航道工程水文中几个常见问题的商榷

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摘要：航道工程水文分析的结果直接影响工程规模和投资而倍受关注；但由于许多问题介于水利工程、水文、航道工程之间，往往造成设计人员无所适从。本文就日常航道工程设计中遇到的几个常见的水文问题，从水文专业角度进行分析探讨，以供相关人员参考。

关键词：航道工程 水文 问题商榷

工程水文是航道工程设计中的“小专业”，熟悉的人较少，但由于其分析结果直接影响工程规模和投资，往往关注的人又很多；由于结果直观简单，一个数字而已，大家都可以随口评说；但往往业主一个问题，让一帮设计人员无所适从。在此就日常工作中遇到的几个水文问题，从水文专业角度探讨一二，并借机和同仁商榷。

航道高水、低水标准谁说了算？

航道工程水文高水重现期为5～100年，其中常用的是10～20年，重现期大于5年的高水位常被称为洪水，由于高水一出事，后果很严重，水利行业很重视，涉及洪水的法律就有《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《中华人民共和国河道管理条例》等，随着近几年水利基础设施的不断加强和完善，正常情况下，重现期5～20年洪水是可以控制的，加之其它部门或行业一般不会干涉高水，所以说，高水标准应有水利行业管理部门说了算，航道部门只能应用。但也不能说是“抄袭”水利设计数据，目前正提倡河道综合开发利用，应该说是在水利部门防洪控制的总原则下，航道部门借水开发利用。

至于低水，首先涉及水资源问题，我国是水资源相对缺乏的国家，加之利用分配也不尽合理或者说没有做到综合利用，低水时尤其显得匮乏，用水和干涉的部门行业较多，往往各行各业出自自身利益，单靠水利行业是无法控制和掌握的，也就是说低水不能完全利用水利部门的设计参数，甚至于一些水利部门自己建管的船闸为了多蓄水保证船闸通航，也没有按照设计参数调度低水，这就是一些现有老船闸闸上游的实测低水位高于船闸原设计低水位的主要原因。所以在航道设计低水位时，有资料情况下尽量按规范要求统计计算，即航道低水以实际发生的实测资料计算为准，已有水利设施的设计参数仅供参考。

为什么用实测资料计算的水位与现有的节制闸或船闸设计参数不一样，哪个正确？

水利部门在设计节制闸或船闸时往往还没有水文观测资料，其设计参数是通过水文计算推算得到的，一般程序是：由一定频率m的设计降雨量Pm，通过产、汇流计算，得到相应的设计流量过程或设计流量Qm，用此设计闸坝尺寸，确定闸坝尺寸后，再按一定的调度方式，计算设计流量Qm过闸时在闸上、下游所发生的水位，即为闸坝设计水位Hm；由于同一频率的设计降雨、水位、流量并非一一对应，所以严格地说，此水位是设计降雨Pm所产生的流量过程过闸时对应的水位，并非我们定义所要求的按资料系列排频得到的设计水位。

闸坝建成后，为了闸门调度需要，一般都建有上、下游水位观测设备，等到我们现在做航道或船闸设计时，往往已有一段水位系列资料，利用实测的水位资料统计分析值和原闸坝设计参数往往不同。那么谁对谁错？部分航道管理部门甚至设计人员认为河道所有权是水利部门的，闸坝也是他们建的，应该水利部门设计值是正确的，甚至质问为什么用实测资料计算值与闸坝设计值不同？言下之意是分析计算错了。其实，从以上分析可知，由于计算方法不同，实测资料计算值和原设计值不同是正常的，原设计参数是分析推算值，实测资料计算值是实际发生结果，后者才是航道设计定义的设计水位；如果两者不同可以认为原设计参数选用不当，或者说建闸后自然条件及人类活动的影响导致差异，如有通航建筑物至少可以说其在建成运行中没有按照原设计参数进行调度运行。

其实水利部门并不关注低水位，甚至于部分闸坝水位站为汛期站，非汛期不观测水位，不用水位调度闸门。航道部门应有自己的原则和坚持，目前都在提倡河道综合利用，航运是综合利用内容之一，作为航道管理部门应该要求通航建筑物符合航道管理要求，即航道部门从航运经济效益出发，对河道低水应有发言权。

新规范《内河航运工程水文规范》（JTS 145-1-2011）中增加了 “5.2.9 枢纽上下游河段设计通航水位应结合枢纽运行后的实测资料进行必要的验证和调整”，说明已经考虑了两者的衔接和取用，为后期通航建筑物设计参数的调整提供了设计依据。如果对原设计通航水位进行检验的话，实测分析值应为真值，而原参数只是当初设计时的拟定值或假定值。

为什么近几年出现的高水比设计值偏低？或出现的低水比设计值偏高？如何验证统计分析值？

经常有人说，设计水位太高了，近期很多年都没有发生这么大的洪水，甚至于近二十年都没发生高于十年一遇的洪水位，这就涉及到统计结果的验证问题；计算值是样本系列的分析统计结果，样本是代表无限长的总体，要验证样本统计值的正确与否，必须有无限长总体资料加以验证；高于十年一遇的设计洪水位，在近二十年没发生，不能证明在未来的二十年里不发生4次或在未来的八十年里不发生10次。设计最高通航水位采用年极值频率分析法，这是一种应用纯数学统计理论对水文自然要素值进行数理统计的一种分析方法，其统计值是用于设计的指标值，它表示航道或通航建筑物的一项标准，并非实际发生值；加之由于人类活动影响的不断变化，破坏了统计分析资料所需的试验条件不变的独立随机条件，故理论上水文统计分析结果是无法验证的；现实中至少要通过长于样本系列（≥30年）的资料来佐证分析高水统计值的合理性，但不能简单地用几年的资料来验证或评定长系列样本资料的统计成果。

