航道工程水文中幾個常見問題的商榷

摘要：航道工程水文分析的結果直接影響工程規模和投資而倍受關注；但由于許多問題介于水利工程、水文、航道工程之間，往往造成設計人員無所適從。本文就日常航道工程設計中遇到的幾個常見的水文問題，從水文專業角度進行分析探討，以供相關人員參考。

關鍵詞：航道工程 水文 問題商榷

工程水文是航道工程設計中的“小專業”，熟悉的人較少，但由于其分析結果直接影響工程規模和投資，往往關注的人又很多；由于結果直觀簡單，一個數字而已，大家都可以隨口評說；但往往業主一個問題，讓一幫設計人員無所適從。在此就日常工作中遇到的幾個水文問題，從水文專業角度探討一二，并借機和同仁商榷。

航道高水、低水標準誰說了算？

航道工程水文高水重現期為5～100年，其中常用的是10～20年，重現期大于5年的高水位常被稱為洪水，由于高水一出事，后果很嚴重，水利行業很重視，涉及洪水的法律就有《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》、《中華人民共和國河道管理條例》等，隨著近幾年水利基礎設施的不斷加強和完善，正常情況下，重現期5～20年洪水是可以控制的，加之其它部門或行業一般不會干涉高水，所以說，高水標準應有水利行業管理部門說了算，航道部門只能應用。但也不能說是“抄襲”水利設計數據，目前正提倡河道綜合開發利用，應該說是在水利部門防洪控制的總原則下，航道部門借水開發利用。

至于低水，首先涉及水資源問題，我國是水資源相對缺乏的國家，加之利用分配也不盡合理或者說沒有做到綜合利用，低水時尤其顯得匱乏，用水和干涉的部門行業較多，往往各行各業出自自身利益，單靠水利行業是無法控制和掌握的，也就是說低水不能完全利用水利部門的設計參數，甚至于一些水利部門自己建管的船閘為了多蓄水保證船閘通航，也沒有按照設計參數調度低水，這就是一些現有老船閘閘上游的實測低水位高于船閘原設計低水位的主要原因。所以在航道設計低水位時，有資料情況下盡量按規范要求統計計算，即航道低水以實際發生的實測資料計算為準，已有水利設施的設計參數僅供參考。

為什么用實測資料計算的水位與現有的節制閘或船閘設計參數不一樣，哪個正確？

水利部門在設計節制閘或船閘時往往還沒有水文觀測資料，其設計參數是通過水文計算推算得到的，一般程序是：由一定頻率m的設計降雨量Pm，通過產、匯流計算，得到相應的設計流量過程或設計流量Qm，用此設計閘壩尺寸，確定閘壩尺寸后，再按一定的調度方式，計算設計流量Qm過閘時在閘上、下游所發生的水位，即為閘壩設計水位Hm；由于同一頻率的設計降雨、水位、流量并非一一對應，所以嚴格地說，此水位是設計降雨Pm所產生的流量過程過閘時對應的水位，并非我們定義所要求的按資料系列排頻得到的設計水位。

閘壩建成后，為了閘門調度需要，一般都建有上、下游水位觀測設備，等到我們現在做航道或船閘設計時，往往已有一段水位系列資料，利用實測的水位資料統計分析值和原閘壩設計參數往往不同。那么誰對誰錯？部分航道管理部門甚至設計人員認為河道所有權是水利部門的，閘壩也是他們建的，應該水利部門設計值是正確的，甚至質問為什么用實測資料計算值與閘壩設計值不同？言下之意是分析計算錯了。其實，從以上分析可知，由于計算方法不同，實測資料計算值和原設計值不同是正常的，原設計參數是分析推算值，實測資料計算值是實際發生結果，后者才是航道設計定義的設計水位；如果兩者不同可以認為原設計參數選用不當，或者說建閘后自然條件及人類活動的影響導致差異，如有通航建筑物至少可以說其在建成運行中沒有按照原設計參數進行調度運行。

其實水利部門并不關注低水位，甚至于部分閘壩水位站為汛期站，非汛期不觀測水位，不用水位調度閘門。航道部門應有自己的原則和堅持，目前都在提倡河道綜合利用，航運是綜合利用內容之一，作為航道管理部門應該要求通航建筑物符合航道管理要求，即航道部門從航運經濟效益出發，對河道低水應有發言權。

新規范《內河航運工程水文規范》（JTS 145-1-2011）中增加了 “5.2.9 樞紐上下游河段設計通航水位應結合樞紐運行后的實測資料進行必要的驗證和調整”，說明已經考慮了兩者的銜接和取用，為后期通航建筑物設計參數的調整提供了設計依據。如果對原設計通航水位進行檢驗的話，實測分析值應為真值，而原參數只是當初設計時的擬定值或假定值。

為什么近幾年出現的高水比設計值偏低？或出現的低水比設計值偏高？如何驗證統計分析值？

經常有人說，設計水位太高了，近期很多年都沒有發生這么大的洪水，甚至于近二十年都沒發生高于十年一遇的洪水位，這就涉及到統計結果的驗證問題；計算值是樣本系列的分析統計結果，樣本是代表無限長的總體，要驗證樣本統計值的正確與否，必須有無限長總體資料加以驗證；高于十年一遇的設計洪水位，在近二十年沒發生，不能證明在未來的二十年里不發生4次或在未來的八十年里不發生10次。設計最高通航水位采用年極值頻率分析法，這是一種應用純數學統計理論對水文自然要素值進行數理統計的一種分析方法，其統計值是用于設計的指標值，它表示航道或通航建筑物的一項標準，并非實際發生值；加之由于人類活動影響的不斷變化，破壞了統計分析資料所需的試驗條件不變的獨立隨機條件，故理論上水文統計分析結果是無法驗證的；現實中至少要通過長于樣本系列（≥30年）的資料來佐證分析高水統計值的合理性，但不能簡單地用幾年的資料來驗證或評定長系列樣本資料的統計成果。

