關于水利工程水文及水利分析計算中的幾點認識

石 浩

(貴州省水利水電勘測設計研究院， 貴州 貴陽 550002)

關于水利工程水文及水利分析計算中的幾點認識

石 浩

(貴州省水利水電勘測設計研究院， 貴州 貴陽 550002)

本文根據本人多年工作經驗，對水利工程中的徑流、設計洪水及水位流量關系計算等水文分析計算；興利調節計算方法、不同調度方式的水能計算及防洪與興利結合等水利計算問題提出幾點個人的認識，為相關專業的規劃及設計人員提供參考。

水文及水利分析計算； 設計洪水； 水位流量關系； 興利調節

1 引 言

水文規劃專業是水利工程設計的基礎專業，水文及水利分析計算為水利工程供水及防洪安全提供保障。本文對水利工程水文及水利分析計算中的一些問題提出個人認識，供各相關專業的設計人員參考。

2 徑流計算

徑流計算的方法較多，水文比擬法和降水徑流同頻率相應法為貴州省最常用的兩種徑流計算方法。水文比擬法常用于大中型水利工程，降水徑流同頻率相應法則在小型水利工程中得到普遍運用。在徑流計算中有些問題存在爭議性，對此，本人提出個人的意見供參考。

2.1 徑流系數修正的必要性

通常情況下，用水文比擬法進行徑流計算時考慮的修正因子為集水面積和面上降水量，如果再將徑流系數差異修正考慮進去，則成為徑流深修正，壩址的徑流深是壩址的面上降水量與徑流深的乘積，也就是說壩址的多年平均徑流量與依據站沒有直接關聯。故此，就有必要做徑流系數修正。貴州省屬于典型的喀斯特地區，下墊面及匯流條件差異較大，再加上水文測站分布稀少，一般情況下水文依據站以上控制流域與設計流域徑流系數普遍存在差異性(即使同一流域，上下游也有差異)，故考慮徑流系數修正是必要的。個人認為壩址多年平均徑流量與依據站本來就沒有直接關系，不因依據站的變化而變化，依據站只是解決徑流的年際變化及年內分配問題。

2.2 依據站以上控制流域的面上降水量資料的收集及分析

貴州省在利用水文比擬法進行徑流計算時通常同時考慮集水面積、面上降水量及徑流系數的修正。因壩址以上的徑流系數為多年平均值，為保持一致性，往往面上降水量修正也是考慮多年平均修正，而不是歷年修正；因此要對依據站以上控制的面上降水量觀測站的資料進行大量的收集、整理和分析工作。因為徑流計算中考慮徑流系數修正之后，得到的是徑流深修正，而徑流深則是實測成果，與面上降水量沒有直接關系；故提出在利用水文比擬法進行徑流計算時如果同時考慮集水面積、面上降水量及徑流系數的修正，依據站以上控制流域的多年平均面上降水量可根據相關等值線圖及相關規劃成果確定。

2.3 不同計算方法的多年平均徑流量成果差異性

因水文依據站的實測資料系列反映該控制斷面以上的現狀用耗水過程，在利用水文比擬法和降水徑流同頻率相應法計算壩址處多年平均徑流量時通常要求考慮此差異，也就是說水文比擬法的多年平均徑流量要小于降水徑流同頻率相應法的成果。個人認為兩種方法計算的多年平均徑流量應該一致，理由是：?壩址多年平均來水量是壩址以上流域的產匯流條件決定的，與徑流計算方法及依據站選擇無關；?等值線圖的徑流深為天然徑流深，則壩址處無論哪種計算方法得到的徑流量均為天然的徑流成果，與依據站流域內的用耗水量及過程無關；?依據站實測徑流過程及流域內用耗水過程只是影響年際變化及年內分配問題，不影響壩址處的多年平均徑流量。

2.4 扣除流域內用耗水

通過計算確定壩址徑流成果后，在興利調節計算中，需扣除設計水平年的流域內耗水過程。在貴州省，采用降水徑流同頻率相應法計算時，應扣除設計水平年以上的全部耗水，而水文比擬法則只需要扣除設計水平年與現狀水平年之間新增的耗水量。個人認為兩種方法應該均扣除設計水平年以上的全部耗水，原因是徑流深等值線圖為還原的天然徑流深，壩址的徑流成果為天然徑流成果。

