关于水利工程水文及水利分析计算中的几点认识

石 浩

(贵州省水利水电勘测设计研究院， 贵州 贵阳 550002)

关于水利工程水文及水利分析计算中的几点认识

石 浩

(贵州省水利水电勘测设计研究院， 贵州 贵阳 550002)

本文根据本人多年工作经验，对水利工程中的径流、设计洪水及水位流量关系计算等水文分析计算；兴利调节计算方法、不同调度方式的水能计算及防洪与兴利结合等水利计算问题提出几点个人的认识，为相关专业的规划及设计人员提供参考。

水文及水利分析计算； 设计洪水； 水位流量关系； 兴利调节

1 引 言

水文规划专业是水利工程设计的基础专业，水文及水利分析计算为水利工程供水及防洪安全提供保障。本文对水利工程水文及水利分析计算中的一些问题提出个人认识，供各相关专业的设计人员参考。

2 径流计算

径流计算的方法较多，水文比拟法和降水径流同频率相应法为贵州省最常用的两种径流计算方法。水文比拟法常用于大中型水利工程，降水径流同频率相应法则在小型水利工程中得到普遍运用。在径流计算中有些问题存在争议性，对此，本人提出个人的意见供参考。

2.1 径流系数修正的必要性

通常情况下，用水文比拟法进行径流计算时考虑的修正因子为集水面积和面上降水量，如果再将径流系数差异修正考虑进去，则成为径流深修正，坝址的径流深是坝址的面上降水量与径流深的乘积，也就是说坝址的多年平均径流量与依据站没有直接关联。故此，就有必要做径流系数修正。贵州省属于典型的喀斯特地区，下垫面及汇流条件差异较大，再加上水文测站分布稀少，一般情况下水文依据站以上控制流域与设计流域径流系数普遍存在差异性(即使同一流域，上下游也有差异)，故考虑径流系数修正是必要的。个人认为坝址多年平均径流量与依据站本来就没有直接关系，不因依据站的变化而变化，依据站只是解决径流的年际变化及年内分配问题。

2.2 依据站以上控制流域的面上降水量资料的收集及分析

贵州省在利用水文比拟法进行径流计算时通常同时考虑集水面积、面上降水量及径流系数的修正。因坝址以上的径流系数为多年平均值，为保持一致性，往往面上降水量修正也是考虑多年平均修正，而不是历年修正；因此要对依据站以上控制的面上降水量观测站的资料进行大量的收集、整理和分析工作。因为径流计算中考虑径流系数修正之后，得到的是径流深修正，而径流深则是实测成果，与面上降水量没有直接关系；故提出在利用水文比拟法进行径流计算时如果同时考虑集水面积、面上降水量及径流系数的修正，依据站以上控制流域的多年平均面上降水量可根据相关等值线图及相关规划成果确定。

2.3 不同计算方法的多年平均径流量成果差异性

因水文依据站的实测资料系列反映该控制断面以上的现状用耗水过程，在利用水文比拟法和降水径流同频率相应法计算坝址处多年平均径流量时通常要求考虑此差异，也就是说水文比拟法的多年平均径流量要小于降水径流同频率相应法的成果。个人认为两种方法计算的多年平均径流量应该一致，理由是：ⓐ坝址多年平均来水量是坝址以上流域的产汇流条件决定的，与径流计算方法及依据站选择无关；ⓑ等值线图的径流深为天然径流深，则坝址处无论哪种计算方法得到的径流量均为天然的径流成果，与依据站流域内的用耗水量及过程无关；ⓒ依据站实测径流过程及流域内用耗水过程只是影响年际变化及年内分配问题，不影响坝址处的多年平均径流量。

2.4 扣除流域内用耗水

通过计算确定坝址径流成果后，在兴利调节计算中，需扣除设计水平年的流域内耗水过程。在贵州省，采用降水径流同频率相应法计算时，应扣除设计水平年以上的全部耗水，而水文比拟法则只需要扣除设计水平年与现状水平年之间新增的耗水量。个人认为两种方法应该均扣除设计水平年以上的全部耗水，原因是径流深等值线图为还原的天然径流深，坝址的径流成果为天然径流成果。