同樣道理，設計最低通航水位也是所用資料系列（≥20年）的平均統計結果，不能根據眼前幾年的低水狀況來判別長系列樣本資料的分析成果的對錯，至少要用多于統計系列年限（≥20年）的連續資料來分析其合理性。

往往高水持續時間很短？對通航影響時間有限，能否降低最低通航水位？

設計最高通航水位涉及過河建筑物高度，往往通過統計礙航天數，覺得礙航持續時間很短，從經濟角度覺得投資過大，設計標準偏高。事實上設計最高通航水位采用年極值頻率分析法，所取用的資料是每年的最高瞬時值，年最高水位持續1秒和持續1天、10天都一樣算一次，和持續時間長短無關，匯水的流域面積越大、地勢越平坦，高水持續就越長；由于高水的危害性較嚴重，《內河通航標準》所制定的高水標準比較高，不同航道設計最高通航水位標準如下表：

其中Ⅰ～Ⅲ級航道要求的洪水重現期為20年一遇，即每二十年只出現一次瞬時值大于此值，在數理統計學中屬于小概率事件，既是人們正常意識中認為不可能發生的事件，正常人的一生僅能遇到3～4次。另外標準表6.2.1的下面有“注：對出現高于設計最高通航水位歷時很短的山區性河流，Ⅲ級航道洪水重現期可采用10年；Ⅳ級和Ⅴ級航道可采用5～3年；Ⅵ和Ⅶ級航道可采用3～2年?！?，說明規范中已考慮了持續時間長短問題。

標準的高低是由標準制定部門負責解釋，設計水位是根據實測資料計算出來的，幾級航道就用什么標準，降低標準就得降低航道等級，這一點應是設計人員堅持的原則，不能憑個別人就近幾年水位狀況的局限理解就隨意降低通航標準。

航道水文計算所需的水文資料系列是否越長越好？

收集的水文資料要進行可靠性、一致性和代表性檢查，可靠性是指資料真實可信度，一致性是指形成資料系列的基本條件的相同程度，代表性是指所選資料系列的統計特性反應總體統計特性的程度。影響河段水文條件的因素可歸納為兩類，即自然因素和流域下墊面因素；自然因素主要是氣象因子，流域下墊面因素主要是指人類活動改變產匯流條件；氣象因子具有一定的周期變化規律，單從自然因素角度應該系列越長代表性越好，同時數理統計中系列越長抽樣誤差也越小；但另一方面系列越長意味著系列跨越的時間越長，人類活動對下墊面的影響就越顯著，導致資料的一致性較難保證，故如何兼顧兩類因素影響而合理選擇系列長度應該是水文分析關鍵的第一步。實際工作中應從實際出發具體分析對待，由于人類活動對高水的影響較小，且PⅢ型曲線定線需要系列年限不少于30年，故高水系列盡量取長，甚至于盡量搜集一些有價值的調查洪水資料，同時參考水利部門的設計、規劃資料，相對來說只要有資料高水分析比較容易。由于人類活動對低水的影響比較明顯，特別是近年來水利基礎設施投入的加大，致使低水系列年限的選擇較為復雜，《內河航運工程水文規范》（JTS 145-1-2011）中“5.1.1（1）當資料具有良好的一致性時，取近期連續資料系列，取用年限不短于20年”，由于目前航道斷航主要是因低水時水深不足造成的，致使低水成為航道工程關注的重點，考慮我國水利基礎設施投入加大應從1990年以后，取用資料長度應以20年為底限，可根據航道的治理歷史適當延長，但不宜太長。

不同系列長度資料的計算結果是不同的，低水比高水更敏感。另外，高、低水還和水利樞紐的調度方案有關，有的樞紐高、低水有強制性控制，在此控制范圍內系列長短影響就不明顯了。

河道斷面因挖沙或航道整治有變化時，設計水位能否計算？

某些河段因受人類活動或自然條件的影響，河床地形變化很大，引起水位（特別是枯水位）持續變化，造成水位系列一致性較差，若采用水位資料系列推求確定設計水位（特別是設計低水位），將有明顯誤差。為此，新規范《內河航運工程水文規范》（JTS 145-1-2011）中新增了 “5.1.2當基本站所處河段河床和水文條件出現明顯變化時，應采用流量系列統計分析確定設計流量，通過近期水位流量關系推求設計水位，并與以水位系列推求的設計水位進行比較，綜合分析確定水位”。此方法認為河床地形改變后，水位變了，但流量不變。方法需要三方面資料：①近20年以上的逐日及30年以上的年極值流量資料，用于計算一定頻率高水流量和一定保證率低水流量；②航道斷面處的水位流量關系，用于由設計流量推求相應的水位；③近20年以上的逐日及30年以上的年極值水位資料，用于計算一定頻率的高水位和一定保證率低水位，用于兩種計算結果對比分析。此種方法只有具備水位、流量資料的水文站才有條件做到，其中水位～流量關系比較復雜，各站方法不同，每年線型也不一致，必須用大量的水位、流量實測資料分析確定。

（作者單位：安徽省交通規劃設計研究院有限公司）