和地表水的交互过程减弱城市热岛效应加剧了区域性不稳定热力空气层的对流状况，一定程度上使得城区更易发生局地暴雨事件快速的城市化致使许多城市盲目扩大建设，无视长远利益，森林被过度砍伐，植被覆盖面积减少，从而降低了土地的储水蓄洪能力，加剧了水土流失，加大了河流泥沙淤积和山洪威胁第7章流域与城市洪水灾害7.3城市洪涝特征类型与特征（1）致灾因子频次和强度逐渐增大：人类生产活动间接性增加了致灾因子出现的频次和强度。（2）孕灾环境愈发复杂：自然地质地理环境和人类社会环境使得孕灾环境愈发复杂。具体表现为土地利用、植被覆盖度、河网水系密度、地形高程发生巨大变化，水循环受到干扰，使得洪涝灾害的孕灾环境渐趋复杂（3）承灾体种类多样：高度发达的城市往往得益于人口、财力的持续集聚。由于中国城市化的逐步深入，新的承灾体类型在过去致灾源的基础上不断涌现（4）防治措施逐步增强：随科学技术水平的不断增强，应对洪涝灾害由以前被动防御转为现在主动治理，针对洪涝灾害的防御措施也在逐步增强，治理洪涝灾害的主要措施有修筑防洪堤、设置排涝站、优化河网、搬迁避让、建设海绵城市等，其中“海绵城市”是为了实现对洪涝灾害的有效防护，我国提出的新型雨洪管理理念城市洪涝特征目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（1）洪水灾害监测类别：洪水灾害监测1）根据监测尺度划分①流域级洪水监测、②地区级洪水监测、③重点水体监测2）按灾害与监测发生时间关系划分①灾前监测、②灾中监测、③灾后监测3）根据监测时间和频度划分①常规水体监测、②汛期洪涝监测、③突发事件监测4）按洪涝灾害成因划分①台风（热带风暴）型洪水监测、②暴雨型洪水监测、③凌汛型洪水监测、④突发型洪水监测第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（2）洪水灾害常用监测技术：1）气象雷达：通过观察雷达回波信号的强度，能够提供有关云层数量、结构分布、强度和运动等关键信息洪水灾害监测气象雷达高回波强度通常表明云层较厚且含有更多的降水，而低回波强度则意味着云层较薄且降水较少。因此，通常情况下，云层较厚的地区可能会经历更大的降水量。雷达回波主要用于侦测空气中的水滴气象雷达结果第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（2）洪水灾害常用监测技术：洪水灾害监测2）卫星遥感：指从地面到空间各种对地球、天体观测的综合性技术系统的总称，通过遥感技术平台获取卫星数据，经遥感仪器以及信息接收、处理与分析完成①可见光遥感：可见光遥感主要是利用人类眼睛可见谱段（波长0.4~0.7um）进行空间遥感技术应用的总称②微波遥感：微波遥感采用微波设备来探测、接收被测物体在微波波段（波长为1mm~1m）的电磁辐射和散射特性，以识别远距离物体的技术卫星遥感识别洪水灾害第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（2）洪水灾害常用监测技术：洪水灾害监测3）水位监测：一般利用水尺和水位计来进行水位监测。观测时间和观测次数要适应1日内水位变化的过程，要满足水文预报和水文情报的要求4）新兴技术监测：包括人工智能和机器学习、无人机技术、互联网物联网技术、改进的气象雷达和卫星技术以及数据分析和模型等，可为为城市洪水监测提供了更全面的信息。水位监测第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报洪水灾害预报（3）我国洪水灾害监测体系建设情况：我国投入了大量的财力、人力与物力，建设了一大批防洪工程，大幅提高了抵抗洪灾的能力。同时，我国还增加了洪灾监测预警措施截至2013年底，全国水文部门共计各种水文监测站86554处，其中：水文站4011处、水位站9330处、雨量站43028处、蒸发站14处、墒情站1912处、水质站11795处、地下水监测站16407处。这些措施在我们同自然灾害作斗争的过程中发挥着非常重要的作用全国水文站点第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（1）洪水预报基本概念：洪水预报分为降雨径流法和河段洪水演进法两类洪水灾害监测降雨径流预报法依据当前监测的流域降雨和径流资料，按径流形成原理制作产汇流计算方案，由暴雨预报流域出口断面的洪水过程。现在随着计算机的普及和信息传输技术的现代化，许多大流域，将降雨-流域-出流作为一个整体系统，建立流域水文模型，计算出流洪水过程。河段洪水演进法则是根据河段上断面的入流过程预报下游断面的洪水，常用的算法为河道流量演算法和相应水位法河段洪水演进法的预见期大致相当于洪水在该河段的传播时间，比较短但精度通常更高，大江大河常常采用。两类方法的预见期一般不长，多为短期预报，但预报精度较高，是当前应用的主要方法。为提高预报精度，在实际预报过程中，利用随时反馈的预报误差信息，对预报值进行实时校正，称为实时洪水预报第7章流域与城市洪水灾害7.4洪水灾害监测与预报（2）水文预报方法：洪水灾害监测1）经验模型：又叫黑箱模型，是一种早期开发的用于暴雨洪涝模拟的数学模型，基于传输函数，几乎没有任何物理意义。