水利水電工程水文設(shè)計評價方法

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簡介： 影響工程水文設(shè)計成果合理性的因素，主要有基礎(chǔ)資料、技術(shù)思路、方法技巧等。對同一工程來講，不同設(shè)計者，因?qū)λ馁Y料處理、采用方法不同，最終成果差異很大。為了保證工程水文計算成果的合理性，本文提出一個評價工程水文設(shè)計成果合理性的基本思路及方法，與同仁攜手探索。
關(guān)鍵字：設(shè)計成果 可靠性 一致性 代表性 差積 累積

　　工程水文設(shè)計受基礎(chǔ)資料、推理、環(huán)境、人為因素等方面的客觀和主觀的干擾，或多或少存在成果評判上的差異，這就決定了對工程水文設(shè)計成果的合理性分析，必須認(rèn)真核查，才能保證成果的真實(shí)性。水文工作者多年來在這方面累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是，在具體工作中時常出現(xiàn)重視計算，而在分析上下功夫不夠的現(xiàn)象，給工程水文設(shè)計成果帶來一定風(fēng)險。為使水文設(shè)計成果精度與工程設(shè)計同步，筆者根據(jù)近幾年來在成果審查中反復(fù)出現(xiàn)的問題，談幾點(diǎn)認(rèn)識，與同仁們商榷。

1、評價的主要對象

1.1資料的可靠性

基礎(chǔ)資料的可靠性，是指設(shè)計中所引用的基本資料、數(shù)據(jù)、時期等，都要滿足兩條要求：一是十分可靠; 二是適應(yīng)研究對象精度要求。

基礎(chǔ)資料未經(jīng)過嚴(yán)格復(fù)核、審查，就會給工作帶來很多麻煩。例如：臺勒外丘克河拜城站2002年7月23日0時的流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中顯示其值為8.59m3/s，而原始資料記載該值為204m3/s。該錯誤不僅影響了瞬時流量甚至洪峰流量，而且使時段洪量相差甚大。

由此可見：基礎(chǔ)資料必需具有足夠的可靠性，才能保證成果的合理性。

1.1.1“規(guī)范”的基本要求

我國現(xiàn)行各種水文計算規(guī)范中都規(guī)定，在水利水電工程規(guī)劃設(shè)計中，首先要對水文基本資料進(jìn)行嚴(yán)格審查、復(fù)核，這就是要求首先要對資料的可靠性負(fù)責(zé)。

⑴ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程水文計算規(guī)范》SL278—2002(以下簡稱“水文計算規(guī)范”)中，多條、反復(fù)強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)資料的重要性，并用黑體印刷其意為強(qiáng)制執(zhí)行，因?yàn)樗脑O(shè)計成果的精度主要取決于基本資料的可靠程度，故必須予以重視。

⑵ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》SL44—93(以下簡稱“洪水計算規(guī)范”)中，對基礎(chǔ)資料，要求：“應(yīng)重點(diǎn)復(fù)核，必要時進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和比測試驗(yàn)”。因?yàn)樵O(shè)計洪水計算所依據(jù)的各種洪水資料，一般為不同歷史時期所積累，精度各異，復(fù)核審查相當(dāng)必要。

⑶ 其它規(guī)范中凡涉及水文資料者，均強(qiáng)調(diào)了“資料復(fù)核和審查”，可見，基礎(chǔ)資料的可靠性非常關(guān)鍵。

1.1.2審查的重點(diǎn)內(nèi)容

總結(jié)多年來的經(jīng)驗(yàn)，對基礎(chǔ)資料的復(fù)核、審查應(yīng)重點(diǎn)放在如下幾個方面：

⑴ 資料的極值年群，即大水年和小水年的資料。

⑵ 設(shè)計對象所應(yīng)用的主要資料。如：

水位：水尺位置、高程系統(tǒng)、水尺零點(diǎn)、水位銜接、觀測次數(shù)等。

斷面：測量方法、斷面形狀、灘槽邊界、斷面沖淤變化等。

流量：測量方法、測點(diǎn)布設(shè)、比降、糙率、借用斷面、浮標(biāo)系數(shù)等。

降雨：觀測場址、儀器類型、觀測時段等。

1.2 系列的一致性

一致性，是指所用的資料系列必須是在同一自然條件下產(chǎn)生的或是同一種類型的水文因素，不能混合統(tǒng)計不同性質(zhì)的、各種條件下產(chǎn)生的資料系列。

影響系列一致性主要有兩類現(xiàn)象。一是人類活動的影響；二是氣象成因的不同。

人類活動影響，主要表現(xiàn)在各種工程建設(shè)，改變了水文系列的天然狀態(tài)；人類活動改變，了流域上游的天然地貌與環(huán)境。圖1所示，額爾齊斯河上游水文站與下游水文站洪峰流量關(guān)系在整個系，上游站遷移使關(guān)系線下部點(diǎn)據(jù)貼近線兩側(cè)，而兩站間引水工程的修建，人為地改變了水文要素形成條件，使其上部點(diǎn)據(jù)偏離并平行向左側(cè)排列，可見不考證水文條件而合為一個系列是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

