工程水文專業技術審查中若干問題分析

劉 偉,李 臻

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；2.中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

172項重大節水供水工程為國務院2015年政府工作報告中確定的重大事項，項目是解決我國的節水、供水、水資源配置、水旱災害等問題的重大基礎設施工程。目前，已開工123項，大多項目經過我院的技術審查。在這些項目的技術審查過程中，有許多共通的技術問題和難題，回顧技術審查歷程，對審查中的問題予以總結，為以后的設計成果提供借鑒和參考是十分有意義的。

水文研究的主要內容包括設計徑流、設計洪水、水位流量關系、泥沙和冰情等，是工程規模、特征指標等設計參數確定的依據，也與工程投資和效益、調度運行密切相關，特別是設計洪水成果，對工程本身和防洪保護對象的安全影響很大。本文總結提煉了水文技術審查過程中水文系列、設計徑流、設計洪水、水位流量關系等4個方面的若干主要問題，結合實例提出處理方法，有利于促進工程設計質量的提升。

1 關于水文系列的還原

水文系列是水文計算的基礎，水文成果的可靠程度與水文系列的代表性、一致性和可靠性密切相關。水文系列的長度對數據的代表性至關重要，中華人民共和國成立以來，積累了相當數量的水文觀測資料，根據最近的7大流域水文修訂成果，最長的系列已可達130年，平均系列長度基本可達50年，規范中規定水文系列的長度一般不應小于30年[1]。因此，對于絕大多數水文站，系列的代表性已具備了一定的基礎，有實測水文資料的流域，多數情況下，水文系列具備代表性，部分流域則需要根據豐枯變化論證分析代表性；隨著水利科技的發展，特別是水文測驗技術的發展，水文從業人員素質的提高，測驗程序的規范，測驗數據的準確程度越來越高，相應測驗誤差趨于穩定，水文資料的可靠性基本得到保證；但由于經濟社會的快速發展，特別是城鎮化率的快速提高，人類活動對水文測驗數據的影響越來越大，加上部分區域下墊面變化劇烈，定量估算此類因素對水文數據的影響程度具有較大難度，諸多因素導致水文系列難以滿足一致性要求[2]。

水利工程項目審查過程中，徑流系列主要存在長度不足、還原項考慮不完全、農業用水還原困難、地表水與地下水轉換關系復雜等問題，洪水系列主要存在是否考慮了歷史洪水、近年大洪水、上游水庫等工程影響等問題。如果系列具備可靠性和代表性基礎，則要重點關注系列的還原問題。

1.1 徑流系列

改革開放以來，我國經濟社會快速發展，城鎮化率不斷提高，與徑流密切相關的工農業用水、工程建設、下墊面等因素變化較大，對徑流系列的一致性產生了一定影響。

在徑流系列的還原中，規范規定計算庫蓄變化、工農業用水、蒸發滲漏等還原項，其中要特別注意引水工程的引退水影響。由于工業用水監測資料較全，而農業用水資料則相對短缺，特別是沿河分散引水的灌區，整體用水量大，但引水工程分散，農業用水和退水資料不易獲得。例如，嫩江流域及部分支流，沿河兩岸大量灌區，引退水規模較大；甘肅石羊河流域，水資源極其短缺，地表水灌區和地下水灌區交錯布置，地表水和地下水轉換關系復雜，引提水和退水資料不全；新疆水資源極其短缺，河流開發利用率高，加上惡劣的自然條件，灌區等取用水情況復雜及河道的蒸發滲漏問題，以上情況均對徑流系列的還原產生了較大影響。在處理農業用水及退水還原時，首先要深入收集取用水及退水監測資料，利用耗水定額、水資源公報等多種途徑復核相關資料，必要時采用定額法、綜合對比法等多種方法分析估算農業取用水量和退水量，并進行實地調研；然后根據相應資料，還原出天然徑流量，并采用降雨徑流關系、上下游或鄰站徑流相關等方法分析還原后的天然徑流系列的合理性，從而提高還原徑流系列的準確性。

