水文頻率在水利工程設(shè)計(jì)中的作用

宋文獻(xiàn)，張紅艷

（1.吉林省水文水資源局松原分局，吉林松原138000；2.吉林省水文水資源局白城分局，吉林白城137000）

目前水文頻率計(jì)算的方法常用適線法，在實(shí)際工作中，適線法有兩種：一種是目估經(jīng)驗(yàn)適線，通過主觀判斷，決定適線的優(yōu)劣，此法雖然簡單靈活，并反映計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)，但適線因人而異，任意性大；另一種是計(jì)算機(jī)適線，把理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)的擬合誤差作為適線準(zhǔn)則，優(yōu)選統(tǒng)計(jì)參數(shù)，求得最佳的擬合曲線，但是這種方法不便處理樣本資料中的極大或極小水文數(shù)據(jù)，實(shí)際計(jì)算工程中，具體采用那種方法可根據(jù)實(shí)際需要選定。

1 水文頻率等級的確定

水文頻率常以%表示，水文上一般采用0.01%，0.1%，1%，10%，20%來衡量不同量級的洪水。頻率越小，表示這一量級以上的洪水出現(xiàn)的機(jī)會越少。水文上除采用頻率衡量洪水的大小外，也常用重現(xiàn)期(以年為單位)來表示，重現(xiàn)期是指某量級的洪水在很長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次。如某一量級的洪水的重現(xiàn)期為百年(俗稱百年一遇洪水)，是指這個量級的洪水在很長時期內(nèi)平均每百年出現(xiàn)一次的可能性，但不能理解為每隔百年出現(xiàn)一次。實(shí)際情況是這種洪水可能100年內(nèi)不止出現(xiàn)一次，也可能一次都不出現(xiàn)。

頻率和重現(xiàn)期實(shí)際上是衡量洪水量級的一個標(biāo)準(zhǔn)，是確定水利工程設(shè)計(jì)規(guī)模和等級的重要依據(jù)。

結(jié)合實(shí)際防洪能力，對洪水的等級劃分如下：

重現(xiàn)期在10年以下的洪水，為一般洪水；

重現(xiàn)期10年至20年的洪水，為較大洪水；

重現(xiàn)期20年至50年的洪水，為大洪水；

重現(xiàn)期超過50年的洪水，為特大洪水。

對洪水的等級，是綜合考慮各種因素后由主管部門審定并發(fā)布的，是針對某一流域或水系而言的，不是指某個單一測站而言的。

2 頻率計(jì)算方法與工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 頻率計(jì)算方法

繪制理論頻率曲線，主要目的是為了解決經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的延長問題。水文行業(yè)目前普遍選用的理論頻率曲線為p—m型曲線，它是由3個統(tǒng)計(jì)參數(shù)（x，Cv，Cs）決定的。3個參數(shù)從理論上講應(yīng)是總體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，但水文變量的總體是未知的，通常只能由樣本資料求出其3個統(tǒng)計(jì)參數(shù)，而樣本統(tǒng)計(jì)參數(shù)都具有抽樣誤差，這就使由樣本統(tǒng)計(jì)參數(shù)確定的p—m型曲線不能很好地反映總體的分布規(guī)律。實(shí)際工作中，通常采用調(diào)整樣本的統(tǒng)計(jì)參數(shù)及相應(yīng)p—m型曲線來擬合樣本的經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)，以盡可能減少參數(shù)估計(jì)的抽樣誤差和系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步探求總體的概率分布，這個過程在水文計(jì)算中稱為適點(diǎn)配線法，簡稱適線法。適線法得到的成果仍具有抽樣誤差，而這種誤差目前還難以精確估算，因此對于工程上最終采用的頻率曲線和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，不僅要從水文統(tǒng)計(jì)方面分析，而且還要密切結(jié)合水文現(xiàn)象的物理成因及地區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

2.2 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就是指用水部門和水利工程自身及下游防護(hù)對象允許破壞的程度。這種允許破壞的程度是建立在水文頻率基礎(chǔ)上的。水利工程廣義上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為興利標(biāo)準(zhǔn)和防洪標(biāo)準(zhǔn)兩種。

