环境水文学授课逻辑体系优化案例分析

摘 要：为解决学生在应用环境水文学开展实践工作过程中所存在的上手慢问题，在教学过程中针对环境水文学的授课逻辑体系进行梳理，提出以“实践-理论-实践-方法”为框架的新体系，并通过河川径流情势特征值分析的授课案例，验证该逻辑体系的实用性和有效性。主要教学过程包括依据工程实践需求进行理论原理和概念的导入，将相应的水文分析方法整合到实践工作流程中展开论述，以及非典型工程实践问题处理技巧的训练。对授课效果依次开展短期、中期和长期检验，证实新的授课逻辑体系提升学生在课堂上解答习题的能力，完成后序实践课程的能力，以及就业后开展实际工作的上手能力。

关键词：水文分析；河川径流；实践能力培养；授课逻辑体系；教学案例

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）34-0049-04

Abstract： In order to increase the engineering problem-solving ability of students during the utilization of environmental hydrology， the teaching logic for Environmental Hydrology was re-organized according to a new framework of "practice-theory-practice-method". The new teaching logic was utilized for teaching characteristic value analysis of river runoff situation， and the efficiency of the new teaching logic was evaluated. The main teaching process included： the introduction of theoretical principles through engineering cases， the practice of hydrological analysis methods according to standard working procedures， and the training of specific engineering problem-solving skills. According to the results of short-term， medium-term， and long-term evaluations， the new teaching logic enhanced the ability of students for completing exercises， course design， and engineering practice after graduation.

Keywords： hydrological analysis; river runoff; training of engineering practice ability; teaching logic; teaching case

随着当代水文学的持续发展，水文系统与生态环境系统的结合越发紧密。水文学与环境学科不断交叉渗透，逐步发展为环境水文学这一新兴的综合学科。环境水文学主要关注自然环境中水与人类活动的相互关系及作用结果，尤其是水文情势变化与生态环境的相互作用[1]。环境水文学中的水文统计与频率分析、河川径流情势特征值计算，以及设计洪水推求等理论和方法，可以为水资源开发利用和环境工程设计提供重要的前期数据[2-3]。目前，环境水文学课程的授课逻辑体系通常依据学科自身的发展历程逐步展开，具有理论性和专业性强，但与环保工程实践联系不够紧密的特点。为了提升学生的实践能力和就业竞争力，有必要对环境水文学的授课逻辑体系进行梳理和优化，力求实现教材知识点与实际工作流程之间的有机结合[4-5]。

一 环境水文学新授课逻辑体系简介

开展授课逻辑体系优化工作的起因是毕业生反映在就业后解决实际工程问题时，存在无法将水文学理论和分析方法流畅应用于具体工作流程中的现象。例如，学生在课上可以熟练利用频率分析计算出洪水流量，但如果教学过程中不明确在环保规划的哪个具体步骤中依据何种标准使用这一洪水流量完成哪个具体指标的设计，在工作中仍然会面临上手慢的问题[6]。为了解决上述问题，笔者在教学过程中，提出了“实践-理论-实践-方法”为框架的新逻辑体系。在讲授每个环境水文学理论之前，首先讲述工程实践的具体哪个环节需要应用到该理论，强化学生对理论知识应用领域的直观理解，然后再展开讲述理论原理；接下来介绍工程实践工作中需要遵循的政策法规及具体的工作流程，并将相应的水文分析方法整合到实践工作流程中展开论述。新的教学模式，有助于学生迅速建立起环保工程实践与水文学理论、方法和技能之间的内在联系，全面提高学生直面工程实践的工作能力，改善工作上手慢的问题。

二 河川径流情势特征值分析的教学案例

接下来，以河川径流情势特征值分析的授课过程作为案例，详细介绍“实践-理论-实践-方法”逻辑体系在环境水文学教学中的应用。

（一） 河川径流情势的概念导入

在讲述河川径流情势特征值分析的理论原理之前，首先介绍河川径流情势特征值的工程应用。例如，防洪排涝工程中的坝体高度设计和水库防洪库容计算，以及城市污水处理厂的入河排污口高程设计，都需要掌握河川径流的洪水水位和流量；灌溉工程中的灌溉面积计算、给水处理厂的取水口高程设计、河流污染物扩散规律研究等工作，需要着重关注河川径流的枯水水位和流量；水利水电工程的设计和施工、航运工程的建设和管理、河流水资源规划等工作的开展需要同时关注河川径流的年际和年内变化，对河流的枯水、平水和丰水期的流量和水位都要求有详实的数据。