氣象成因的不同對系列一致性影響的典型事件可以用葉爾羌河冰川湖潰決洪水說明。

圖2為葉爾羌河卡群站洪峰流量頻率曲線。從圖可見：Qm（洪峰流量，下同）≤2500m³/s的融水型洪水點(diǎn)群非常密集在下部，并基本成一字排列，中部僅有6270＞Qm＞2500m³/s的幾個洪水點(diǎn)；依中小量級點(diǎn)據(jù)擬合整個曲線，顯然曲線上部的任意性很大。

圖2   葉爾羌河卡群站洪峰流量頻率曲線

1.3 樣本的代表性 

代表性，對不同的設(shè)計對象，有不同的含義。對水文頻率計算來講，系列的代表性，是該樣本對系列所在接近程度，如越接近程度越高，代表性越好，頻率分析成果精度高，反之則低。對設(shè)計暴雨來講，其所選用的雨量站位置，是相對流域面雨量的代表性。對水力發(fā)電站、灌溉引水工程、分期設(shè)計洪水等來說，則枯水時段、分段最小流量的代表性，是決定設(shè)計精度的關(guān)鍵。等等……。

水文系列代表性的優(yōu)劣，反映了系列代表總體統(tǒng)計特征的程度，所以系列代表性是水文設(shè)計成果質(zhì)量保證的前提?！?span lang="EN-US">“水文計算規(guī)范”》及《“設(shè)計洪水計算規(guī)范”》等中都明確規(guī)定：“應(yīng)在可靠性和一致性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行代表性分析”。上述規(guī)定同時說明了分析步驟及順序，即：首先進(jìn)行資料可靠性和系列一致性分析，然后進(jìn)行樣本的代表性分析。

目前在很多水文設(shè)計中普遍存在以下三方面問題：

(1)只注意代表性分析，而忽視可靠性與一致性，這樣就失去了牢固的基礎(chǔ)。

(2)水文系列代表性分析后所確定最短系列長度，與頻率計算時采用的系列長度不一致。因?yàn)槲覀兊哪康氖桥袛嘣撓盗惺欠裉幱谙盗衅蠡蚱r期;是否能比較均勻地包含各種量級水文信息。但關(guān)鍵在于，水文系列代表性分析確定的最短系列長度，與計算采用系列長短無關(guān)。

(3)過分強(qiáng)調(diào)模比系數(shù)累積平均值趨近于1的效果，而忽略了整個過程的收斂程度。

1.4 成果的合理性

成果的合理性，主要是包含兩方面：一方面是單項(xiàng)設(shè)計計算的平衡；另一方面是上、下、相鄰、區(qū)域的各項(xiàng)參數(shù)的規(guī)律性。

主要評價內(nèi)容應(yīng)從資料、思路、方法、參數(shù)、圖表、結(jié)論等方面進(jìn)行綜合審查。

2 判斷標(biāo)準(zhǔn) 

水文設(shè)計的不確定因素太多，加之資料信息不夠充分，設(shè)計中肯定會存在一定的風(fēng)險，所以對設(shè)計成果取值，一般都是在合理的基礎(chǔ)上，按偏于安全的原則考慮。這樣做也符合規(guī)范要求。留有一定余地是十分必要的，既要使風(fēng)險有合理性，又要使安全有科學(xué)性，投入產(chǎn)出不失衡。

筆者認(rèn)為，合理性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，概括起來只有兩條：

⑴ 符合規(guī)范要求，規(guī)范是行業(yè)的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

⑵ 適當(dāng)留有余地，接受合理風(fēng)險。

3評價的思路和方法

3.1相關(guān)檢查

相關(guān)檢查分析水文要素的合理性，其前提是相關(guān)變量之間應(yīng)有因果關(guān)系，并結(jié)合當(dāng)時當(dāng)?shù)氐恼鎸?shí)情況，具體分析、真實(shí)應(yīng)用。近年來，只要是計算暴雨洪水，不論是山地局地暴雨還是大面積降雨，也不論是山前麓還是山后麓，凡雨量站，資料全用，也有專選雨量量級大的站，不普查、不分析、不篩選，這就叫不作成因研究的偶合相關(guān)，偶合相關(guān)會導(dǎo)致不良結(jié)果。

國際水文科學(xué)協(xié)會副主席陳家琦教授認(rèn)為：用太陽黑子與黃河陜縣洪水相關(guān)，按此推理，世界上就一個太陽，太陽黑子與地球上所有河流洪水都有關(guān)系，這個問題很難解釋。筆者的觀點(diǎn)：不能用宇宙因子與地方因子簡單相關(guān)，否則會形成假相關(guān)或偽相關(guān)。