1.1.1 關于城鎮化的影響

經濟發達地區的城鎮化發展形成的硬化和不透水區域增加，對流域的徑流也產生一定的影響，在采用徑流系數簡化計算的時候，要注意不同時期城鎮化率的影響。例如太湖流域，城鎮化的發展，農田轉變為建設用地的規模較大，對徑流系列的影響是比較明顯的。遇到此類情況，應根據遙感數據、土地分類變化等資料，準確分析地類特征，估算徑流系數變化，從而準確進行徑流系列一致性處理。

1.1.2 關于水利水保工程的影響

黃河流域上中游水土保持工程數量多、規模大，對防治流域的水土流失做出了重大貢獻。同時，水土保持工程和小型水利工程以及地下水的開采利用也對徑流產流條件產生了較大的影響。通過年降雨徑流相關法，分析長系列不同時期的降雨徑流關系，找出不同時期的徑流關系拐點；采用成因分析法，分析不同時期影響徑流一致性的因素。

1.2 洪水系列

人類活動同樣對洪水系列產生了較大影響。洪水系列的還原中，需要注意上游水庫工程的削峰作用、堤防建設引起的歸槽影響以及下墊面變化對洪水的影響。

隨著流域開發利用程度的增加，各種規模的水庫數量不斷增多，特別是中小型水利工程，監測資料較少，但由于數量較多，對設計洪水的影響累積效應較大，南北方均存在此類問題；由于設計洪水分析計算關注的是大水年的洪峰量值，在資料收集困難的情況下，著重對大水年的上游中小型水庫資料進行復核，收集監測和調度運行資料，當收集資料困難時，應根據其調度運用方式復核下泄洪峰流量。

重要河流大多經過治理，由于堤防的束縛，原本的漫灘行洪變成了堤內行洪，在延長洪水系列時，要注意系列的一致性，對漫溢洪水進行一致性處理。在郁江治理可研項目中，天然洪水和歸槽洪水相差較大，雖然相較于洪峰占比不大，但對系列的可靠性會產生影響，特別是大水年，如梧州站實測系列中1998、2005年洪水較大，實測洪峰分別為52900、53700m3/s，為歸槽洪水，還原為天然洪水后分別為47900、48500m3/s，分別相差5000、5200m3/s，占比接近10%。黃河流域的伊洛河夾灘地區及沁南地區在大洪水時自然滯洪，需要對自然滯洪進行還原處理。以花園口1761年洪水為例，推算天然洪水洪峰流量為32000m3/s，是伊洛河夾灘和沁南地區自然滯洪后的結果，若按伊洛河、沁河修建堤防且堤防不決口進行處理，相應的花園口洪峰流量為37570m3/s，差值5570m3/s，占比約17.4%。

由于上游水利工程調蓄作用的增加，黃河流域下墊面變化導致同樣降雨產生的中小洪水頻次減少，在進行一致性處理時，需要分期還原其對設計洪水的影響。以黃河河龍區間為例：對于較大量級和中等量級洪水，各年代相似降雨的典型場次洪水徑流系數變化不大；對于較小量級洪水，20世紀80年代典型場次洪水徑流系數小于60年代，2001年場次徑流系數較60年代場次減小20%～40%；初步確定河龍間人類活動影響較大的節點為1970年，對量級在6000m3/s以上的洪水不進行還原、還現；對6000m3/s以下洪水進行還現計算，還現的標準約20%。

2 關于設計徑流

2.1 工程所在流域有實測水文資料

在設計徑流計算過程中，由于水利部委托審查項目大多為大型工程，所處河流流域面積較大，大多流域有水文站，采用比擬法計算工程位置的設計徑流時，部分項目未考慮降雨以及徑流系數的修正。

工程位置上下游有水文站，則設計徑流的計算可依據上下游水文站進行計算。當采用上下游水文站作為依據站進行設計徑流計算時，如果區間面積占比較大，則應注意區間設計徑流成果的計算；當采用水文比擬法計算時，需要采用降雨進行修正，若工程斷面控制匯流面積和水文站控制匯流面積以上產流條件差別較大時，還應采用徑流系數進行修正；或者通過計算區間徑流量后，與水文站成果進行加減，得到工程斷面徑流量，區間徑流量計算時，可采用徑流深或面積分攤等多種方法進行計算后綜合確定。

