關(guān)于水利工程水文及水利分析計算中的幾點認(rèn)識

石 浩

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院， 貴州 貴陽 550002)

關(guān)于水利工程水文及水利分析計算中的幾點認(rèn)識

石 浩

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院， 貴州 貴陽 550002)

本文根據(jù)本人多年工作經(jīng)驗，對水利工程中的徑流、設(shè)計洪水及水位流量關(guān)系計算等水文分析計算；興利調(diào)節(jié)計算方法、不同調(diào)度方式的水能計算及防洪與興利結(jié)合等水利計算問題提出幾點個人的認(rèn)識，為相關(guān)專業(yè)的規(guī)劃及設(shè)計人員提供參考。

水文及水利分析計算； 設(shè)計洪水； 水位流量關(guān)系； 興利調(diào)節(jié)

1 引 言

水文規(guī)劃專業(yè)是水利工程設(shè)計的基礎(chǔ)專業(yè)，水文及水利分析計算為水利工程供水及防洪安全提供保障。本文對水利工程水文及水利分析計算中的一些問題提出個人認(rèn)識，供各相關(guān)專業(yè)的設(shè)計人員參考。

2 徑流計算

徑流計算的方法較多，水文比擬法和降水徑流同頻率相應(yīng)法為貴州省最常用的兩種徑流計算方法。水文比擬法常用于大中型水利工程，降水徑流同頻率相應(yīng)法則在小型水利工程中得到普遍運用。在徑流計算中有些問題存在爭議性，對此，本人提出個人的意見供參考。

2.1 徑流系數(shù)修正的必要性

通常情況下，用水文比擬法進行徑流計算時考慮的修正因子為集水面積和面上降水量，如果再將徑流系數(shù)差異修正考慮進去，則成為徑流深修正，壩址的徑流深是壩址的面上降水量與徑流深的乘積，也就是說壩址的多年平均徑流量與依據(jù)站沒有直接關(guān)聯(lián)。故此，就有必要做徑流系數(shù)修正。貴州省屬于典型的喀斯特地區(qū)，下墊面及匯流條件差異較大，再加上水文測站分布稀少，一般情況下水文依據(jù)站以上控制流域與設(shè)計流域徑流系數(shù)普遍存在差異性(即使同一流域，上下游也有差異)，故考慮徑流系數(shù)修正是必要的。個人認(rèn)為壩址多年平均徑流量與依據(jù)站本來就沒有直接關(guān)系，不因依據(jù)站的變化而變化，依據(jù)站只是解決徑流的年際變化及年內(nèi)分配問題。

2.2 依據(jù)站以上控制流域的面上降水量資料的收集及分析

貴州省在利用水文比擬法進行徑流計算時通常同時考慮集水面積、面上降水量及徑流系數(shù)的修正。因壩址以上的徑流系數(shù)為多年平均值，為保持一致性，往往面上降水量修正也是考慮多年平均修正，而不是歷年修正；因此要對依據(jù)站以上控制的面上降水量觀測站的資料進行大量的收集、整理和分析工作。因為徑流計算中考慮徑流系數(shù)修正之后，得到的是徑流深修正，而徑流深則是實測成果，與面上降水量沒有直接關(guān)系；故提出在利用水文比擬法進行徑流計算時如果同時考慮集水面積、面上降水量及徑流系數(shù)的修正，依據(jù)站以上控制流域的多年平均面上降水量可根據(jù)相關(guān)等值線圖及相關(guān)規(guī)劃成果確定。

2.3 不同計算方法的多年平均徑流量成果差異性

因水文依據(jù)站的實測資料系列反映該控制斷面以上的現(xiàn)狀用耗水過程，在利用水文比擬法和降水徑流同頻率相應(yīng)法計算壩址處多年平均徑流量時通常要求考慮此差異，也就是說水文比擬法的多年平均徑流量要小于降水徑流同頻率相應(yīng)法的成果。個人認(rèn)為兩種方法計算的多年平均徑流量應(yīng)該一致，理由是：?壩址多年平均來水量是壩址以上流域的產(chǎn)匯流條件決定的，與徑流計算方法及依據(jù)站選擇無關(guān)；?等值線圖的徑流深為天然徑流深，則壩址處無論哪種計算方法得到的徑流量均為天然的徑流成果，與依據(jù)站流域內(nèi)的用耗水量及過程無關(guān)；?依據(jù)站實測徑流過程及流域內(nèi)用耗水過程只是影響年際變化及年內(nèi)分配問題，不影響壩址處的多年平均徑流量。

