環境水文學授課邏輯體系優化案例分析

摘 要：為解決學生在應用環境水文學開展實踐工作過程中所存在的上手慢問題，在教學過程中針對環境水文學的授課邏輯體系進行梳理，提出以“實踐-理論-實踐-方法”為框架的新體系，并通過河川徑流情勢特征值分析的授課案例，驗證該邏輯體系的實用性和有效性。主要教學過程包括依據工程實踐需求進行理論原理和概念的導入，將相應的水文分析方法整合到實踐工作流程中展開論述，以及非典型工程實踐問題處理技巧的訓練。對授課效果依次開展短期、中期和長期檢驗，證實新的授課邏輯體系提升學生在課堂上解答習題的能力，完成后序實踐課程的能力，以及就業后開展實際工作的上手能力。

關鍵詞：水文分析；河川徑流；實踐能力培養；授課邏輯體系；教學案例

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）34-0049-04

Abstract： In order to increase the engineering problem-solving ability of students during the utilization of environmental hydrology， the teaching logic for Environmental Hydrology was re-organized according to a new framework of "practice-theory-practice-method". The new teaching logic was utilized for teaching characteristic value analysis of river runoff situation， and the efficiency of the new teaching logic was evaluated. The main teaching process included： the introduction of theoretical principles through engineering cases， the practice of hydrological analysis methods according to standard working procedures， and the training of specific engineering problem-solving skills. According to the results of short-term， medium-term， and long-term evaluations， the new teaching logic enhanced the ability of students for completing exercises， course design， and engineering practice after graduation.

Keywords： hydrological analysis; river runoff; training of engineering practice ability; teaching logic; teaching case

隨著當代水文學的持續發展，水文系統與生態環境系統的結合越發緊密。水文學與環境學科不斷交叉滲透，逐步發展為環境水文學這一新興的綜合學科。環境水文學主要關注自然環境中水與人類活動的相互關系及作用結果，尤其是水文情勢變化與生態環境的相互作用[1]。環境水文學中的水文統計與頻率分析、河川徑流情勢特征值計算，以及設計洪水推求等理論和方法，可以為水資源開發利用和環境工程設計提供重要的前期數據[2-3]。目前，環境水文學課程的授課邏輯體系通常依據學科自身的發展歷程逐步展開，具有理論性和專業性強，但與環保工程實踐聯系不夠緊密的特點。為了提升學生的實踐能力和就業競爭力，有必要對環境水文學的授課邏輯體系進行梳理和優化，力求實現教材知識點與實際工作流程之間的有機結合[4-5]。

一 環境水文學新授課邏輯體系簡介

開展授課邏輯體系優化工作的起因是畢業生反映在就業后解決實際工程問題時，存在無法將水文學理論和分析方法流暢應用于具體工作流程中的現象。例如，學生在課上可以熟練利用頻率分析計算出洪水流量，但如果教學過程中不明確在環保規劃的哪個具體步驟中依據何種標準使用這一洪水流量完成哪個具體指標的設計，在工作中仍然會面臨上手慢的問題[6]。為了解決上述問題，筆者在教學過程中，提出了“實踐-理論-實踐-方法”為框架的新邏輯體系。在講授每個環境水文學理論之前，首先講述工程實踐的具體哪個環節需要應用到該理論，強化學生對理論知識應用領域的直觀理解，然后再展開講述理論原理；接下來介紹工程實踐工作中需要遵循的政策法規及具體的工作流程，并將相應的水文分析方法整合到實踐工作流程中展開論述。新的教學模式，有助于學生迅速建立起環保工程實踐與水文學理論、方法和技能之間的內在聯系，全面提高學生直面工程實踐的工作能力，改善工作上手慢的問題。

