石 浩

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

關(guān)于水利工程水文及水利分析計(jì)算中的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

石 浩

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

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

水文及水利分析計(jì)算； 設(shè)計(jì)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(jì)的基礎(chǔ)專業(yè)，水文及水利分析計(jì)算為水利工程供水及防洪安全提供保障。本文對(duì)水利工程水文及水利分析計(jì)算中的一些問(wèn)題提出個(gè)人認(rèn)識(shí)，供各相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員參考。

2 徑流計(jì)算

徑流計(jì)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(jì)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(yùn)用。在徑流計(jì)算中有些問(wèn)題存在爭(zhēng)議性，對(duì)此，本人提出個(gè)人的意見(jiàn)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(jìn)行徑流計(jì)算時(shí)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(jìn)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(shuō)壩址的多年平均徑流量與依據(jù)站沒(méi)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(cè)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(jì)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(gè)人認(rèn)為壩址多年平均徑流量與依據(jù)站本來(lái)就沒(méi)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(wèn)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(jìn)行徑流計(jì)算時(shí)通常同時(shí)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(duì)依據(jù)站以上控制的面上降水量觀測(cè)站的資料進(jìn)行大量的收集、整理和分析工作。因?yàn)閺搅饔?jì)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(shí)測(cè)成果，與面上降水量沒(méi)有直接關(guān)系；故提出在利用水文比擬法進(jìn)行徑流計(jì)算時(shí)如果同時(shí)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(jì)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(shí)測(cè)資料系列反映該控制斷面以上的現(xiàn)狀用耗水過(guò)程，在利用水文比擬法和降水徑流同頻率相應(yīng)法計(jì)算壩址處多年平均徑流量時(shí)通常要求考慮此差異，也就是說(shuō)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(gè)人認(rèn)為兩種方法計(jì)算的多年平均徑流量應(yīng)該一致，理由是：?壩址多年平均來(lái)水量是壩址以上流域的產(chǎn)匯流條件決定的，與徑流計(jì)算方法及依據(jù)站選擇無(wú)關(guān)；?等值線圖的徑流深為天然徑流深，則壩址處無(wú)論哪種計(jì)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(guò)程無(wú)關(guān)；?依據(jù)站實(shí)測(cè)徑流過(guò)程及流域內(nèi)用耗水過(guò)程只是影響年際變化及年內(nèi)分配問(wèn)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(guò)計(jì)算確定壩址徑流成果后，在興利調(diào)節(jié)計(jì)算中，需扣除設(shè)計(jì)水平年的流域內(nèi)耗水過(guò)程。在貴州省，采用降水徑流同頻率相應(yīng)法計(jì)算時(shí)，應(yīng)扣除設(shè)計(jì)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(jì)水平年與現(xiàn)狀水平年之間新增的耗水量。個(gè)人認(rèn)為兩種方法應(yīng)該均扣除設(shè)計(jì)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(diǎn)認(rèn)為我國(guó)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(guó)進(jìn)入中等收入國(guó)家后，出現(xiàn)了幾個(gè)非常值得關(guān)注的現(xiàn)象：一是我國(guó)經(jīng)濟(jì)增速呈現(xiàn)出放緩的態(tài)勢(shì)；二是我國(guó)同其他眾多發(fā)展中國(guó)家相比，制造業(yè)的成本優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在，且由于勞動(dòng)力價(jià)格的上升，比較優(yōu)勢(shì)在下降；三是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們的中高端高科技力量仍然不夠雄厚。雖然我國(guó)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(guó)正處于跨越中等收入陷阱的中間區(qū)域。以國(guó)家發(fā)改委宏觀經(jīng)濟(jì)研究院原院長(zhǎng)馬曉河為代表的學(xué)者持有這種觀點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法較多，流量法和雨洪法是最為常見(jiàn)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(yùn)用。設(shè)計(jì)洪水計(jì)算包括洪峰流量、洪量及洪水過(guò)程線計(jì)算，在此提出一些關(guān)于洪水計(jì)算的個(gè)人認(rèn)識(shí)。

3.1 洪水計(jì)算方法

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

3.2 應(yīng)用雨洪公式計(jì)算需注意的問(wèn)題

在應(yīng)用貴州省雨洪公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)，流域參數(shù)、暴雨點(diǎn)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(jì)參數(shù)的確定。

根據(jù)設(shè)計(jì)流域上下游及鄰近水文測(cè)站的實(shí)測(cè)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(jì)算方法的設(shè)計(jì)洪水成果，上下游及鄰近其他工程的設(shè)計(jì)洪水成果及設(shè)計(jì)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(jì)流域及鄰近流域的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，結(jié)合相關(guān)等值線圖確定設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通常情況下，如果設(shè)計(jì)流域及周邊實(shí)測(cè)的暴雨統(tǒng)計(jì)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(jì)流域及周邊實(shí)測(cè)的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)大于等值線圖成果，一般采用實(shí)測(cè)的分析成果。