当学生对河川径流情势特征值的工程应用有初步的认知后，再理解河川径流情势的相关概念就更为容易了。具体来说，河川径流情势是指河川径流的水情要素（如水位、流速、流量等）时空变化情况，例如河川径流的年际变化与年内分配[7]。如图1所示，就是通过河流流量的逐月变化情况来表征年内分配。通过对比河流逐月流量与每个月需水量之间的差距，就可以分析出每个月的水量盈亏情况，指导水资源利用规划。图1中径流量小于需水量的时段为1—5月和12月，属于地表水资源不足的月份，此时为了保障居民生活和工农业生产的正常运转，就需要兴建水库拦蓄雨季洪水供旱季利用，或者通过海绵城市等措施最大限度地收集雨水来补足需水量。通过这一案例的学习，可以使学生对于河川径流情势特征值分析的必要性和基本工作思路有更为直观的认识，也自然而然地学会思考河川径流的情势到底用哪些特征值来表征，才更利于后续工作的开展。此时，再详细介绍典型河川径流特征值的概念，就更易于理解了。

图1 某河流基于成果导向教育的教学体系举例

典型的河川径流特征值举例如下。

1 年径流量

河川径流通常呈现出以年为周期的变化规律，因此通常以年为时间单位来表征河川径流的变化特性。一年之内通过河流某一过水断面的水量，即为该断面的年径流量，可以用年径流总量（m3或108 m3）、年径流深度（mm）和年径流模数（m3/（s·km2））来表征。

2 年平均径流量

将全年瞬时流量加和后按年平均，或者将年径流总量除以全年时间，获得的平均流量称为年平均流量Q，常用单位为m3/s。

3 多年平均径流量和年正常径流量

将实测获得的多个年度的年平均径流量Qi取平均值，即为多年平均径流量■。在气候和流域下垫面基本稳定的条件下，随着年平均径流量的实测年数的上升，多年平均径流量将趋近于一个稳定的数值，即为年正常径流量，该数值可以体现河流在天然情况下的水资源量。

4  河川径流的年内分配和年际变化

图1中的流量逐月变化情况就是典型的河川径流年内分配表征方式。此外，还可以用丰水流量最大值与枯水流量最小值的比值来粗略表征河川径流的年内分配的不均匀程度，称为年内极值比。河川径流的年径流量在多年期间内的变化称为年际变化，通常年平均径流量构成的样本系列服从皮尔逊Ⅲ型概率分布。因此，最常用的方法是绘制年平均径流量的累积频率曲线来反映河川径流的年际变化规律，依据年平均径流量对应的累积频率P划分特丰水年（P≤12.5%）、偏丰水年（12.5%<P≤37.5%）、平水年（37.5%<P≤62.5%）、偏枯水年（62.5%<P≤87.5%）和特枯水年（P>87.5%）。

（二） 河川径流情势特征值分析的标准工作流程

河川径流逐年的年平均径流量的数值并不相同，年际和年内变化均具有明显的随机性[8]。但是在水利水电、农业灌溉和城市给水等工程设计和施工过程中，需要一个年平均径流量数值用于确定工程规模[9]，也就是相应于特定设计标准的年平均径流量，称为设计年径流量。设计标准可以用频率来表示，也称为设计保证率，可以理解为在多年期间内正常工作年数占工程运行总年数的百分比。设计频率（保证率）的取值是非常严谨的工程问题。在授课过程中，必须引导学生形成严格遵循设计标准和规范来开展工作的习惯。例如，城市给水工程以地表水为水源时，设计枯水流量的保证率应当遵循GB 55026《城市给水工程项目规范》的规定。灌溉用水的设计保证率，应当符合GB 50288《灌溉与排水工程设计标准》的规定。对于城市防洪排涝工程设计，设计洪水流量的频率需要遵循GB 50014《室外排水设计标准》、GB 50286《堤防工程设计规范》、GB 50201《防洪标准》等设计标准和规范。对于水利水电工程的防洪设计，需要遵循SL252《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定。