1）興利標(biāo)準(zhǔn)。興利標(biāo)準(zhǔn)是用設(shè)計(jì)保證率來表示的。興利的內(nèi)涵非常廣泛，通常包括灌溉、發(fā)電、城市供水、航運(yùn)、養(yǎng)殖等等。若要最大程度地滿足各個用水部門的用水要求，就需要工程規(guī)模大一些，選擇的水文頻率小一些，因而造成投資增大。要使投資和效益經(jīng)濟(jì)合理，這就要對工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析論證。如果效益遠(yuǎn)比投資小，就沒必要擴(kuò)大工程規(guī)模。因此，在水利工程設(shè)計(jì)時，一般不要求百分之百地滿足各個用水部門的用水需要，而是允許適當(dāng)斷水或減少供水量，這就要求研究各用水部門允許減少供水的可能性和合理范圍，定出在多年工作期間，用水部門的正常用水得到保證（或不破壞）的程度，這一保證用水（或不破壞）的程度就是設(shè)計(jì)正常用水保證率，簡稱為設(shè)計(jì)保證率。

設(shè)計(jì)保證率的選定，是一個確定縮減用水合理程度的經(jīng)濟(jì)權(quán)衡問題。設(shè)計(jì)保證率若選得過低，則正常用水遭受破壞的機(jī)會將增加，從而引起經(jīng)濟(jì)的損失。相反，設(shè)計(jì)保證率若選得過高，雖然用水部門用水保證率得到提高，但要增加工程投資和其他費(fèi)用，使工程效益和投資的比例減小。因此，設(shè)計(jì)保證率應(yīng)該通過經(jīng)濟(jì)比較分析，并根據(jù)水文頻率來確定。

2）防洪標(biāo)準(zhǔn)。水利工程除了興利外，另一主要作用就是防洪。防洪標(biāo)準(zhǔn)是指防護(hù)對象防御洪水能力相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)。這里的防護(hù)對象不僅指自身沒有防洪能力需要采取防洪措施的保護(hù)對象，如城市、鄉(xiāng)村、工礦企業(yè)和機(jī)場等，還包括能保護(hù)其他防護(hù)對象安全的水利工程的本身，如水庫、堤防等。防洪標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)在準(zhǔn)確預(yù)報未來洪水的基礎(chǔ)上，通過投資效益綜合經(jīng)濟(jì)分析來選定。然而和確定設(shè)計(jì)保證率一樣，根據(jù)實(shí)際需要選擇水文頻率。所以，只能采用統(tǒng)一規(guī)定的洪水頻率（重現(xiàn)期）作為防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)工程的重要性以及經(jīng)濟(jì)等綜合因素確定。

現(xiàn)行的防洪標(biāo)準(zhǔn)分為設(shè)計(jì)一級標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)、校核兩級標(biāo)準(zhǔn)兩種情況。根據(jù)防護(hù)對象的不同，其防洪標(biāo)準(zhǔn)可采用設(shè)計(jì)一級或設(shè)計(jì)、校核兩級。這里的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是指當(dāng)出現(xiàn)小于或等于這種標(biāo)準(zhǔn)的洪水（設(shè)計(jì)洪水）時，應(yīng)保證防護(hù)對象的安全或防洪設(shè)施的正常運(yùn)行。校核標(biāo)準(zhǔn)是指遇該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的洪水（校核洪水）時，采取非常運(yùn)用的措施，在保障主要防護(hù)對象和主要建筑物安全的前提下，允許次要建筑物不同程度的損壞及次要防護(hù)對象受到一定的損失。

3 結(jié)論

水文頻率的主要作用是依據(jù)水利工程所在流域已經(jīng)發(fā)生的水文過程，預(yù)估未來水利工程運(yùn)用期間的水文過程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，從而確定工程的規(guī)模。作為由樣本資料估算總體統(tǒng)計(jì)參數(shù)和探求總體概率分布的一種有效方法，適線法頻率計(jì)算是可以用來推求未來水文過程的，因?yàn)槲磥硭倪^程也是水文總體過程的一部分。所以，在水利工程設(shè)計(jì)工作中，根據(jù)水文樣本資料，通過頻率計(jì)算適線，把最后選定的理論頻率曲線近似地作為水文總體的概率分布，在該曲線上可查得該水文總體的另一個樣本值（某一頻率的設(shè)計(jì)水文變量值xp）。水文頻率計(jì)算方法是目前推求設(shè)計(jì)年徑流和設(shè)計(jì)洪水的基本方法。是水利工程設(shè)計(jì)工作中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

［1］崔振才.水資源與水文分析計(jì)算［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.195.

［2］丁炳坤.工程水文學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.199.