3.3 區(qū)間相應(yīng)洪水洪峰流量計(jì)算

3.4 施工分期洪水

施工分期設(shè)計(jì)洪水成果是施工組織設(shè)計(jì)的依據(jù)及施工安全的保障，在施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算中當(dāng)施工分期設(shè)計(jì)洪水P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)下的適線效果不好，局部偏離實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)較大時(shí)，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(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)，保證施工分期洪水設(shè)計(jì)成果的可靠性及安全性。當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)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(yàn)頻率確定的設(shè)計(jì)成果；當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)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(shí)考慮依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址的變差系數(shù)變化差異。此外，暴雨洪水計(jì)算方法是小流域普遍采用的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，在施工分期暴雨頻率分析計(jì)算中也同樣存在上面提到的問(wèn)題，因此也適用于施工分期暴雨頻率分析計(jì)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(jìn)行計(jì)算：通過(guò)實(shí)地查勘，結(jié)合河道實(shí)際情況，參照“我國(guó)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(cè)時(shí)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(cè)流驗(yàn)證水位流量關(guān)系成果。在水位流量關(guān)系計(jì)算中，河道糙率對(duì)水位流量關(guān)系成果影響較大，且河道糙率一般為經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(duì)其控制斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行觀測(cè)校核率定。

5 興利調(diào)節(jié)計(jì)算

興利調(diào)節(jié)計(jì)算是確定水庫(kù)規(guī)模的依據(jù)，結(jié)合水庫(kù)的功能特性，簡(jiǎn)單談?wù)勁d利調(diào)節(jié)計(jì)算中的一些個(gè)人認(rèn)識(shí)。

5.1 興利調(diào)節(jié)計(jì)算方法

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

因以前的實(shí)測(cè)資料系列較短，資料的代表性不足，故在興利調(diào)節(jié)計(jì)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(cè)年限的增加，資料系列基本上都超過(guò)規(guī)范規(guī)定的30年，一般都有40～50年的資料系列長(zhǎng)度，資料的代表性較好，已經(jīng)采用長(zhǎng)系列興利調(diào)節(jié)計(jì)算的水利工程，個(gè)人認(rèn)為再做典型年法興利調(diào)節(jié)計(jì)算沒(méi)有太大必要，主要原因是：?典型年選擇的人為性；?灌溉用水過(guò)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(zhǎng)系列法成果差異較大時(shí)的取舍性。

同理，多年調(diào)節(jié)水庫(kù)也沒(méi)有必要用概念法中庫(kù)容相加法進(jìn)行驗(yàn)證。

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

如果水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能為多年調(diào)節(jié)，采用長(zhǎng)系列庫(kù)容排頻統(tǒng)計(jì)興利庫(kù)容時(shí)，遇到連續(xù)枯水年組時(shí)，建議考慮每年統(tǒng)計(jì)一個(gè)興利庫(kù)容和根據(jù)虧水時(shí)段統(tǒng)計(jì)興利庫(kù)容進(jìn)行比較，推薦偏安全的興利調(diào)節(jié)計(jì)算成果。

5.2 不同調(diào)度方式的水能計(jì)算

許多大中型水利工程的規(guī)模是根據(jù)設(shè)計(jì)水平年的需水規(guī)模及過(guò)程、設(shè)計(jì)保證率來(lái)確定的。在很多時(shí)候水庫(kù)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(jì)時(shí)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(lái)計(jì)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(jì)時(shí)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(jìn)行附屬電站的能量指標(biāo)分析計(jì)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(kù)容與興利庫(kù)容完全結(jié)合；?防洪庫(kù)容與興利庫(kù)容部分結(jié)合；?防洪庫(kù)容與興利庫(kù)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(kù)的來(lái)水及需水過(guò)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(jì)保證率下如后汛期(汛限時(shí)段外)主要蓄水期保證供水后能蓄滿，水庫(kù)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(kù)應(yīng)采取防洪與興利部分結(jié)合的方式；如保證供水后無(wú)多余水量或保證不了供水需求，水庫(kù)應(yīng)采取防洪與興利完全不結(jié)合的方式。

[1] 劉冬梅.關(guān)于水文比擬法徑流計(jì)算中徑流系數(shù)修正的幾點(diǎn)看法[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014(3):88-89.

[2] 石浩，董磊，鄧智予.淺談水利水電工程施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算[J].黑龍江水利，2016(8):78-80.

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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