在确定了设计频率（保证率）以后应当依据规范化工作流程开展相关的设计工作，如图2所示，为水文观测资料数据量充足条件下（30年以上的历年实测逐月径流系列），设计年径流量分析计算和年内分配的标准化工作流程。

图2 设计年径流量计算和年内分配的标准化工作流程

在课堂讲授过程中将相应的水文分析方法整合于规范化工作流程的具体工作步骤中。在完成第一个工作步骤的水文资料收集后，在第二个工作步骤开展过程中，详细讲述具体采用哪些方法来验证水文资料的可靠性、一致性和代表性。例如，可以通过历年水位流量关系的比较、上下游或干支流的水量平衡关系、下游或干支流的水位-流量过程线对照、降雨和径流关系分析等手段进行可靠性审查；可以点绘不同时段内的降雨-径流关系曲线，通过分析上述关系曲线之间有无明显的系统偏离，来判断资料系列的一致性；可以通过与长系列的参证变量进行比较来验证水文资料的代表性。对于满足可靠性、一致性和代表性的历年逐月径流系列，再继续依托第三个工作步骤讲授如何采用具体的水文统计方法计算出对应于设计频率的设计年径流量，具体步骤如下。

1）将每一年度内的逐月流量取平均值，计算出每一年的年平均径流量。

2）将样本数为n的年平均径流量按照由大到小的次序排列，依据公式（1）计算出每个排序为m年平均径流量对应的累积经验频率P。并以年平均径流量为纵坐标，以累积经验频率P为横坐标，绘制经验频率散点图。

3）计算出年平均径流量构成的样本系列的算数平均值■，依据公式（2）计算出该样本系列的变差系数CV，依据工程设计经验假定偏态系数CS为CV的某一倍数，计算出CS初始值。

4）根据CS值查水文设计手册中的离均系数表，获得各P值对应的离均系数ΦP值，再根据Qp=QKp=■（CVΦP+1），获得不同P值对应的理论频率Qp值。依据一系列的（P，Qp）绘制理论频率曲线与经验频率散点图进行匹配，调整CS取值，直至匹配合适。典型的经验频率散点图与理论频率曲线的匹配情况如图3所示。

图3 典型的经验频率散点图与理论频率曲线的匹配示意图

5）从年平均径流量的理论频率曲线上，读出符合设计频率的设计年平均径流量，并借助水量平衡原理和径流的地理分布规律，对设计年平均径流量、CV和CS进行成果合理性查验。例如，可以将设计站的设计结果与上下游站和邻近流域的设计结果进行比较，判断设计结果的合理性；可以依据CV的地区等值线图检查CV值的合理性，一般规律是CV值随流域面积、流域内湖泊水库数量、地下水补给量的上升而下降；接下来依据CS/CV值的地理分布规律查验CS的合理性。

依据实测样本中选取的代表年份逐月流量变化情况，将设计年径流量逐月分配的过程称为年内分配（即第四、五个步骤）。事实上，学生在概念导入阶段，通过对图1中案例的学习，已经能够充分理解为什么要进行设计年径流量的年内分配。在实际工作中，普遍采用的工作方法是在实测资料中选取某一年作为代表年，用一定比例缩放代表年的月径流过程，来确定设计年径流量的年内分配，该方法称为设计代表年法。代表年的年平均径流量首先要接近于设计年径流量。当有多个实测年份的年径流量接近设计年径流量时，应选取对工程较不利的代表年。例如对于灌溉工程，应选取在灌溉需水季节径流量更小的年份，而对水电工程，应选取枯水期更长且径流较枯的年份。也可以计算年内逐月流量的极值比（最大月流量与最小月流量的比值），极值比越大表明年内分配越不均匀，因此可选取年内极值比最大的实测年份作为代表年。

以比较常用的同倍比年内分配方法为例，在实测数据系列中选定了代表年后，可以用设计年径流量与代表年的年径流量比值，或用设计的供水期水量与代表年的供水期水量之比值，计算出分配系数K，对代表年的逐月月径流量进行缩放，即可获得设计年径流量的逐月分配情况，如公式（3）所示