2.4 扣除流域內(nèi)用耗水

通過計算確定壩址徑流成果后，在興利調(diào)節(jié)計算中，需扣除設(shè)計水平年的流域內(nèi)耗水過程。在貴州省，采用降水徑流同頻率相應(yīng)法計算時，應(yīng)扣除設(shè)計水平年以上的全部耗水，而水文比擬法則只需要扣除設(shè)計水平年與現(xiàn)狀水平年之間新增的耗水量。個人認(rèn)為兩種方法應(yīng)該均扣除設(shè)計水平年以上的全部耗水，原因是徑流深等值線圖為還原的天然徑流深，壩址的徑流成果為天然徑流成果。

第二種觀點認(rèn)為我國正處于跨越中等收入陷阱的中間區(qū)域。有學(xué)者提出在2010年中國進入中等收入國家后，出現(xiàn)了幾個非常值得關(guān)注的現(xiàn)象：一是我國經(jīng)濟增速呈現(xiàn)出放緩的態(tài)勢；二是我國同其他眾多發(fā)展中國家相比，制造業(yè)的成本優(yōu)勢不復(fù)存在，且由于勞動力價格的上升，比較優(yōu)勢在下降；三是與發(fā)達(dá)國家相比，我們的中高端高科技力量仍然不夠雄厚。雖然我國現(xiàn)在有一些符合“中等收入陷阱”的特征描述，但是由于以上三種現(xiàn)狀的存在，表明了中國正處于跨越中等收入陷阱的中間區(qū)域。以國家發(fā)改委宏觀經(jīng)濟研究院原院長馬曉河為代表的學(xué)者持有這種觀點。

3 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水計算方法較多，流量法和雨洪法是最為常見的兩種。流量法常用于大中型水利工程，雨洪法則在小型水利工程中得到普遍運用。設(shè)計洪水計算包括洪峰流量、洪量及洪水過程線計算，在此提出一些關(guān)于洪水計算的個人認(rèn)識。

3.1 洪水計算方法

大中型水利工程設(shè)計洪水一般需要兩種或兩種以上的方法進行比較，一般采用流量法、雨洪法及地區(qū)綜合法進行比較，然后合理地確定設(shè)計洪水計算方法及成果。洪峰流量、洪量、洪水過程線是設(shè)計洪水的三要素，貴州省偏重對洪峰流量的計算，忽略其他兩個要素，特別是洪量的計算。因此在設(shè)計洪水計算時要結(jié)合工程的性質(zhì)，合理地確定洪水計算方法及成果。如防洪工程，偏重洪峰流量；水庫工程則要同時考慮三個要素。通常情況下，設(shè)計洪水的三個要素采用同一種方法計算的成果，但從工程安全角度考慮，建議交叉使用對工程不利設(shè)計洪水計算方法及成果。

3.2 應(yīng)用雨洪公式計算需注意的問題

在應(yīng)用貴州省雨洪公式計算設(shè)計洪水時，流域參數(shù)、暴雨點面分區(qū)、暴雨衰減指數(shù)等參數(shù)基本上是確定的，應(yīng)該注意的是匯流系數(shù)分區(qū)及取值、暴雨統(tǒng)計參數(shù)的確定。