2.2 工程所在流域無實測水文資料

當工程所在流域無水文站時，可根據鄰近水文站實測資料采用比擬法計算，計算時修正系數可參考有實測資料流域進行降雨和徑流系數修正，但應對鄰近水文站與工程所在流域的降雨徑流特性進行分析，確保特性基本相似。如果鄰近流域無水文站可作為依據站，則可根據地區徑流深等圖表查算，查圖時應按徑流深等值線劃分面積分別計算后累加得到徑流量。計算后，可根據周邊流域相關徑流模數、降雨徑流關系等進行合理性檢查。

2.3 徑流的消散問題

松遼流域由于地下水的開采、區間來水的減少等，部分站點存在下游徑流量小于上游徑流量的問題；同樣，新疆許多河流在流出山口后，河道蒸發和滲漏量大，河道用水量大，也出現下游徑流量小于上游徑流量的問題，如玉龍喀什河。海河流域、淮河流域、黃河流域均存在類似現象，主要是地表水與地下水的轉換、蒸發滲漏量等因素的影響。計算遇到此類情況，應對上下游的河道滲漏、工農業用水等進行詳細調查，分析徑流減少的原因，對徑流成果進行合理性分析；必要時可采用降雨徑流關系等多種方法復核。

2.4 巖溶地區的設計徑流

巖溶地區的設計徑流計算要注意暗河等對設計徑流的影響，既有流域內的暗河流出，也有流域外的暗河注入問題；同時存在建庫前無暗河滲流問題，但建庫后形成巖溶通道，甚至形成反壓的問題。在此種情況下，應以流域封閉為基本原則，加強水文地質的勘察，詳細查明不同暗河的集水面積、調蓄性能、入流點、出流點和流量等指標，為水文和規劃計算提供依據。以云南清水河樞紐為例，壩址上下游共6條暗河，其中出露點在下壩址至下游水文站之間的有2條，流量占水文站流量的24.2%，此部分徑流量無法在壩址匯流，在計算時需要扣除相應面積的徑流量。部分地區由于部分暗河調蓄作用較大，會對徑流量的年內分配產生影響，在設計徑流及年內分配上應注意分析暗河的作用。

2.5 代表段選擇對設計徑流的影響

一般來講，系列越長代表性越好。由于不同年代下墊面等的變化較大、豐枯段頻次也未必均衡，下墊面的還原和處理具有一定難度，因此選擇合適的代表段作為相應站點的依據系列至關重要。第二次全國水資源調查評價時，資料系列年限統一為1956—2000年。進入2000年以后，有的流域徑流處于偏枯時期，如海河流域、黃河流域等均面臨選擇合適的代表系列段的問題，采用長系列或短系列代表流域徑流量的問題值得深入研究。

3 關于設計洪水

3.1 近年發生的大洪水

設計洪水選樣采用年最大值法，較大洪峰對設計洪水適線的影響較大。設計洪水計算時，在以往對歷史洪水分析的基礎上，要注意近期大水年。例如松遼流域二松等河段2010、2013年發生大水，約為100年一遇，對設計洪水成果影響較大，雖然《七大流域水文成果修訂任務書》中要求系列延長至2010年，但考慮大洪水，應將系列延長至2013年。太湖流域2016年發生大洪水，太湖水位超過歷史極值，雖然對太湖流域整體的適線不會產生太大影響，但部分水利分區的設計值可能會有所變化，在不同水利分區的設計洪水計算時，應考慮2016年洪水的影響。

3.2 巖溶地區設計洪水

在巖溶地區，暗河不僅對徑流量及年內分配產生影響，還會對洪峰及洪水過程產生影響，調蓄作用大的暗河或者無法定量描述的暗河，需要考慮一定的安全修正值。以貴州夾巖水利樞紐工程為例，工程受水區主要涉及黔西北的畢節地區和遵義市的西南部區域，在項目建議書階段，考慮建壩后伏流、河道槽蓄以及干支流洪水遭遇變化等對洪水的影響，校核洪水的洪峰、洪量按加安全修正值20%進行設計，在可行性研究階段結合相關專業要求進一步研究復核。