同样道理，设计最低通航水位也是所用资料系列（≥20年）的平均统计结果，不能根据眼前几年的低水状况来判别长系列样本资料的分析成果的对错，至少要用多于统计系列年限（≥20年）的连续资料来分析其合理性。

往往高水持续时间很短？对通航影响时间有限，能否降低最低通航水位？

设计最高通航水位涉及过河建筑物高度，往往通过统计碍航天数，觉得碍航持续时间很短，从经济角度觉得投资过大，设计标准偏高。事实上设计最高通航水位采用年极值频率分析法，所取用的资料是每年的最高瞬时值，年最高水位持续1秒和持续1天、10天都一样算一次，和持续时间长短无关，汇水的流域面积越大、地势越平坦，高水持续就越长；由于高水的危害性较严重，《内河通航标准》所制定的高水标准比较高，不同航道设计最高通航水位标准如下表：

其中Ⅰ～Ⅲ级航道要求的洪水重现期为20年一遇，即每二十年只出现一次瞬时值大于此值，在数理统计学中属于小概率事件，既是人们正常意识中认为不可能发生的事件，正常人的一生仅能遇到3～4次。另外标准表6.2.1的下面有“注：对出现高于设计最高通航水位历时很短的山区性河流，Ⅲ级航道洪水重现期可采用10年；Ⅳ级和Ⅴ级航道可采用5～3年；Ⅵ和Ⅶ级航道可采用3～2年。”，说明规范中已考虑了持续时间长短问题。

标准的高低是由标准制定部门负责解释，设计水位是根据实测资料计算出来的，几级航道就用什么标准，降低标准就得降低航道等级，这一点应是设计人员坚持的原则，不能凭个别人就近几年水位状况的局限理解就随意降低通航标准。

航道水文计算所需的水文资料系列是否越长越好？

收集的水文资料要进行可靠性、一致性和代表性检查，可靠性是指资料真实可信度，一致性是指形成资料系列的基本条件的相同程度，代表性是指所选资料系列的统计特性反应总体统计特性的程度。影响河段水文条件的因素可归纳为两类，即自然因素和流域下垫面因素；自然因素主要是气象因子，流域下垫面因素主要是指人类活动改变产汇流条件；气象因子具有一定的周期变化规律，单从自然因素角度应该系列越长代表性越好，同时数理统计中系列越长抽样误差也越小；但另一方面系列越长意味着系列跨越的时间越长，人类活动对下垫面的影响就越显著，导致资料的一致性较难保证，故如何兼顾两类因素影响而合理选择系列长度应该是水文分析关键的第一步。实际工作中应从实际出发具体分析对待，由于人类活动对高水的影响较小，且PⅢ型曲线定线需要系列年限不少于30年，故高水系列尽量取长，甚至于尽量搜集一些有价值的调查洪水资料，同时参考水利部门的设计、规划资料，相对来说只要有资料高水分析比较容易。由于人类活动对低水的影响比较明显，特别是近年来水利基础设施投入的加大，致使低水系列年限的选择较为复杂，《内河航运工程水文规范》（JTS 145-1-2011）中“5.1.1（1）当资料具有良好的一致性时，取近期连续资料系列，取用年限不短于20年”，由于目前航道断航主要是因低水时水深不足造成的，致使低水成为航道工程关注的重点，考虑我国水利基础设施投入加大应从1990年以后，取用资料长度应以20年为底限，可根据航道的治理历史适当延长，但不宜太长。

不同系列长度资料的计算结果是不同的，低水比高水更敏感。另外，高、低水还和水利枢纽的调度方案有关，有的枢纽高、低水有强制性控制，在此控制范围内系列长短影响就不明显了。

河道断面因挖沙或航道整治有变化时，设计水位能否计算？

某些河段因受人类活动或自然条件的影响，河床地形变化很大，引起水位（特别是枯水位）持续变化，造成水位系列一致性较差，若采用水位资料系列推求确定设计水位（特别是设计低水位），将有明显误差。为此，新规范《内河航运工程水文规范》（JTS 145-1-2011）中新增了 “5.1.2当基本站所处河段河床和水文条件出现明显变化时，应采用流量系列统计分析确定设计流量，通过近期水位流量关系推求设计水位，并与以水位系列推求的设计水位进行比较，综合分析确定水位”。此方法认为河床地形改变后，水位变了，但流量不变。方法需要三方面资料：①近20年以上的逐日及30年以上的年极值流量资料，用于计算一定频率高水流量和一定保证率低水流量；②航道断面处的水位流量关系，用于由设计流量推求相应的水位；③近20年以上的逐日及30年以上的年极值水位资料，用于计算一定频率的高水位和一定保证率低水位，用于两种计算结果对比分析。此种方法只有具备水位、流量资料的水文站才有条件做到，其中水位～流量关系比较复杂，各站方法不同，每年线型也不一致，必须用大量的水位、流量实测资料分析确定。

（作者单位：安徽省交通规划设计研究院有限公司）