第二種觀點認為我國正處于跨越中等收入陷阱的中間區域。有學者提出在2010年中國進入中等收入國家后，出現了幾個非常值得關注的現象：一是我國經濟增速呈現出放緩的態勢；二是我國同其他眾多發展中國家相比，制造業的成本優勢不復存在，且由于勞動力價格的上升，比較優勢在下降；三是與發達國家相比，我們的中高端高科技力量仍然不夠雄厚。雖然我國現在有一些符合“中等收入陷阱”的特征描述，但是由于以上三種現狀的存在，表明了中國正處于跨越中等收入陷阱的中間區域。以國家發改委宏觀經濟研究院原院長馬曉河為代表的學者持有這種觀點。

3 設計洪水

設計洪水計算方法較多，流量法和雨洪法是最為常見的兩種。流量法常用于大中型水利工程，雨洪法則在小型水利工程中得到普遍運用。設計洪水計算包括洪峰流量、洪量及洪水過程線計算，在此提出一些關于洪水計算的個人認識。

3.1 洪水計算方法

大中型水利工程設計洪水一般需要兩種或兩種以上的方法進行比較，一般采用流量法、雨洪法及地區綜合法進行比較，然后合理地確定設計洪水計算方法及成果。洪峰流量、洪量、洪水過程線是設計洪水的三要素，貴州省偏重對洪峰流量的計算，忽略其他兩個要素，特別是洪量的計算。因此在設計洪水計算時要結合工程的性質，合理地確定洪水計算方法及成果。如防洪工程，偏重洪峰流量；水庫工程則要同時考慮三個要素。通常情況下，設計洪水的三個要素采用同一種方法計算的成果，但從工程安全角度考慮，建議交叉使用對工程不利設計洪水計算方法及成果。

3.2 應用雨洪公式計算需注意的問題

在應用貴州省雨洪公式計算設計洪水時，流域參數、暴雨點面分區、暴雨衰減指數等參數基本上是確定的，應該注意的是匯流系數分區及取值、暴雨統計參數的確定。

根據設計流域上下游及鄰近水文測站的實測洪水成果，采用雨洪法擬定其匯流系數r1的分區及取值；從工程的安全角度考慮，匯流系數分區盡量不要取Ⅰ2區。當匯流系數分區確定后，根據歷史洪水調查成果，結合其他計算方法的設計洪水成果，上下游及鄰近其他工程的設計洪水成果及設計巖溶情況等合理確定匯流系數r1的取值，通常情況下，盡量采用該區均值。根據設計流域及鄰近流域的暴雨統計參數，結合相關等值線圖確定設計暴雨統計參數。通常情況下，如果設計流域及周邊實測的暴雨統計參數小于等值線圖成果，一般采用等值線圖成果；如果設計流域及周邊實測的暴雨統計參數大于等值線圖成果，一般采用實測的分析成果。

3.3 區間相應洪水洪峰流量計算

3.4 施工分期洪水

施工分期設計洪水成果是施工組織設計的依據及施工安全的保障，在施工分期設計洪水頻率分析計算中當施工分期設計洪水P=5%～20%洪水標準下的適線效果不好，局部偏離實測點據較大時，應考慮調整分期洪水的均值及變差系數Cv，盡可能地使頻率曲線通過實測點據，保證施工分期洪水設計成果的可靠性及安全性。當依據站與設計壩址集水面積差異在5%以內，可采用面積直接比擬依據站的經驗頻率確定的設計成果；當依據站與設計壩址集水面積差異大于5%，建議采用面積比擬依據站調整均值及變差系數Cv的適線成果，并同時考慮依據站與設計壩址的變差系數變化差異。此外，暴雨洪水計算方法是小流域普遍采用的設計洪水計算方法，在施工分期暴雨頻率分析計算中也同樣存在上面提到的問題，因此也適用于施工分期暴雨頻率分析計算。

4 水位流量關系

天然控制斷面水位流量關系一般采用曼寧公式進行計算：通過實地查勘，結合河道實際情況，參照“我國天然河流河道糙率參考表”，確定河道的糙率；低水比降參照測時水邊比降，高水比降根據歷史洪水調查成果確定；用Z—A、Z—V曲線及低水測流驗證水位流量關系成果。在水位流量關系計算中，河道糙率對水位流量關系成果影響較大，且河道糙率一般為經驗值，貴州省水文站斷面的河道糙率一般為0.035～0.15，且多為0.05以上。因此，一般情況下建議用曼寧公式推求天然河道控制斷面水位流量關系時河道糙率取值不宜低于0.05；有條件的地方，建議設專用站對其控制斷面水位流量關系進行觀測校核率定。