3.3 關于設計洪水地區組成

設計洪水計算時，新建工程上游已建水庫等調蓄工程或工程承擔下游有防洪任務時，應該進行洪水地區組成分析。在進行工程斷面的設計洪水計算時，對調蓄作用較大的工程，尤其應分析洪水地區組成。洪水地區組成的方法，國內外研究提出了JC法和Copula法[3- 4]、隨機模擬法以及采用歸一化的概率密度函數提出的區間估計方法等，方法各有優劣[5]。我國的設計洪水計算規范規定，一般采用典型年法或同頻率洪水組成法[6]，在分區不大于3個時，多采用同頻率洪水組成法；多于3個分區時，多采用典型年法。

采用典型年分析設計洪水地區組成時，各區間洪水過程的計算是難點也是重點，即典型年的選擇、過程線縮放方法至關重要。關于典型年的選擇，在審查過程中，部分項目選用典型年不夠，有的僅選擇1個年份作為典型年，洪水過程的代表性不足，存在一定的風險。在采用典型年法分析洪水地區組成時，一般應選擇幾個典型年，選擇偏不利的方案作為采用成果；在洪峰起控制作用時，過程線采用洪峰同倍比縮放；24h洪量或3d洪量起決定作用時，過程線可采用相應洪量同倍比縮放；對于比較復雜的工程，可采用多種方法，進行綜合比選，剔除超頻等成果，最終推薦對工程偏不利的方案。以渠江流域的大型水庫庫容分配為例，達州斷面以上有4座大型水庫，共劃分為鮮家灣水庫、固軍水庫、土溪口水庫、江口水庫、4庫區間、江口至達州區間、達州斷面等7個區間，選擇1963、1965、1982、1989、1991、2004、2005、2010年等作為典型年，采用洪峰同倍比、24h洪量同倍比、3d洪量同倍比分別縮放出21個方案，同一區間采用不同典型年計算成果之間可相差8倍以上，同一典型年不同的縮放方法之間也相差50%以上；針對21個方案成果，與各區間設計成果相比較，部分區間成果超頻，剔除相關成果后，考慮工程安全，選擇相應的地區組成來進行防洪庫容的計算。

4 關于水位—流量關系

4.1 一般河道水位—流量關系

作為工程設計的依據，準確的水位—流量關系對于工程安全至關重要。隨著經濟社會的發展，流域的開發利用強度逐漸加大，河道河勢及沖淤變化受人類活動影響較大，特別是采砂、控制河勢、束窄河道、下游水位壅高頂托、分流比變化、航道整治等人類活動對水位—流量關系的影響較大；同時，由于實測流量一般較小，水位—流量關系經常需要外延才能滿足工程規劃設計的需要。因此，水位—流量關系的關注重點在于水位—流量關系斷面的位置、斷面數據的可靠性以及水位—流量關系的外延等方面。結合以往項目的審查，水位—流量關系主要存在的問題是水位—流量關系斷面是否滿足建設和運營期要求、計算方法以及高低水外延的方法是否合適。

以水庫為例，壩址斷面、導流洞進出口、電站進出口等斷面均需要水位—流量關系成果，以確定建設期和運行期的洪水位。壩址斷面水位—流量關系主要用于計算壩址斷面天然洪水位和壩后水位，導流洞進出口斷面水位—流量關系則與施工期圍堰以及運行期的進出口水力計算密切相關，電站進出口水位—流量關系也直接決定進出口導流工程高度和運行期水位等指標。而部分項目僅提出壩址斷面的水位—流量關系顯然是不夠的。

規劃和項目建設等階段，工程斷面上下游絕大多數沒有實測水位—流量關系，一般采用水面線法或者明渠均勻流法等推算。在規劃、項目建設、可行性研究等階段，基本滿足精度要求，但在工程初步設計或實施前均要設立水位—流量觀測斷面，積累一定時期的水位—流量關系數據，對推算的水位—流量關系進行復核，以保證水位的準確。