3.2頻率曲線的檢查

頻率曲線的檢查，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

⑴ 在資料可靠性、一致性、代表性合理評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

⑵ 嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范規(guī)定的各種頻率曲線適線原則。區(qū)分各種頻率曲線適線的側(cè)重點(diǎn)。

⑶ 歷史洪水的考證期，對三參數(shù)影響極大，要多方考證確認(rèn)，否則，寧短勿長。

⑷ 新疆最長水文系列不足70年，歷史洪水考證期，一般在百年左右，若求小頻率設(shè)計值，以作者經(jīng)驗(yàn)最好以P=0.33%作上限，不然風(fēng)險太大。圖3是庫車河蘭干站洪峰流量實(shí)例。從圖中可見：①排位第一的值是排位第二的值的3倍，流量1940～619m³/s之間，沒有點(diǎn)據(jù)，適線難度大；②曲線通過老大點(diǎn)據(jù)的上部（最安全）和通過老大點(diǎn)據(jù)的下部（較安全）其稀遇頻率的設(shè)計值相差甚大。

圖3   庫車河臺蘭站洪峰流量頻率曲線

圖4

⑸ 綜合頻率檢查是驗(yàn)證設(shè)計成果的最好、最方便、最直觀的方法之一。圖4是托什干河沙里桂蘭克站一、三、五、七、十日洪量頻率曲線綜合圖，由圖可見，各條頻率曲線分布趨勢近于一致，相互協(xié)調(diào)，證明成果合理。

3.3其它方法檢查

3.3.1差積曲線與滑動平均曲線

差積曲線和滑動平均曲線都是反映水文要素豐、枯變化的分析手段。曲線形狀不同，反映出的水文要素周期不同。其目的都是判斷系列是否包含豐、平、枯的完整過程，如果計算系列反映出的水文要素過程處于總體的豐水階段或枯水階段，則系列的代表性就差，若系列覆蓋了豐、平、枯和另一個豐或枯，即使系列增長，其系列均值偏大或偏小，代表性也不好，也要外延，系列才能有好的代表性。

圖5是塔里木河阿拉爾站根據(jù)樹木年輪延長的220年徑流量模比系數(shù)差積曲線。由資料統(tǒng)計知，1784～2003年多年平均年徑流量53.55×10⁸m³，1964～2003年多年平均年徑流量50.60×10⁸m³，1954～2003年多年平均年徑流量53.39×10⁸m³，1934～2003年多年平均年徑流量56.07×10⁸m³，1924～2003年多年平均年徑流量58.15×10⁸m³。

由后向前推，40年平均比220年平均??；50年平均與220年平均相近；增長到70年或更長，反而與220年平均值相差越來越大。這說明用差積曲線分析系列代表性，除應(yīng)達(dá)到規(guī)范要求的基本系列長度外，主要取決于系列是否是豐、平、枯的完整過程。

3.3.2 累積曲線與雙累積曲線

模比系數(shù)是表現(xiàn)短系列各值對長系列平均值的偏離程度，模比系數(shù)累積平均值隨著系列變化逐步趨近于1，這是基本要求。若只強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，而忽視若短系列的模比系數(shù)平均值大于或者小于1，短系列均值都偏大或偏小，短系列最終雖然趨近于1，但仍缺乏代表性。

雙累積曲線，最早是美國水文學(xué)者用于檢查雨量資料一致性的分析技術(shù)，現(xiàn)在被廣泛使用。對于水文要素雙累積的結(jié)果，是連續(xù)完整的曲線，證明被檢查對象是在原來同一條件下和同一的取值；否則應(yīng)予以修正。

3.3.3 抽樣誤差

抽樣誤差是由隨機(jī)樣本估計總體參數(shù)而產(chǎn)生的誤差。這里作者僅根據(jù)頻率計算中統(tǒng)計參數(shù)均方誤公式計算（取C_S=2C_V）列下表，可見均值及C_V的誤差較小，C_S誤差較大，若系列長度不足，則計算的C_V誤差較大。

樣本參數(shù)均方誤（%）

均值

Cv

Cs

60

30

60

30

60

30

0.1

1

2

11

15

168

240

0.5

7

9

14

20

55

77

本文是根據(jù)近幾年各類分析計算成果存在問題的匯總，意在提高成果質(zhì)量，在實(shí)際工作中應(yīng)視不同對象，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1水利水電科學(xué)研究院水資源研究所.水文計算經(jīng)驗(yàn)匯編（第四集）.北京：水利水電出版社，1984

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4 李江風(fēng)，袁玉江，由希堯等，樹木年輪水文學(xué)研究與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000

5 水利部，能源部.水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范   SL 44-93. 北京：水利水電出版社，1993

6水利部.水利水電工程水文計算規(guī)范    SL 278-2002. 北京：水利水電出版社，2002