5 興利調節計算

興利調節計算是確定水庫規模的依據，結合水庫的功能特性，簡單談談興利調節計算中的一些個人認識。

5.1 興利調節計算方法

興利調節計算常用的方法為時歷法及概率法。時歷法又分長系列法及代表年法，概率法又分庫容相加法和頻率組合法，時歷法中的長系列法為興利調節計算中普遍采用的計算方法。

因以前的實測資料系列較短，資料的代表性不足，故在興利調節計算中年調節以內的水利工程也常用典型年法；但隨著觀測年限的增加，資料系列基本上都超過規范規定的30年，一般都有40～50年的資料系列長度，資料的代表性較好，已經采用長系列興利調節計算的水利工程，個人認為再做典型年法興利調節計算沒有太大必要，主要原因是：?典型年選擇的人為性；?灌溉用水過程的不確定性；?不同保證率條件下削減的任意性；?典型年法成果的合理性；?典型年法與長系列法成果差異較大時的取舍性。

同理，多年調節水庫也沒有必要用概念法中庫容相加法進行驗證。

在長系列法興利調節計算中庫容排頻最為常用，當水庫沒有防洪庫容時，該方法興利計算成果是可靠的；當水庫興利庫容與防洪庫容重疊時，興利庫容為綜合值。因此，當水庫因汛期汛限水位低，后汛期水位蓄不上來，且該年的興利庫容又小于設計保證率需要的興利庫容出現時，建議采用長系列法供水量排頻來進一步復核興利庫容的合理性。

如果水庫的調節性能為多年調節，采用長系列庫容排頻統計興利庫容時，遇到連續枯水年組時，建議考慮每年統計一個興利庫容和根據虧水時段統計興利庫容進行比較，推薦偏安全的興利調節計算成果。

5.2 不同調度方式的水能計算

許多大中型水利工程的規模是根據設計水平年的需水規模及過程、設計保證率來確定的。在很多時候水庫在保證供水并下放環境水的情況下，汛期仍有較多的棄水，為了充分利用水力資源，設計時通常考慮在壩后裝一附屬電站，利用環境水及棄水發電。水調和電調是兩種不同的調度方式，因工程的主要任務為供水，發電為附屬功能，從供水安全考慮，理論上應按電調服從水調來計算附屬電站的能量指標；從優化調度及利益最大化考慮，設計時按水調服從電調及電調服從水調兩種調度方式進行附屬電站的能量指標分析計算，如電調服從水調能量指標較優，則附屬電站采用該調度方式的能量指標；當水調服從電調能量指標較優，則建議兼顧考慮兩種調度方式，并以兩者的均值作為附屬電站能量指標。

5.3 防洪與興利的結合

防洪和興利的結合方式有三種：?防洪庫容與興利庫容完全結合；?防洪庫容與興利庫容部分結合；?防洪庫容與興利庫容完全不結合。從節約工程投資的角度盡可能地讓防洪與興利結合。根據水庫的來水及需水過程，在不設置防洪限制水位的情況下，以滿足需求而確定的正常蓄水位為基礎，在設計保證率下如后汛期(汛限時段外)主要蓄水期保證供水后能蓄滿，水庫應采取防洪與興利完全結合的方式；如保證供水后仍有多余水量，但不能蓄滿，水庫應采取防洪與興利部分結合的方式；如保證供水后無多余水量或保證不了供水需求，水庫應采取防洪與興利完全不結合的方式。

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Several understandings on hydrologic and water conservancy analysis and calculation in water conservancy projects

SHI Hao

(GuizhouWaterConservancyandHydropowerSurvey&DesignResearchInstitute,Guiyang550002,China)

Based on the author’s several years’ work expenience, hydrology analysis and calculation are implemented on runoff, design flood, water level flow relationship calculation, etc. in water conservancy projects. Several individual understandings are proposed on water conservancy calculation problems such as profiting regulation calculation method, water power calculation of different scheduling modes, combination of flood control and profiting, etc. as reference for related professional plans and designs.

hydrological and water conservancy analysis calculation; design flood; water level flow relationship; profiting regulation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.011

TV214

A

2096-0131(2017)06- 0043- 04