水利水电工程水文设计论文

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摘要摘要：影响工程水文设计成果合理性的因素，主要有基础资料、技术思路、方法技巧等。对同一工程来讲，不同设计者，因对水文资料处理、采用方法不同，最终成果差异很大。为了保证工程水文计算成果的合理性，本文提出一个评价工程水文设计成果合理性的基本思路及方法，和同仁携手探索。

摘要：设计成果可靠性一致性代表性差积累积

工程水文设计受基础资料、推理、环境、人为因素等方面的客观和主观的干扰，或多或少存在成果评判上的差异，这就决定了对工程水文设计成果的合理性分析，必须认真核查，才能保证成果的真实性。水文工作者多年来在这方面累积了丰富的经验，但是，在具体工作中时常出现重视计算，而在分析上下功夫不够的现象，给工程水文设计成果带来一定风险。为使水文设计成果精度和工程设计同步，笔者根据近几年来在成果审查中反复出现的新问题，谈几点熟悉，和同仁们商榷。

1、评价的主要对象

1.1资料的可靠性

基础资料的可靠性，是指设计中所引用的基本资料、数据、时期等，都要满足两条要求摘要：一是十分可靠;二是适应探究对象精度要求。

基础资料未经过严格复核、审查，就会给工作带来很多麻烦。例如摘要：台勒外丘克河拜城站2002年7月23日0时的流量数据，数据库中显示其值为8.59m3/s，而原始资料记载该值为204m3/s。该错误不仅影响了瞬时流量甚至洪峰流量，而且使时段洪量相差甚大。

由此可见摘要：基础资料必需具有足够的可靠性，才能保证成果的合理性。

1.1.1“规范”的基本要求

我国现行各种水文计算规范中都规定，在水利水电工程规划设计中，首先要对水文基本资料进行严格审查、复核，这就是要求首先要对资料的可靠性负责。

⑴中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程水文计算规范》SL278—2002(以下简称“水文计算规范”)中，多条、反复强调了基础资料的重要性，并用黑体印刷其意为强制执行，因为水文设计成果的精度主要取决于基本资料的可靠程度，故必须予以重视。

⑵中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》SL44—93(以下简称“洪水计算规范”)中，对基础资料，要求摘要：“应重点复核，必要时进行现场调查和比测试验”。因为设计洪水计算所依据的各种洪水资料，一般为不同历史时期所积累，精度各异，复核审查相当必要。

⑶其它规范中凡涉及水文资料者，均强调了“资料复核和审查”，可见，基础资料的可靠性非常关键。

1.1.2审查的重点内容

总结多年来的经验，对基础资料的复核、审查应重点放在如下几个方面摘要：

⑴资料的极值年群，即大水年和小水年的资料。

⑵设计对象所应用的主要资料。如摘要：

水位摘要：水尺位置、高程系统、水尺零点、水位衔接、观测次数等。

断面摘要：测量方法、断面外形、滩槽边界、断面冲淤变化等。

流量摘要：测量方法、测点布设、比降、糙率、借用断面、浮标系数等。

降雨摘要：观测场址、仪器类型、观测时段等。

1.2系列的一致性

一致性，是指所用的资料系列必须是在同一自然条件下产生的或是同一种类型的水文因素，不能混合统计不同性质的、各种条件下产生的资料系列。

影响系列一致性主要有两类现象。一是人类活动的影响；二是气象成因的不同。

人类活动影响，主要表现在各种工程建设，改变了水文系列的天然状态；人类活动改变，了流域上游的天然地貌和环境。图1所示，额尔齐斯河上游水文站和下游水文站洪峰流量关系在整个系，上游站迁移使关系线下部点据贴近线两侧，而两站间引水工程的修建，人为地改变了水文要素形成条件，使其上部点据偏离并平行向左侧排列，可见不考证水文条件而合为一个系列是不恰当的。

