水文频率在水利工程设计中的作用

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【摘 要】水利工程建设是我国大力开展的一项基础设施建设，为我国社会经济、水利水电、农业灌溉等方面都做出了很大贡献。而在针对不同的地区进行水利工程设计时，为了在满足需求的情况下尽可能的降低工程成本，减少不必要的资金浪费和材料浪费，提高水利工程的运行效率，就必须要合理确定水利工程的规模大小以及结构形式。而要确定这些工程设计参数，必须要在分析当地水文频率的基础上进行。由此可见，水文频率对于水利工程建设的设计起到了关键的作用。现本文就来详细探讨水文频率在水利工程设计中的具体作用。

【关键词】水文频率；水利工程；设计标准；作用

所谓水文频率，主要是针对自然环境下，水文要素具有很大随机性而言的。例如，降雨是大自然的一种最常见的自然现象，是必然会发生的，但若具体到何时发生降雨，降雨量的大小，某个时间段内降雨的次数，年降雨量、最大洪峰流量、枯季最小流量等随机性水文变量，都是水文频率需要研究的主要内容。研究一个地区的水文频率，可以为预测当地发生洪水的频率以及灾害程度提供判断依据。而根据这些预测和判断，可以帮助水利工程设计人员确定当地水利工程建设规模的大小，根据河流的水文频率统计信息，可以确定水利工程的结构设计形式。为此，水文频率在水利工程设计中是具有非常重要的作用的。

1、水文频率等级的确定

水文频率常以%表示，水文上一般采用0.01%，0.1%，1%，10%，20%来衡量不同量级的洪水。频率越小，表示这一量级以上的洪水出现的机会越少。水文上除采用频率衡量洪水的大小外，也常用重现期（以年为单位）来表示，重现期是指某量级的洪水在很长时期内平均多少年出现一次。如某一量级的洪水的重现期为百年（俗称百年一遇洪水），是指这个量级的洪水在很长时期内平均每百年出现一次的可能性，但不能理解为每隔百年出现一次。实际情况是这种洪水可能100年内不止出现一次，也可能一次都不出现。

频率和重现期实际上是衡量洪水量级的一个标准，是确定水利工程设计规模和等级的重要依据。结合实际防洪能力，对洪水的等级划分如下：重现期在10年以下的洪水，为一般洪水；重现期10年至20年的洪水，为较大洪水；重现期20年至50年的洪水，为大洪水；重现期超过50年的洪水，为特大洪水。

对洪水的等级，是综合考虑各种因素后由主管部门审定并的，是针对某一流域或水系而言的，不是指某个单一测站而言的。

2、频率计算方法

绘制理论频率曲线，主要目的是为了解决经验频率曲线的延长问题。水文行业目前普遍选用的理论频率曲线为p—m型曲线，它是由3个统计参数决定的。3个参数从理论上讲应是总体的统计参数，但水文变量的总体是未知的，通常只能由样本资料求出其3个统计参数，而样本统计参数都具有抽样误差，这就使由样本统计参数确定的p—m型曲线不能很好地反映总体的分布规律。实际工作中，通常采用调整样本的统计参数及相应p—m型曲线拟合样本的经验频率点据，以尽可能减少参数估计的抽样误差和系统误差，进一步探求总体的概率分布，这个过程在水文计算中称为适点配线法，简称适线法。适线法得到的成果仍具有抽样误差，而这种误差目前还难以精确估算，因此对于工程上最终采用的频率曲线和相应的统计参数，不仅要从水文统计方面分析，而且还要密切结合水文现象的物理成因及地区分布规律进行综合分析。

3、工程设计标准

在水利工程的设计中，对于工程的设计标准要控制在当地所能允许的破坏范围内，即水利工程建设要满足一定的洪水防护功能，以保证当地以及下游地区的安全。而这种工程设计标准的确定是依据水文频率的基础而决定的。以下笔者就从水利工程设计标准中的兴利标准和防洪标准两方面探讨水文频率在水利工程设计中的作用。

3.1兴利标准。兴利标准是用设计保证率来表示的。兴利的内涵非常广泛，通常包括灌溉、发电、城市供水、航运、养殖等等。若要最大程度地满足各个用水部门的用水要求，就需要工程规模大一些，选择的水文频率小一些，因而造成投资增大。

为了使水利工程兴建的投资规模最小，而经济效益发挥到最大，就需要对兴利标准进行分析研讨。一般来讲，在设计中，无须完全满足当地用水的需求，而是在供水的合理范围内适当的减少供水，判定在多大的范围内断水或减少供水量不会影响到当地用水部门的正常运行，将其破坏程度控制在允许范围，即设计用水的保证率。

设计保证率的选定，是一个确定缩减用水合理程度的经济权衡问题。设计保证率若选得过低，则正常用水遭受破坏的机会将增加，从而引起经济的损失。相反，设计保证率若选得过高，虽然用水部门用水保证率得到提高，但要增加工程投资和其他费用，使工程效益和投资的比例减小。因此，设计保证率应该通过经济比较分析，并根据水文频率来确定。

3.2防洪标准。水利工程除了兴利外，另一主要作用就是防洪。防洪标准是指防护对象防御洪水能力相应的洪水标准。这里的防护对象不仅指自身没有防洪能力需要采取防洪措施的保护对象，如城市、乡村、工矿企业和机场等，还包括能保护其他防护对象安全的水利工程的本身，如水库、堤防等。防洪标准原则上应在准确预报未来洪水的基础上，通过投资效益综合经济分析来选定。然而和确定设计保证率一样，根据实际需要选择水文频率。所以，只能采用统一规定的洪水频率（重现期）作为防洪标准。根据工程的重要性以及经济等综合因素确定。

现行的防洪标准分为设计一级标准和设计、校核两级标准两种情况。根据防护对象的不同，其防洪标准可采用设计一级或设计、校核两级。这里的设计标准是指当出现小于或等于这种标准的洪水（设计洪水）时，应保证防护对象的安全或防洪设施的正常运行。校核标准是指遇该标准相应的洪水（校核洪水）时，采取非常运用的措施，在保障主要防护对象和主要建筑物安全的前提下，允许次要建筑物不同程度的损坏及次要防护对象受到一定的损失。

4、结论

由本文上述分析可知，在实际的水利工程设计中，若要实现投资与收益的最佳效果，就必须要将工程设计标准建立在水文频率的基础上，通过水文频率的数据分析，来判定水利工程的修剪规模程度。使水利工程在既满足当地水利需求的前提下，又能尽可能的降低工程造价，实现水利工程的收益最大化。由此可见，水文频率的计算准确性是非常关键的，其所得数据的合理性、准确性程度都是影响水利工程的关键因素，为此，提高水文频率计算方法和计算水平也是完善水利工程设计中必不可少的环节。