二 河川徑流情勢特征值分析的教學案例

接下來，以河川徑流情勢特征值分析的授課過程作為案例，詳細介紹“實踐-理論-實踐-方法”邏輯體系在環境水文學教學中的應用。

（一） 河川徑流情勢的概念導入

在講述河川徑流情勢特征值分析的理論原理之前，首先介紹河川徑流情勢特征值的工程應用。例如，防洪排澇工程中的壩體高度設計和水庫防洪庫容計算，以及城市污水處理廠的入河排污口高程設計，都需要掌握河川徑流的洪水水位和流量；灌溉工程中的灌溉面積計算、給水處理廠的取水口高程設計、河流污染物擴散規律研究等工作，需要著重關注河川徑流的枯水水位和流量；水利水電工程的設計和施工、航運工程的建設和管理、河流水資源規劃等工作的開展需要同時關注河川徑流的年際和年內變化，對河流的枯水、平水和豐水期的流量和水位都要求有詳實的數據。

當學生對河川徑流情勢特征值的工程應用有初步的認知后，再理解河川徑流情勢的相關概念就更為容易了。具體來說，河川徑流情勢是指河川徑流的水情要素（如水位、流速、流量等）時空變化情況，例如河川徑流的年際變化與年內分配[7]。如圖1所示，就是通過河流流量的逐月變化情況來表征年內分配。通過對比河流逐月流量與每個月需水量之間的差距，就可以分析出每個月的水量盈虧情況，指導水資源利用規劃。圖1中徑流量小于需水量的時段為1—5月和12月，屬于地表水資源不足的月份，此時為了保障居民生活和工農業生產的正常運轉，就需要興建水庫攔蓄雨季洪水供旱季利用，或者通過海綿城市等措施最大限度地收集雨水來補足需水量。通過這一案例的學習，可以使學生對于河川徑流情勢特征值分析的必要性和基本工作思路有更為直觀的認識，也自然而然地學會思考河川徑流的情勢到底用哪些特征值來表征，才更利于后續工作的開展。此時，再詳細介紹典型河川徑流特征值的概念，就更易于理解了。

圖1 某河流基于成果導向教育的教學體系舉例

典型的河川徑流特征值舉例如下。

1 年徑流量

河川徑流通常呈現出以年為周期的變化規律，因此通常以年為時間單位來表征河川徑流的變化特性。一年之內通過河流某一過水斷面的水量，即為該斷面的年徑流量，可以用年徑流總量（m3或108 m3）、年徑流深度（mm）和年徑流模數（m3/（s·km2））來表征。

2 年平均徑流量

將全年瞬時流量加和后按年平均，或者將年徑流總量除以全年時間，獲得的平均流量稱為年平均流量Q，常用單位為m3/s。

3 多年平均徑流量和年正常徑流量

將實測獲得的多個年度的年平均徑流量Qi取平均值，即為多年平均徑流量■。在氣候和流域下墊面基本穩定的條件下，隨著年平均徑流量的實測年數的上升，多年平均徑流量將趨近于一個穩定的數值，即為年正常徑流量，該數值可以體現河流在天然情況下的水資源量。

4  河川徑流的年內分配和年際變化

圖1中的流量逐月變化情況就是典型的河川徑流年內分配表征方式。此外，還可以用豐水流量最大值與枯水流量最小值的比值來粗略表征河川徑流的年內分配的不均勻程度，稱為年內極值比。河川徑流的年徑流量在多年期間內的變化稱為年際變化，通常年平均徑流量構成的樣本系列服從皮爾遜Ⅲ型概率分布。因此，最常用的方法是繪制年平均徑流量的累積頻率曲線來反映河川徑流的年際變化規律，依據年平均徑流量對應的累積頻率P劃分特豐水年（P≤12.5%）、偏豐水年（12.5%<P≤37.5%）、平水年（37.5%<P≤62.5%）、偏枯水年（62.5%<P≤87.5%）和特枯水年（P>87.5%）。

