水利水電工程水文設計論文

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摘要：影響工程水文設計成果合理性的因素，主要有基礎資料、技術思路、方法技巧等。對同一工程來講，不同設計者，因對水文資料處理、采用方法不同，最終成果差異很大。為了保證工程水文計算成果的合理性，本文提出一個評價工程水文設計成果合理性的基本思路及方法，與同仁攜手探索。

關鍵詞：設計成果可靠性一致性代表性差積累積

工程水文設計受基礎資料、推理、環境、人為因素等方面的客觀和主觀的干擾，或多或少存在成果評判上的差異，這就決定了對工程水文設計成果的合理性分析，必須認真核查，才能保證成果的真實性。水文工作者多年來在這方面累積了豐富的經驗，但是，在具體工作中時常出現重視計算，而在分析上下功夫不夠的現象，給工程水文設計成果帶來一定風險。為使水文設計成果精度與工程設計同步，筆者根據近幾年來在成果審查中反復出現的問題，談幾點認識，與同仁們商榷。

1、評價的主要對象

1.1資料的可靠性

基礎資料的可靠性，是指設計中所引用的基本資料、數據、時期等，都要滿足兩條要求：一是十分可靠;二是適應研究對象精度要求。

基礎資料未經過嚴格復核、審查，就會給工作帶來很多麻煩。例如：臺勒外丘克河拜城站2002年7月23日0時的流量數據，數據庫中顯示其值為8.59m3/s，而原始資料記載該值為204m3/s。該錯誤不僅影響了瞬時流量甚至洪峰流量，而且使時段洪量相差甚大。

由此可見：基礎資料必需具有足夠的可靠性，才能保證成果的合理性。

1.1.1“規范”的基本要求

我國現行各種水文計算規范中都規定，在水利水電工程規劃設計中，首先要對水文基本資料進行嚴格審查、復核，這就是要求首先要對資料的可靠性負責。

⑴中華人民共和國水利行業標準《水利水電工程水文計算規范》sl278—2002(以下簡稱“水文計算規范”)中，多條、反復強調了基礎資料的重要性，并用黑體印刷其意為強制執行，因為水文設計成果的精度主要取決于基本資料的可靠程度，故必須予以重視。

⑵中華人民共和國水利行業標準《水利水電工程設計洪水計算規范》sl44—93(以下簡稱“洪水計算規范”)中，對基礎資料，要求：“應重點復核，必要時進行現場調查和比測試驗”。因為設計洪水計算所依據的各種洪水資料，一般為不同歷史時期所積累，精度各異，復核審查相當必要。

⑶其它規范中凡涉及水文資料者，均強調了“資料復核和審查”，可見，基礎資料的可靠性非常關鍵。

1.1.2審查的重點內容

總結多年來的經驗，對基礎資料的復核、審查應重點放在如下幾個方面：

⑴資料的極值年群，即大水年和小水年的資料。

⑵設計對象所應用的主要資料。如：

水位：水尺位置、高程系統、水尺零點、水位銜接、觀測次數等。

斷面：測量方法、斷面形狀、灘槽邊界、斷面沖淤變化等。

流量：測量方法、測點布設、比降、糙率、借用斷面、浮標系數等。

降雨：觀測場址、儀器類型、觀測時段等。

1.2系列的一致性

一致性，是指所用的資料系列必須是在同一自然條件下產生的或是同一種類型的水文因素，不能混合統計不同性質的、各種條件下產生的資料系列。

影響系列一致性主要有兩類現象。一是人類活動的影響；二是氣象成因的不同。

人類活動影響，主要表現在各種工程建設，改變了水文系列的天然狀態；人類活動改變，了流域上游的天然地貌與環境。圖1所示，額爾齊斯河上游水文站與下游水文站洪峰流量關系在整個系，上游站遷移使關系線下部點據貼近線兩側，而兩站間引水工程的修建，人為地改變了水文要素形成條件，使其上部點據偏離并平行向左側排列，可見不考證水文條件而合為一個系列是不恰當的。

氣象成因的不同對系列一致性影響的典型事件可以用葉爾羌河冰川湖潰決洪水說明。

圖2為葉爾羌河卡群站洪峰流量頻率曲線。從圖可見：qm（洪峰流量，下同）≤2500m3/s的融水型洪水點群非常密集在下部，并基本成一字排列，中部僅有6270＞qm＞2500m3/s的幾個洪水點；依中小量級點據擬合整個曲線，顯然曲線上部的任意性很大。

圖2葉爾羌河卡群站洪峰流量頻率曲線

1.3樣本的代表性

代表性，對不同的設計對象，有不同的含義。對水文頻率計算來講，系列的代表性，是該樣本對系列所在接近程度，如越接近程度越高，代表性越好，頻率分析成果精度高，反之則低。對設計暴雨來講，其所選用的雨量站位置，是相對流域面雨量的代表性。對水力發電站、灌溉引水工程、分期設計洪水等來說，則枯水時段、分段最小流量的代表性，是決定設計精度的關鍵。等等……。

水文系列代表性的優劣，反映了系列代表總體統計特征的程度，所以系列代表性是水文設計成果質量保證的前提。《“水文計算規范”》及《“設計洪水計算規范”》等中都明確規定：“應在可靠性和一致性分析的基礎上，進行代表性分析”。上述規定同時說明了分析步驟及順序，即：首先進行資料可靠性和系列一致性分析，然后進行樣本的代表性分析。