气象成因的不同对系列一致性影响的典型事件可以用叶尔羌河冰川湖溃决洪水说明。

图2为叶尔羌河卡群站洪峰流量频率曲线。从图可见摘要：Qm（洪峰流量，下同）≤2500m3/s的融水型洪水点群非常密集在下部，并基本成一字排列，中部仅有6270＞Qm＞2500m3/s的几个洪水点；依中小量级点据拟合整个曲线，显然曲线上部的任意性很大。

图2叶尔羌河卡群站洪峰流量频率曲线

1.3样本的代表性

代表性，对不同的设计对象，有不同的含义。对水文频率计算来讲，系列的代表性，是该样本对系列所在接近程度，如越接近程度越高，代表性越好，频率分析成果精度高，反之则低。对设计暴雨来讲，其所选用的雨量站位置，是相对流域面雨量的代表性。对水力发电站、浇灌引水工程、分期设计洪水等来说，则枯水时段、分段最小流量的代表性，是决定设计精度的关键。等等……。

水文系列代表性的优劣，反映了系列代表总体统计特征的程度，所以系列代表性是水文设计成果质量保证的前提。《“水文计算规范”》及《“设计洪水计算规范”》等中都明确规定摘要：“应在可靠性和一致性分析的基础上，进行代表性分析”。上述规定同时说明了分析步骤及顺序，即摘要：首先进行资料可靠性和系列一致性分析，然后进行样本的代表性分析。

目前在很多水文设计中普遍存在以下三方面新问题摘要：

(1)只注重代表性分析，而忽视可靠性和一致性，这样就失去了牢固的基础。

(2)水文系列代表性分析后所确定最短系列长度，和频率计算时采用的系列长度不一致。因为我们的目的是判定该系列是否处于系列偏大或偏小时期;是否能比较均匀地包含各种量级水文信息。但关键在于，水文系列代表性分析确定的最短系列长度，和计算采用系列长短无关。

(3)过分强调模比系数累积平均值趋近于1的效果，而忽略了整个过程的收敛程度。

1.4成果的合理性

成果的合理性，主要是包含两方面摘要：一方面是单项设计计算的平衡；另一方面是上、下、相邻、区域的各项参数的规律性。

主要评价内容应从资料、思路、方法、参数、图表、结论等方面进行综合审查。

2判定标准

水文设计的不确定因素太多，加之资料信息不够充分，设计中肯定会存在一定的风险，所以对设计成果取值，一般都是在合理的基础上，按偏于平安的原则考虑。这样做也符合规范要求。留有一定余地是十分必要的，既要使风险有合理性，又要使平安有科学性，投入产出不失衡。

笔者认为，合理性的判定标准，概括起来只有两条摘要：

⑴符合规范要求，规范是行业的统一技术标准；

⑵适当留有余地，接受合理风险。

3评价的思路和方法

3.1相关检查

相关检查分析水文要素的合理性，其前提是相关变量之间应有因果关系，并结合当时当地的真实情况，具体分析、真实应用。近年来，只要是计算暴雨洪水，不论是山地局地暴雨还是大面积降雨，也不论是山前麓还是山后麓，凡雨量站，资料全用，也有专选雨量量级大的站，不普查、不分析、不筛选，这就叫不作成因探究的偶合相关，偶合相关会导致不良结果。

国际水文科学协会副主席陈家琦教授认为摘要：用太阳黑子和黄河陕县洪水相关，按此推理，世界上就一个太阳，太阳黑子和地球上所有河流洪水都有关系，这个新问题很难解释。笔者的观点摘要：不能用宇宙因子和地方因子简单相关，否则会形成假相关或伪相关。