。 （3）

在获得设计年径流量的逐月分配之后，便可进行相应的工程实践规划设计。以水库建设为例，在河川径流量小于需水量的缺水月份，将需水量减去该月的河川径流量获得水量亏损值，将各月水量亏损值相加后乘以缺水月份的时间总长，即可初步估算水库的调节水量。

（三） 非典型工程实践问题的处理

工程实践中可能会遇到实测资料不足30年、甚至是缺乏实测径流资料的非典型情况。为了全面提升学生的工程实践能力，需要在授课内容中拓展非典型工程实践问题的处理技巧。例如，可以利用具有较长系列的参证站实测资料，依据相关关系，展延设计站的年月径流资料；或者依据降雨与径流的相关关系，利用实测降雨资料展延径流系列[10]。当设计站观测断面所在的河流流段的河床稳定，没有显著的冲淤和急剧的水位涨落时，还可以依据流量和水位的相关关系，利用水位观测数据来展延径流量样本系列。当出现无法通过相关性分析进行展延的情况时，还可以选择合适的参证流域，利用水文比拟法将参证流域的水文资料通过适当的修正移用到设计流域上来。对于无实测水文资料的小流域，可以查询该地区的水文手册，利用手册中的参数等值线图进行地理插值，求得设计流域的统计参数（多年平均年径流深■和年径流深的变差系数CV）。之后依据经验令CS等于CV的某个倍数，查询离均系数表，依据Rp=R（CVΦp+1）计算出对应于设计频率P的设计年径流深Rp，将设计年径流深乘以流域面积即可获得设计年径流量。

三 新逻辑体系的授课效果检验

分别对新授课逻辑体系的实施效果进行近期、中期和远期检验。近期检验通过设置与工程实践联系紧密的课堂习题来实现；中期检验的实现方式是追踪学生一年后完成《给排水管网与泵站课程设计》中水文学计算的准确度。如图4所示，与直接讲授理论知识点的旧授课逻辑体系相比，采用新的授课逻辑体系后，学生对课堂习题的完成情况明显更好，在课程设计完成过程中水文学计算的准确度也更高，表现为优秀和良好的比例明显上升。

图4 授课效果的近期和中期检验结果

远期检验通过对毕业生的回访来实现。问卷调研结果表明，采用旧逻辑体系授课的学生，毕业后仅有15%在环境水文学相关的实践工作中快速上手，而采用新逻辑体系授课的学生毕业后，有高达68%可以实现快速上手。

四 结束语

通过在环境水文学的教学过程中，实施新的授课逻辑体系，可以提升学生对枯燥理论的理解和活用能力，帮助学生形成灵活解决工程实践问题的思路和方法。通过对教学效果进行近期、中期和远期追踪检验，进一步证实了新的授课逻辑体系的有效性和实用性，对于提升毕业生的就业竞争力具有重要的贡献。

参考文献：

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[3] 张仁铎.环境水文学[M].广州：中山大学出版社，2006.

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[5] 张丽华.OBE理念下新工科实践教学优化策略研究[J].华北水利水电大学学报（社会科学版），2024，40（5）：97-102.

[6] 刘莹.强化实践能力的环境水文地质学教学模式探索[J].高教学刊，2022，8（34）：95-98，103.

[7] 王亚军.水文与水文地质学[M].北京：化学工业出版社，2021.

[8] 冯国章，李瑛，李佩成.河川径流年内分配不均匀性的量化研究[J].西北农业大学学报，2000，28（2）：50-53.

[9] 陆赛凤.城市防洪排涝水文水利计算及安全保障体系研究[J].科技资讯，2014，12（10）：132.

[10] 赵淑兰.缺乏实测径流资料时设计年径流量的分析计算[J].水利科技与经济，2012，18（12）：73-74，86.

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.012

基金项目：山东大学教育教学改革研究项目“强化工程实践能力培养的环境水文地质学教材建设”（2023Y109）

作者简介：刘莹（1983-），女，汉族，黑龙江绥化人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为水文地质学。