目前在很多水文設計中普遍存在以下三方面問題：

(1)只注意代表性分析，而忽視可靠性與一致性，這樣就失去了牢固的基礎。

(2)水文系列代表性分析后所確定最短系列長度，與頻率計算時采用的系列長度不一致。因為我們的目的是判斷該系列是否處于系列偏大或偏小時期;是否能比較均勻地包含各種量級水文信息。但關鍵在于，水文系列代表性分析確定的最短系列長度，與計算采用系列長短無關。

(3)過分強調模比系數累積平均值趨近于1的效果，而忽略了整個過程的收斂程度。

1.4成果的合理性

成果的合理性，主要是包含兩方面：一方面是單項設計計算的平衡；另一方面是上、下、相鄰、區域的各項參數的規律性。

主要評價內容應從資料、思路、方法、參數、圖表、結論等方面進行綜合審查。

2判斷標準

水文設計的不確定因素太多，加之資料信息不夠充分，設計中肯定會存在一定的風險，所以對設計成果取值，一般都是在合理的基礎上，按偏于安全的原則考慮。這樣做也符合規范要求。留有一定余地是十分必要的，既要使風險有合理性，又要使安全有科學性，投入產出不失衡。

筆者認為，合理性的判斷標準，概括起來只有兩條：

⑴符合規范要求，規范是行業的統一技術標準；

⑵適當留有余地，接受合理風險。

3評價的思路和方法

3.1相關檢查

相關檢查分析水文要素的合理性，其前提是相關變量之間應有因果關系，并結合當時當地的真實情況，具體分析、真實應用。近年來，只要是計算暴雨洪水，不論是山地局地暴雨還是大面積降雨，也不論是山前麓還是山后麓，凡雨量站，資料全用，也有專選雨量量級大的站，不普查、不分析、不篩選，這就叫不作成因研究的偶合相關，偶合相關會導致不良結果。

國際水文科學協會副主席陳家琦教授認為：用太陽黑子與黃河陜縣洪水相關，按此推理，世界上就一個太陽，太陽黑子與地球上所有河流洪水都有關系，這個問題很難解釋。筆者的觀點：不能用宇宙因子與地方因子簡單相關，否則會形成假相關或偽相關

3.2頻率曲線的檢查

頻率曲線的檢查，應注意以下幾點：

⑴在資料可靠性、一致性、代表性合理評價的基礎上進行。

⑵嚴格執行規范規定的各種頻率曲線適線原則。區分各種頻率曲線適線的側重點。

⑶歷史洪水的考證期，對三參數影響極大，要多方考證確認，否則，寧短勿長。

⑷新疆最長水文系列不足70年，歷史洪水考證期，一般在百年左右，若求小頻率設計值，以作者經驗最好以p=0.33%作上限，不然風險太大。圖3是庫車河蘭干站洪峰流量實例。從圖中可見：①排位第一的值是排位第二的值的3倍，流量1940～619m3/s之間，沒有點據，適線難度大；②曲線通過老大點據的上部（最安全）和通過老大點據的下部（較安全）其稀遇頻率的設計值相差甚大。

圖3庫車河臺蘭站洪峰流量頻率曲線

圖4

⑸綜合頻率檢查是驗證設計成果的最好、最方便、最直觀的方法之一。圖4是托什干河沙里桂蘭克站一、三、五、七、十日洪量頻率曲線綜合圖，由圖可見，各條頻率曲線分布趨勢近于一致，相互協調，證明成果合理。

3.3其它方法檢查

3.3.1差積曲線與滑動平均曲線

差積曲線和滑動平均曲線都是反映水文要素豐、枯變化的分析手段。曲線形狀不同，反映出的水文要素周期不同。其目的都是判斷系列是否包含豐、平、枯的完整過程，如果計算系列反映出的水文要素過程處于總體的豐水階段或枯水階段，則系列的代表性就差，若系列覆蓋了豐、平、枯和另一個豐或枯，即使系列增長，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。

圖5是塔里木河阿拉爾站根據樹木年輪延長的220年徑流量模比系數差積曲線。由資料統計知，1784～2003年多年平均年徑流量53.55×108m3，1964～2003年多年平均年徑流量50.60×108m3，1954～2003年多年平均年徑流量53.39×108m3，1934～2003年多年平均年徑流量56.07×108m3，1924～2003年多年平均年徑流量58.15×108m3。

由后向前推，40年平均比220年平均小；50年平均與220年平均相近；增長到70年或更長，反而與220年平均值相差越來越大。這說明用差積曲線分析系列代表性，除應達到規范要求的基本系列長度外，主要取決于系列是否是豐、平、枯的完整過程。

3.3.2累積曲線與雙累積曲線

模比系數是表現短系列各值對長系列平均值的偏離程度，模比系數累積平均值隨著系列變化逐步趨近于1，這是基本要求。若只強調這一點，而忽視若短系列的模比系數平均值大于或者小于1，短系列均值都偏大或偏小，短系列最終雖然趨近于1，但仍缺乏代表性。

雙累積曲線，最早是美國水文學者用于檢查雨量資料一致性的分析技術，現在被廣泛使用。對于水文要素雙累積的結果，是連續完整的曲線，證明被檢查對象是在原來同一條件下和同一的取值；否則應予以修正。

3.3.3抽樣誤差

抽樣誤差是由隨機樣本估計總體參數而產生的誤差。這里作者僅根據頻率計算中統計參數均方誤公式計算（取cs=2cv）列下表，可見均值及cv的誤差較小，cs誤差較大，若系列長度不足，則計算的cv誤差較大。