根據(jù)設(shè)計流域上下游及鄰近水文測站的實測洪水成果，采用雨洪法擬定其匯流系數(shù)r1的分區(qū)及取值；從工程的安全角度考慮，匯流系數(shù)分區(qū)盡量不要取Ⅰ2區(qū)。當(dāng)匯流系數(shù)分區(qū)確定后，根據(jù)歷史洪水調(diào)查成果，結(jié)合其他計算方法的設(shè)計洪水成果，上下游及鄰近其他工程的設(shè)計洪水成果及設(shè)計巖溶情況等合理確定匯流系數(shù)r1的取值，通常情況下，盡量采用該區(qū)均值。根據(jù)設(shè)計流域及鄰近流域的暴雨統(tǒng)計參數(shù)，結(jié)合相關(guān)等值線圖確定設(shè)計暴雨統(tǒng)計參數(shù)。通常情況下，如果設(shè)計流域及周邊實測的暴雨統(tǒng)計參數(shù)小于等值線圖成果，一般采用等值線圖成果；如果設(shè)計流域及周邊實測的暴雨統(tǒng)計參數(shù)大于等值線圖成果，一般采用實測的分析成果。

3.3 區(qū)間相應(yīng)洪水洪峰流量計算

3.4 施工分期洪水

施工分期設(shè)計洪水成果是施工組織設(shè)計的依據(jù)及施工安全的保障，在施工分期設(shè)計洪水頻率分析計算中當(dāng)施工分期設(shè)計洪水P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)下的適線效果不好，局部偏離實測點據(jù)較大時，應(yīng)考慮調(diào)整分期洪水的均值及變差系數(shù)Cv，盡可能地使頻率曲線通過實測點據(jù)，保證施工分期洪水設(shè)計成果的可靠性及安全性。當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計壩址集水面積差異在5%以內(nèi)，可采用面積直接比擬依據(jù)站的經(jīng)驗頻率確定的設(shè)計成果；當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計壩址集水面積差異大于5%，建議采用面積比擬依據(jù)站調(diào)整均值及變差系數(shù)Cv的適線成果，并同時考慮依據(jù)站與設(shè)計壩址的變差系數(shù)變化差異。此外，暴雨洪水計算方法是小流域普遍采用的設(shè)計洪水計算方法，在施工分期暴雨頻率分析計算中也同樣存在上面提到的問題，因此也適用于施工分期暴雨頻率分析計算。

4 水位流量關(guān)系

天然控制斷面水位流量關(guān)系一般采用曼寧公式進行計算：通過實地查勘，結(jié)合河道實際情況，參照“我國天然河流河道糙率參考表”，確定河道的糙率；低水比降參照測時水邊比降，高水比降根據(jù)歷史洪水調(diào)查成果確定；用Z—A、Z—V曲線及低水測流驗證水位流量關(guān)系成果。在水位流量關(guān)系計算中，河道糙率對水位流量關(guān)系成果影響較大，且河道糙率一般為經(jīng)驗值，貴州省水文站斷面的河道糙率一般為0.035～0.15，且多為0.05以上。因此，一般情況下建議用曼寧公式推求天然河道控制斷面水位流量關(guān)系時河道糙率取值不宜低于0.05；有條件的地方，建議設(shè)專用站對其控制斷面水位流量關(guān)系進行觀測校核率定。

5 興利調(diào)節(jié)計算

興利調(diào)節(jié)計算是確定水庫規(guī)模的依據(jù)，結(jié)合水庫的功能特性，簡單談?wù)勁d利調(diào)節(jié)計算中的一些個人認(rèn)識。

5.1 興利調(diào)節(jié)計算方法

興利調(diào)節(jié)計算常用的方法為時歷法及概率法。時歷法又分長系列法及代表年法，概率法又分庫容相加法和頻率組合法，時歷法中的長系列法為興利調(diào)節(jié)計算中普遍采用的計算方法。

因以前的實測資料系列較短，資料的代表性不足，故在興利調(diào)節(jié)計算中年調(diào)節(jié)以內(nèi)的水利工程也常用典型年法；但隨著觀測年限的增加，資料系列基本上都超過規(guī)范規(guī)定的30年，一般都有40～50年的資料系列長度，資料的代表性較好，已經(jīng)采用長系列興利調(diào)節(jié)計算的水利工程，個人認(rèn)為再做典型年法興利調(diào)節(jié)計算沒有太大必要，主要原因是：?典型年選擇的人為性；?灌溉用水過程的不確定性；?不同保證率條件下削減的任意性；?典型年法成果的合理性；?典型年法與長系列法成果差異較大時的取舍性。