（二） 河川徑流情勢特征值分析的標準工作流程

河川徑流逐年的年平均徑流量的數值并不相同，年際和年內變化均具有明顯的隨機性[8]。但是在水利水電、農業灌溉和城市給水等工程設計和施工過程中，需要一個年平均徑流量數值用于確定工程規模[9]，也就是相應于特定設計標準的年平均徑流量，稱為設計年徑流量。設計標準可以用頻率來表示，也稱為設計保證率，可以理解為在多年期間內正常工作年數占工程運行總年數的百分比。設計頻率（保證率）的取值是非常嚴謹的工程問題。在授課過程中，必須引導學生形成嚴格遵循設計標準和規范來開展工作的習慣。例如，城市給水工程以地表水為水源時，設計枯水流量的保證率應當遵循GB 55026《城市給水工程項目規范》的規定。灌溉用水的設計保證率，應當符合GB 50288《灌溉與排水工程設計標準》的規定。對于城市防洪排澇工程設計，設計洪水流量的頻率需要遵循GB 50014《室外排水設計標準》、GB 50286《堤防工程設計規范》、GB 50201《防洪標準》等設計標準和規范。對于水利水電工程的防洪設計，需要遵循SL252《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規定。

在確定了設計頻率（保證率）以后應當依據規范化工作流程開展相關的設計工作，如圖2所示，為水文觀測資料數據量充足條件下（30年以上的歷年實測逐月徑流系列），設計年徑流量分析計算和年內分配的標準化工作流程。

圖2 設計年徑流量計算和年內分配的標準化工作流程

在課堂講授過程中將相應的水文分析方法整合于規范化工作流程的具體工作步驟中。在完成第一個工作步驟的水文資料收集后，在第二個工作步驟開展過程中，詳細講述具體采用哪些方法來驗證水文資料的可靠性、一致性和代表性。例如，可以通過歷年水位流量關系的比較、上下游或干支流的水量平衡關系、下游或干支流的水位-流量過程線對照、降雨和徑流關系分析等手段進行可靠性審查；可以點繪不同時段內的降雨-徑流關系曲線，通過分析上述關系曲線之間有無明顯的系統偏離，來判斷資料系列的一致性；可以通過與長系列的參證變量進行比較來驗證水文資料的代表性。對于滿足可靠性、一致性和代表性的歷年逐月徑流系列，再繼續依托第三個工作步驟講授如何采用具體的水文統計方法計算出對應于設計頻率的設計年徑流量，具體步驟如下。

1）將每一年度內的逐月流量取平均值，計算出每一年的年平均徑流量。

2）將樣本數為n的年平均徑流量按照由大到小的次序排列，依據公式（1）計算出每個排序為m年平均徑流量對應的累積經驗頻率P。并以年平均徑流量為縱坐標，以累積經驗頻率P為橫坐標，繪制經驗頻率散點圖。

3）計算出年平均徑流量構成的樣本系列的算數平均值■，依據公式（2）計算出該樣本系列的變差系數CV，依據工程設計經驗假定偏態系數CS為CV的某一倍數，計算出CS初始值。

4）根據CS值查水文設計手冊中的離均系數表，獲得各P值對應的離均系數ΦP值，再根據Qp=QKp=■（CVΦP+1），獲得不同P值對應的理論頻率Qp值。依據一系列的（P，Qp）繪制理論頻率曲線與經驗頻率散點圖進行匹配，調整CS取值，直至匹配合適。典型的經驗頻率散點圖與理論頻率曲線的匹配情況如圖3所示。

圖3 典型的經驗頻率散點圖與理論頻率曲線的匹配示意圖

5）從年平均徑流量的理論頻率曲線上，讀出符合設計頻率的設計年平均徑流量，并借助水量平衡原理和徑流的地理分布規律，對設計年平均徑流量、CV和CS進行成果合理性查驗。例如，可以將設計站的設計結果與上下游站和鄰近流域的設計結果進行比較，判斷設計結果的合理性；可以依據CV的地區等值線圖檢查CV值的合理性，一般規律是CV值隨流域面積、流域內湖泊水庫數量、地下水補給量的上升而下降；接下來依據CS/CV值的地理分布規律查驗CS的合理性。