它将所研究的流域或区间视作一个动力系统，利用降雨量或上游来水输入与输出资料，建立经验关系，然后就可由新的输入推测输出2）水动力模型：随着对暴雨洪涝过程特性与成因的深入研究，水文模型由最初相对简单的经验性和概念性模型逐步发展到复杂的水动力学模型3）集总概念模型：集总概念性模型将流域作为一个整体来描述或者模拟降雨径流形成过程，它所利用的是一些简单的物理概念和经验关系，将物理现象进行合理概化4）分布式水文模型：分布式流域水文模型是按流域各处气候信息和下垫面特性要素信息的不同，将流域划分为若干小单元，在每个单元上用一组参数反映其流域特性，具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对流域降雨径流形成影响的功能目录7.1暴雨洪水过程7.2流域洪水成因及特征7.3城市洪涝特征类型与特征7.4洪水灾害监测与预报7.5洪水灾害防治与应急抢险第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（1）防洪工程措施：指为控制和抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各种工程措施洪水灾害防治措施1）水土保持：针对高原及山丘区水土流失现象而采取的根本治山治水措施2）筑堤防洪与防汛抢险：筑堤是平原地区为了扩大洪水河床以加大泄洪能力，并防护两岸免受洪灾的有效措施淤地坝保持水土（左）与防洪堤（右）第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（1）防洪工程措施：指为控制和抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各种工程措施洪水灾害防治措施3）疏浚与整治河道：目的是拓宽和疏浚河槽、裁弯取直、消除阻碍水流的障碍物等，以使洪水河床平顺通畅，从而加大泄洪能力4）分洪、滞洪与蓄洪：目的都是为减少某一河段的洪峰流量，使其控制在河床安全泄量以下河道清淤（左）与水库蓄洪（右）第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（2）防洪非工程措施：包括洪水灾害预报监测与预警、灾害应急、灾害保险、紧急救助、减灾规划，减灾教育与立法洪水灾害防治措施1）洪水灾害监测与预警2）洪水灾害应急3）洪水灾害救济与社会捐助4）洪水灾害保险与基金5）减灾立法6）减灾规划7）减灾教育8）洪水灾害风险评价第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（1）渗漏险情抢护：水工建筑物一般都有挡水束水的作用，在一定水位下容易发生渗漏险情。特别是堤防、土坝多为透水性材料筑成，平时就可能产生隐患，汛期在高水位作用下，更易发生渗漏险情。混凝土、圬工护岸、涵闸等也有渗漏问题，但多发生在基础或侧翼部分。渗漏险情抢护是防洪抢险的重点洪水灾害应急抢险渗漏险情的类别和特征类别特征散浸堤、坝背水坡及坡脚附近出现土体湿润或浸水发软，甚至有细流渗出。如果湿润位置过高有可能发展成脱坡流土土体在渗流的作用下，渗流渗透力超过覆盖土的有效压力，局部土体表面隆起、浮动或部分颗料块体同时起动而流失。堤、坝坡脚处的土体向上鼓起，经上下晃动有水析出，称之谓“牛皮涨”，也属于流土管涌土体中的细颗料在孔隙通道中发生移动并被水流带到土体以外，呈现冒水冒沙现象，形成“沙环”。冒水孔径小的如蚁穴，大的可达几十厘米，有的连成片。随着孔内土粒流失增多，逐渐贯穿成通道而成管涌。发生在水塘里的管涌，水面出现翻花壅水现象漏洞堤、坝背水坡或坡脚附近出现横贯堤坝本身或基础的渗水孔洞，或者是涵管、水闸与土体结合部位因集中渗流形成漏洞。漏洞流出的水体浑浊或由清变浑，或时清时浑，均表明漏洞正在扩大，险情发展严重第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（1）渗漏险情抢护：洪水灾害应急抢险背水坡导渗（左）与抢堵漏洞（右）1）临水面截渗：截渗的方法有①土工膜截渗、②抛粘土截渗2）背水坡导渗：采用反滤原理，降低土壤渗透压力3）背水地面反滤压盖：控制涌水带走土壤颗粒4）抢堵漏洞：截断漏水来源第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（2）滑塌险情抢护：滑塌险情是堤坝和建筑物汛期结构强度减弱失稳，产生威胁工程安全的变形、变位等现象。这类险情突发性强、破坏性大，必须立即进行抢护洪水灾害应急抢险滑塌险情的类型和特征类别特征滑坡开始在堤坝顶部或边坡上出现裂缝，裂缝呈弧形向两端延伸。当裂缝继续开裂，滑动力超过阻滑力，即快速下滑，滑面光滑，呈圆弧形。堤坝本身与地基一起滑动时，滑面较深，滑体较大，坡脚有外移和隆起现象，堤坝滑坡多发生在背水坡。堤岸临水坡滑动多发生在落水阶段崩塌堤坝坡面内部沿软弱层开裂，土体失稳，逐渐发展成崩塌。崩塌发生在堤坝坡上的又叫脱坡，脱坡相对滑坡范围小，开裂面参差不齐。发生在堤坝身局部缺陷处成为塌陷，如与岸坡的结合部，施工交界处合龙口以及埋设管涵的部位等滑动修建在软基上的水闸等刚性建筑物遇到上下游水位差超限，地基浮托力增大，闸身位移出现异常现象倾倒建筑物位移和沉陷值超过允许范围或长期存在渗水管涌问题。建筑物与土坡结合部、土石结合部或填土表现出现裂缝后，逐渐发展到一定阶段，快速倾倒。当发生较大的不均匀沉陷时，建筑物顶部出现裂缝，有明显的下沉和倾斜现象第7章流域与城市洪水灾害7.5洪水灾害防治与应急抢险（3）冲刷险情抢护：冲刷险情包括堤、坝临水坡遭受风浪冲击、水流淘刷崩岸以及泄水建筑