低水位—流量關系受河道斷面變化影響較大，特別是采砂活動、河勢控導工程等。玉龍喀什河受采玉活動影響，河道斷面變化巨大，兩側全部為堆棄的松散砂石，此種情況不僅要計算現狀的河道斷面，還需要計算規劃治理的河道斷面；部分北方河道多年沒有來水，河道干涸，有些河道無法找到主槽，在低水時，無法確定水位—流量關系，此時，要分析不同洪水情況下的河道形態，大洪水時河道的小砂坑、砂堆對河道流態影響不大，小洪水時，采砂坑和砂堆對水位—流量關系影響較大，需要進行相應的處理。

水位—流量關系外延多采用曼寧公式法、史蒂文斯法、鄰站相關法等進行計算[7]，各種方法均需河段順直、斷面穩定、沖淤變化不大、關系單一，不同的方法適用于不同的條件，相關法則要求資料條件和相關性較好，必要時水位—流量關系計算可采用多種方法，經綜合比選后采用。

4.2 受潮位影響的水位—流量關系

沿海感潮河段水位受潮水頂托影響明顯，水位—流量關系為多蔟形式，單場洪水也呈現繩套特征，可確定水位—流量關系范圍的上下線，根據需要合理選用。例如，珠江三角洲某水文站[8]受潮水頂托，水位—流量關系復雜，各場次洪水的水位流量呈現出繩套曲線特征，斷面受河道挖砂、航道疏浚等多方面因素影響，斷面逐年下切，自2005年后，繩套曲線呈逐年右移趨勢，2010年的水位—流量繩套曲線位于最右側，如圖1所示。在實際應用中，防洪工程設計從偏于安全考慮，按上線進行使用，而實際防汛工作采用下線為宜。

5 結語

172項節水供水工程大多為重大水利工程，水文成果的可靠與否直接決定工程的規模和安全。在不同階段的審查過程中，水文分析計算中存在一些共性問題，這些問題已經通過修改和完善，滿足相關規范和設計要求，在此提出這些問題及解決方法，供以后的工程水文計算參考。

水文資料是水文計算的基礎，資料的準確性直接決定成果的準確性，因此水文系列的三性分析內容是水文計算的重要工作內容。隨著經濟社會的快速發展，人類活動的影響及下墊面的變化對水文資料一致性的挑戰越來越大，水文資料的一致性處理要經過大量的分析計算后確定，同時要進行合理性檢查，保證還原成果和一致性處理成果質量。

目前，我國設計徑流和設計洪水的計算采用相關規范的規定方法，郭生煉等對國內外設計洪水的采樣、分布線型、參數估計、區域洪水頻率、多變量設計洪水等方法進行了分析和研究，提出了相應的研究方向[9- 10]，在規范修訂的時候，可根據成熟和可靠程度，參考相關研究成果。由于我國地域寬廣，跨越地理氣候帶較多，不同的區域有不同的水文特性，加上水文監測資料情況不一，沿海河網地區的徑流量無法通過實測資料得到，北方地區的徑流存在上下游的不協調問題，巖溶區域的徑流和洪水計算均需要大量的水文地質調查工作支撐，有冰川補給河流的徑流和洪水呈現出與氣溫的正相關特性，因此設計徑流和設計洪水的計算需根據流域內有無實測資料分別采用不同的方法，同時注意特殊條件對徑流和洪水以及相應過程的影響。設計洪水地區組成是設計洪水計算的重點和難點，應注意同頻率法和典型年法的適用條件和需要注意的縮放及超頻問題。

水位—流量關系受采砂、航運、河道整治等人類活動影響較大，不同的計算方法和外延方法以及受潮水位頂托影響下的水位—流量關系處理方法，對工程的安全和調度運行至關重要。應分析計算多個相關斷面的水位—流量關系成果，以滿足建設期和運行期的使用；水位—流量關系外延多采用曼寧公式法、史蒂文斯法、鄰站相關法等進行計算，而受潮水位頂托影響的水位—流量關系應用在防洪工程設計時，從偏于安全考慮多按上線進行使用，實際防汛工作采用下線為宜。

圖1 珠江三角洲某水文站水位—流量關系