依據實測樣本中選取的代表年份逐月流量變化情況，將設計年徑流量逐月分配的過程稱為年內分配（即第四、五個步驟）。事實上，學生在概念導入階段，通過對圖1中案例的學習，已經能夠充分理解為什么要進行設計年徑流量的年內分配。在實際工作中，普遍采用的工作方法是在實測資料中選取某一年作為代表年，用一定比例縮放代表年的月徑流過程，來確定設計年徑流量的年內分配，該方法稱為設計代表年法。代表年的年平均徑流量首先要接近于設計年徑流量。當有多個實測年份的年徑流量接近設計年徑流量時，應選取對工程較不利的代表年。例如對于灌溉工程，應選取在灌溉需水季節徑流量更小的年份，而對水電工程，應選取枯水期更長且徑流較枯的年份。也可以計算年內逐月流量的極值比（最大月流量與最小月流量的比值），極值比越大表明年內分配越不均勻，因此可選取年內極值比最大的實測年份作為代表年。

以比較常用的同倍比年內分配方法為例，在實測數據系列中選定了代表年后，可以用設計年徑流量與代表年的年徑流量比值，或用設計的供水期水量與代表年的供水期水量之比值，計算出分配系數K，對代表年的逐月月徑流量進行縮放，即可獲得設計年徑流量的逐月分配情況，如公式（3）所示

。 （3）

在獲得設計年徑流量的逐月分配之后，便可進行相應的工程實踐規劃設計。以水庫建設為例，在河川徑流量小于需水量的缺水月份，將需水量減去該月的河川徑流量獲得水量虧損值，將各月水量虧損值相加后乘以缺水月份的時間總長，即可初步估算水庫的調節水量。

（三） 非典型工程實踐問題的處理

工程實踐中可能會遇到實測資料不足30年、甚至是缺乏實測徑流資料的非典型情況。為了全面提升學生的工程實踐能力，需要在授課內容中拓展非典型工程實踐問題的處理技巧。例如，可以利用具有較長系列的參證站實測資料，依據相關關系，展延設計站的年月徑流資料；或者依據降雨與徑流的相關關系，利用實測降雨資料展延徑流系列[10]。當設計站觀測斷面所在的河流流段的河床穩定，沒有顯著的沖淤和急劇的水位漲落時，還可以依據流量和水位的相關關系，利用水位觀測數據來展延徑流量樣本系列。當出現無法通過相關性分析進行展延的情況時，還可以選擇合適的參證流域，利用水文比擬法將參證流域的水文資料通過適當的修正移用到設計流域上來。對于無實測水文資料的小流域，可以查詢該地區的水文手冊，利用手冊中的參數等值線圖進行地理插值，求得設計流域的統計參數（多年平均年徑流深■和年徑流深的變差系數CV）。之后依據經驗令CS等于CV的某個倍數，查詢離均系數表，依據Rp=R（CVΦp+1）計算出對應于設計頻率P的設計年徑流深Rp，將設計年徑流深乘以流域面積即可獲得設計年徑流量。

三 新邏輯體系的授課效果檢驗

分別對新授課邏輯體系的實施效果進行近期、中期和遠期檢驗。近期檢驗通過設置與工程實踐聯系緊密的課堂習題來實現；中期檢驗的實現方式是追蹤學生一年后完成《給排水管網與泵站課程設計》中水文學計算的準確度。如圖4所示，與直接講授理論知識點的舊授課邏輯體系相比，采用新的授課邏輯體系后，學生對課堂習題的完成情況明顯更好，在課程設計完成過程中水文學計算的準確度也更高，表現為優秀和良好的比例明顯上升。

圖4 授課效果的近期和中期檢驗結果

遠期檢驗通過對畢業生的回訪來實現。問卷調研結果表明，采用舊邏輯體系授課的學生，畢業后僅有15%在環境水文學相關的實踐工作中快速上手，而采用新邏輯體系授課的學生畢業后，有高達68%可以實現快速上手。

四 結束語

通過在環境水文學的教學過程中，實施新的授課邏輯體系，可以提升學生對枯燥理論的理解和活用能力，幫助學生形成靈活解決工程實踐問題的思路和方法。通過對教學效果進行近期、中期和遠期追蹤檢驗，進一步證實了新的授課邏輯體系的有效性和實用性，對于提升畢業生的就業競爭力具有重要的貢獻。

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DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.012

基金項目：山東大學教育教學改革研究項目“強化工程實踐能力培養的環境水文地質學教材建設”（2023Y109）

作者簡介：劉瑩（1983-），女，漢族，黑龍江綏化人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為水文地質學。