第二种观点认为我国正处于跨越中等收入陷阱的中间区域。有学者提出在2010年中国进入中等收入国家后，出现了几个非常值得关注的现象：一是我国经济增速呈现出放缓的态势；二是我国同其他众多发展中国家相比，制造业的成本优势不复存在，且由于劳动力价格的上升，比较优势在下降；三是与发达国家相比，我们的中高端高科技力量仍然不够雄厚。虽然我国现在有一些符合“中等收入陷阱”的特征描述，但是由于以上三种现状的存在，表明了中国正处于跨越中等收入陷阱的中间区域。以国家发改委宏观经济研究院原院长马晓河为代表的学者持有这种观点。

3 设计洪水

设计洪水计算方法较多，流量法和雨洪法是最为常见的两种。流量法常用于大中型水利工程，雨洪法则在小型水利工程中得到普遍运用。设计洪水计算包括洪峰流量、洪量及洪水过程线计算，在此提出一些关于洪水计算的个人认识。

3.1 洪水计算方法

大中型水利工程设计洪水一般需要两种或两种以上的方法进行比较，一般采用流量法、雨洪法及地区综合法进行比较，然后合理地确定设计洪水计算方法及成果。洪峰流量、洪量、洪水过程线是设计洪水的三要素，贵州省偏重对洪峰流量的计算，忽略其他两个要素，特别是洪量的计算。因此在设计洪水计算时要结合工程的性质，合理地确定洪水计算方法及成果。如防洪工程，偏重洪峰流量；水库工程则要同时考虑三个要素。通常情况下，设计洪水的三个要素采用同一种方法计算的成果，但从工程安全角度考虑，建议交叉使用对工程不利设计洪水计算方法及成果。

3.2 应用雨洪公式计算需注意的问题

在应用贵州省雨洪公式计算设计洪水时，流域参数、暴雨点面分区、暴雨衰减指数等参数基本上是确定的，应该注意的是汇流系数分区及取值、暴雨统计参数的确定。

根据设计流域上下游及邻近水文测站的实测洪水成果，采用雨洪法拟定其汇流系数r1的分区及取值；从工程的安全角度考虑，汇流系数分区尽量不要取Ⅰ2区。当汇流系数分区确定后，根据历史洪水调查成果，结合其他计算方法的设计洪水成果，上下游及邻近其他工程的设计洪水成果及设计岩溶情况等合理确定汇流系数r1的取值，通常情况下，尽量采用该区均值。根据设计流域及邻近流域的暴雨统计参数，结合相关等值线图确定设计暴雨统计参数。通常情况下，如果设计流域及周边实测的暴雨统计参数小于等值线图成果，一般采用等值线图成果；如果设计流域及周边实测的暴雨统计参数大于等值线图成果，一般采用实测的分析成果。

3.3 区间相应洪水洪峰流量计算

3.4 施工分期洪水

施工分期设计洪水成果是施工组织设计的依据及施工安全的保障，在施工分期设计洪水频率分析计算中当施工分期设计洪水P=5%～20%洪水标准下的适线效果不好，局部偏离实测点据较大时，应考虑调整分期洪水的均值及变差系数Cv，尽可能地使频率曲线通过实测点据，保证施工分期洪水设计成果的可靠性及安全性。当依据站与设计坝址集水面积差异在5%以内，可采用面积直接比拟依据站的经验频率确定的设计成果；当依据站与设计坝址集水面积差异大于5%，建议采用面积比拟依据站调整均值及变差系数Cv的适线成果，并同时考虑依据站与设计坝址的变差系数变化差异。此外，暴雨洪水计算方法是小流域普遍采用的设计洪水计算方法，在施工分期暴雨频率分析计算中也同样存在上面提到的问题，因此也适用于施工分期暴雨频率分析计算。

4 水位流量关系

天然控制断面水位流量关系一般采用曼宁公式进行计算：通过实地查勘，结合河道实际情况，参照“我国天然河流河道糙率参考表”，确定河道的糙率；低水比降参照测时水边比降，高水比降根据历史洪水调查成果确定；用Z—A、Z—V曲线及低水测流验证水位流量关系成果。在水位流量关系计算中，河道糙率对水位流量关系成果影响较大，且河道糙率一般为经验值，贵州省水文站断面的河道糙率一般为0.035～0.15，且多为0.05以上。因此，一般情况下建议用曼宁公式推求天然河道控制断面水位流量关系时河道糙率取值不宜低于0.05；有条件的地方，建议设专用站对其控制断面水位流量关系进行观测校核率定。