同理，多年調(diào)節(jié)水庫也沒有必要用概念法中庫容相加法進行驗證。

在長系列法興利調(diào)節(jié)計算中庫容排頻最為常用，當(dāng)水庫沒有防洪庫容時，該方法興利計算成果是可靠的；當(dāng)水庫興利庫容與防洪庫容重疊時，興利庫容為綜合值。因此，當(dāng)水庫因汛期汛限水位低，后汛期水位蓄不上來，且該年的興利庫容又小于設(shè)計保證率需要的興利庫容出現(xiàn)時，建議采用長系列法供水量排頻來進一步復(fù)核興利庫容的合理性。

如果水庫的調(diào)節(jié)性能為多年調(diào)節(jié)，采用長系列庫容排頻統(tǒng)計興利庫容時，遇到連續(xù)枯水年組時，建議考慮每年統(tǒng)計一個興利庫容和根據(jù)虧水時段統(tǒng)計興利庫容進行比較，推薦偏安全的興利調(diào)節(jié)計算成果。

5.2 不同調(diào)度方式的水能計算

許多大中型水利工程的規(guī)模是根據(jù)設(shè)計水平年的需水規(guī)模及過程、設(shè)計保證率來確定的。在很多時候水庫在保證供水并下放環(huán)境水的情況下，汛期仍有較多的棄水，為了充分利用水力資源，設(shè)計時通?？紤]在壩后裝一附屬電站，利用環(huán)境水及棄水發(fā)電。水調(diào)和電調(diào)是兩種不同的調(diào)度方式，因工程的主要任務(wù)為供水，發(fā)電為附屬功能，從供水安全考慮，理論上應(yīng)按電調(diào)服從水調(diào)來計算附屬電站的能量指標(biāo)；從優(yōu)化調(diào)度及利益最大化考慮，設(shè)計時按水調(diào)服從電調(diào)及電調(diào)服從水調(diào)兩種調(diào)度方式進行附屬電站的能量指標(biāo)分析計算，如電調(diào)服從水調(diào)能量指標(biāo)較優(yōu)，則附屬電站采用該調(diào)度方式的能量指標(biāo)；當(dāng)水調(diào)服從電調(diào)能量指標(biāo)較優(yōu)，則建議兼顧考慮兩種調(diào)度方式，并以兩者的均值作為附屬電站能量指標(biāo)。

5.3 防洪與興利的結(jié)合

防洪和興利的結(jié)合方式有三種：?防洪庫容與興利庫容完全結(jié)合；?防洪庫容與興利庫容部分結(jié)合；?防洪庫容與興利庫容完全不結(jié)合。從節(jié)約工程投資的角度盡可能地讓防洪與興利結(jié)合。根據(jù)水庫的來水及需水過程，在不設(shè)置防洪限制水位的情況下，以滿足需求而確定的正常蓄水位為基礎(chǔ)，在設(shè)計保證率下如后汛期(汛限時段外)主要蓄水期保證供水后能蓄滿，水庫應(yīng)采取防洪與興利完全結(jié)合的方式；如保證供水后仍有多余水量，但不能蓄滿，水庫應(yīng)采取防洪與興利部分結(jié)合的方式；如保證供水后無多余水量或保證不了供水需求，水庫應(yīng)采取防洪與興利完全不結(jié)合的方式。

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Several understandings on hydrologic and water conservancy analysis and calculation in water conservancy projects

SHI Hao

(GuizhouWaterConservancyandHydropowerSurvey&DesignResearchInstitute,Guiyang550002,China)

Based on the author’s several years’ work expenience, hydrology analysis and calculation are implemented on runoff, design flood, water level flow relationship calculation, etc. in water conservancy projects. Several individual understandings are proposed on water conservancy calculation problems such as profiting regulation calculation method, water power calculation of different scheduling modes, combination of flood control and profiting, etc. as reference for related professional plans and designs.

hydrological and water conservancy analysis calculation; design flood; water level flow relationship; profiting regulation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.011

TV214

A

2096-0131(2017)06- 0043- 04