3.2频率曲线的检查

频率曲线的检查，应注重以下几点摘要：

⑴在资料可靠性、一致性、代表性合理评价的基础上进行。

⑵严格执行规范规定的各种频率曲线适线原则。区分各种频率曲线适线的侧重点。

⑶历史洪水的考证期，对三参数影响极大，要多方考证确认，否则，宁短勿长。

⑷新疆最长水文系列不足70年，历史洪水考证期，一般在百年左右，若求小频率设计值，以作者经验最好以P=0.33%作上限，不然风险太大。图3是库车河兰干站洪峰流量实例。从图中可见摘要：①排位第一的值是排位第二的值的3倍，流量1940～619m3/s之间，没有点据，适线难度大；②曲线通过老大点据的上部（最平安）和通过老大点据的下部（较平安）其稀遇频率的设计值相差甚大。

图3库车河台兰站洪峰流量频率曲线

图4

⑸综合频率检查是验证设计成果的最好、最方便、最直观的方法之一。图4是托什干河沙里桂兰克站一、三、五、七、十日洪量频率曲线综合图，由图可见，各条频率曲线分布趋向近于一致，相互协调，证实成果合理。

3.3其它方法检查

3.3.1差积曲线和滑动平均曲线

差积曲线和滑动平均曲线都是反映水文要素丰、枯变化的分析手段。曲线外形不同，反映出的水文要素周期不同。其目的都是判定系列是否包含丰、平、枯的完整过程，假如计算系列反映出的水文要素过程处于总体的丰水阶段或枯水阶段，则系列的代表性就差，若系列覆盖了丰、平、枯和另一个丰或枯，即使系列增长，其系列均值偏大或偏小，代表性也不好，也要外延，系列才能有好的代表性。

图5是塔里木河阿拉尔站根据树木年轮延长的220年径流量模比系数差积曲线。由资料统计知，1784～2003年多年平均年径流量53.55×108m3，1964～2003年多年平均年径流量50.60×108m3，1954～2003年多年平均年径流量53.39×108m3，1934～2003年多年平均年径流量56.07×108m3，1924～2003年多年平均年径流量58.15×108m3。

由后向前推，40年平均比220年平均小；50年平均和220年平均相近；增长到70年或更长，反而和220年平均值相差越来越大。这说明用差积曲线分析系列代表性，除应达到规范要求的基本系列长度外，主要取决于系列是否是丰、平、枯的完整过程。

3.3.2累积曲线和双累积曲线

模比系数是表现短系列各值对长系列平均值的偏离程度，模比系数累积平均值随着系列变化逐步趋近于1，这是基本要求。若只强调这一点，而忽视若短系列的模比系数平均值大于或者小于1，短系列均值都偏大或偏小，短系列最终虽然趋近于1，但仍缺乏代表性。

双累积曲线，最早是美国水文学者用于检查雨量资料一致性的分析技术，现在被广泛使用。对于水文要素双累积的结果，是连续完整的曲线，证实被检查对象是在原来同一条件下和同一的取值；否则应予以修正。

3.3.3抽样误差

抽样误差是由随机样本估计总体参数而产生的误差。这里作者仅根据频率计算中统计参数均方误公式计算（取CS=2CV）列下表，可见均值及CV的误差较小，CS误差较大，若系列长度不足，则计算的CV误差较大。

样本参数均方误（%）

均值

Cv

Cs

60

30

60

30

60

30

0.1

1

2

11

15

168

240

0.5

7

9

14

20

55

77

本文是根据近几年各类分析计算成果存在新问题的汇总，意在提高成果质量，在实际工作中应视不同对象，结合实际应用。

参考文献

1水利水电科学探究院水资源探究所.水文计算经验汇编（第四集）.北京摘要：水利水电出版社，1984

2王国安，李文家，水文设计成果合理性评价.郑州摘要：黄河水利出版社，2002

3水利部长江水利委员会水文局等.水利水电工程设计洪水计算手册.北京摘要：水利水电出版社，1995

4李江风，袁玉江，由希尧等，树木年轮水文学探究和应用.北京摘要：科学出版社，2000

5水利部，能源部.水利水电工程设计洪水计算规范SL44-93.北京摘要：水利水电出版社，1993

6水利部.水利水电工程水文计算规范SL278-2002.北京摘要：水利水电出版社，2002