5 兴利调节计算

兴利调节计算是确定水库规模的依据，结合水库的功能特性，简单谈谈兴利调节计算中的一些个人认识。

5.1 兴利调节计算方法

兴利调节计算常用的方法为时历法及概率法。时历法又分长系列法及代表年法，概率法又分库容相加法和频率组合法，时历法中的长系列法为兴利调节计算中普遍采用的计算方法。

因以前的实测资料系列较短，资料的代表性不足，故在兴利调节计算中年调节以内的水利工程也常用典型年法；但随着观测年限的增加，资料系列基本上都超过规范规定的30年，一般都有40～50年的资料系列长度，资料的代表性较好，已经采用长系列兴利调节计算的水利工程，个人认为再做典型年法兴利调节计算没有太大必要，主要原因是：ⓐ典型年选择的人为性；ⓑ灌溉用水过程的不确定性；ⓒ不同保证率条件下削减的任意性；ⓓ典型年法成果的合理性；ⓔ典型年法与长系列法成果差异较大时的取舍性。

同理，多年调节水库也没有必要用概念法中库容相加法进行验证。

在长系列法兴利调节计算中库容排频最为常用，当水库没有防洪库容时，该方法兴利计算成果是可靠的；当水库兴利库容与防洪库容重叠时，兴利库容为综合值。因此，当水库因汛期汛限水位低，后汛期水位蓄不上来，且该年的兴利库容又小于设计保证率需要的兴利库容出现时，建议采用长系列法供水量排频来进一步复核兴利库容的合理性。

如果水库的调节性能为多年调节，采用长系列库容排频统计兴利库容时，遇到连续枯水年组时，建议考虑每年统计一个兴利库容和根据亏水时段统计兴利库容进行比较，推荐偏安全的兴利调节计算成果。

5.2 不同调度方式的水能计算

许多大中型水利工程的规模是根据设计水平年的需水规模及过程、设计保证率来确定的。在很多时候水库在保证供水并下放环境水的情况下，汛期仍有较多的弃水，为了充分利用水力资源，设计时通常考虑在坝后装一附属电站，利用环境水及弃水发电。水调和电调是两种不同的调度方式，因工程的主要任务为供水，发电为附属功能，从供水安全考虑，理论上应按电调服从水调来计算附属电站的能量指标；从优化调度及利益最大化考虑，设计时按水调服从电调及电调服从水调两种调度方式进行附属电站的能量指标分析计算，如电调服从水调能量指标较优，则附属电站采用该调度方式的能量指标；当水调服从电调能量指标较优，则建议兼顾考虑两种调度方式，并以两者的均值作为附属电站能量指标。

5.3 防洪与兴利的结合

防洪和兴利的结合方式有三种：ⓐ防洪库容与兴利库容完全结合；ⓑ防洪库容与兴利库容部分结合；ⓒ防洪库容与兴利库容完全不结合。从节约工程投资的角度尽可能地让防洪与兴利结合。根据水库的来水及需水过程，在不设置防洪限制水位的情况下，以满足需求而确定的正常蓄水位为基础，在设计保证率下如后汛期(汛限时段外)主要蓄水期保证供水后能蓄满，水库应采取防洪与兴利完全结合的方式；如保证供水后仍有多余水量，但不能蓄满，水库应采取防洪与兴利部分结合的方式；如保证供水后无多余水量或保证不了供水需求，水库应采取防洪与兴利完全不结合的方式。

[1] 刘冬梅.关于水文比拟法径流计算中径流系数修正的几点看法[J].水利科技与经济，2014(3):88-89.

[2] 石浩，董磊，邓智予.浅谈水利水电工程施工分期设计洪水频率分析计算[J].黑龙江水利，2016(8):78-80.

[3] 牛国强.水库规划中防洪与兴利的综合研究[J].水利水电技术，1995(12):40-43,31.

[4] 徐玉衡，丁纪宁，曹力工，等.贵州省暴雨洪水计算实用手册[S].1983.

[5] 于德万，付希文.施工分期设计洪水计算方法及应用[J].吉林水利，2009(7):49-50.

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