水利水電工程實(shí)施中的水文分析與計(jì)算研究進(jìn)展

林 麗，郭立波

(1.黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)水資源管理辦公室;2.哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

我國是一個水旱災(zāi)害頻繁、水資源短缺、水環(huán)境問題比較嚴(yán)重的國家，水利水電工程、水環(huán)境治理等是國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，關(guān)系著社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和安全穩(wěn)定的大局.合理確定防洪減災(zāi)、水資源開發(fā)利用保護(hù)等工程布局與規(guī)模，正確評價工程作用，科學(xué)管理運(yùn)行，充分發(fā)揮其效益都離不開水文分析和規(guī)劃.水文分析是研究各種水體在水循環(huán)運(yùn)動中，相互轉(zhuǎn)化、相互交換及其不斷變化的規(guī)律性［1］.水文分析計(jì)算工作的任務(wù)是通過對水文要素的分析研究，揭示它們的變化規(guī)律，從而對長期的水文情勢作出科學(xué)的預(yù)估［2］.對水文的分析和計(jì)算有助于建設(shè)一些大型水電站和水庫，對水文進(jìn)行測報(bào)，掌握水文特性，制定科學(xué)的調(diào)度運(yùn)用方案［3］.目前，國內(nèi)外對水文規(guī)劃的研究日益加強(qiáng)，取得的成果很多.因此對水文分析和計(jì)算方法進(jìn)行綜述，試圖為水利水電工程中的水文工作提供依據(jù)和借鑒.

1 水文分析在水利工程方面的應(yīng)用

水文分析在水利工程如防洪治理、修建橋梁、水庫和水電站工程的實(shí)施等中都有重要的作用，在這些工程的實(shí)施前必須先摸清水的變化規(guī)律，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能確保工程正確地實(shí)施.

1.1 水文分析在防洪治理中的應(yīng)用

近年來，抗洪一直是人們所要面對的問題之一.洪水常常會給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，也使農(nóng)田減產(chǎn)或絕產(chǎn).因此，許多研究者對各個地區(qū)的水文進(jìn)行分析，來預(yù)防洪水的泛濫.如哈尼克孜·買買提對阿圖什市城區(qū)的水文進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)影響阿圖什市城區(qū)的洪源的因素都與暴雨所引起的洪水有直接關(guān)系，要防止洪水的泛濫，需要在該地區(qū)修建水庫，這有利于人口、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，有利于水資源和水能資源的可持續(xù)利用，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到了一定的推動作用［4］;王利等對百色水利樞紐進(jìn)行水文分析，發(fā)現(xiàn)南寧洪水是由左、右江同時漲水組成的，左江單獨(dú)漲大水，形成不了南寧的災(zāi)害洪水，而百色壩址以上來水占了南寧洪水的相當(dāng)比重，修建百色水庫是能夠?qū)δ蠈幏篮槠鸬捷^大作用的［5］;梁明春等對長潭水庫進(jìn)行水文分析，發(fā)現(xiàn)在7月至10月臺汛期間，實(shí)行洪水優(yōu)化調(diào)度可以防止洪水的蔓延［6］;鄭章忠等對衢州市衢江區(qū)境內(nèi)小流域進(jìn)行水文分析，發(fā)現(xiàn)在小流域治理規(guī)劃中，確定設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量尤為重要，通過對洪峰流量的分析，使洪水順利通過，對防洪有重要意義［7］.賈永斌對嵐漪河流域的暴雨洪水特征進(jìn)行分析，為掌握該地區(qū)汛期的時間，提前防洪做好準(zhǔn)備提供數(shù)據(jù)支持［8］.楊勇對桐梓河流域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于它位于大婁山北面與四川盆地交界的迎風(fēng)坡面上，易受冷鋒低槽和兩高切變天氣系統(tǒng)的影響而形成大暴雨，暴雨中心從東北向西南遞減，提出要根據(jù)地域的不同實(shí)施不同的防洪措施［9］.戴云輝等對二道溝水電站的水文進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多種措施相互配合，對防洪抗險有一定的積極作用［10］.

1.2 水文分析在修建橋梁中的應(yīng)用

一個好的橋梁設(shè)計(jì)，首先要滿足構(gòu)造物的安全性和適用性，其次是經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)可能性，而橋梁設(shè)計(jì)是否合理，突出表現(xiàn)在能否安全通暢地排泄洪峰流量上.這就需要對河流水文進(jìn)行充分而細(xì)致的調(diào)查研究工作，同時擬定出較為符合實(shí)際的橋梁孔徑、橋高與橋梁總長.水文計(jì)算的工作精度集中體現(xiàn)了橋梁的安全性、適用性與經(jīng)濟(jì)合理性，因而在橋梁設(shè)計(jì)中對水文工作應(yīng)給予充分的重視.

吳蕾以唐河樞紐跨河大橋工程中B、D匝道橋部分為例進(jìn)行防洪水水文分析，認(rèn)為橋梁設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)高于所在河段防護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)，這樣設(shè)計(jì)橋梁既可以保證行洪安全，又可以保障橋的穩(wěn)固，不會被洪水所損壞［11］.李秋生等對滯洪區(qū)內(nèi)河流橋涵水文分析，考慮到水利規(guī)劃可能會提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，河堤外擴(kuò)，橋孔布設(shè)時應(yīng)適當(dāng)向外布孔，在橋兩側(cè)應(yīng)布設(shè)一定數(shù)量的涵洞、通道等構(gòu)造物，以免橋頭形成積水，不能暢瀉［12］.呂寧軍對吳忠黃河公路橋的防洪影響進(jìn)行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)該橋的設(shè)計(jì)達(dá)到達(dá)到公路等級一級標(biāo)準(zhǔn)［13］.李森淼等對建橋河段的水文進(jìn)行分析，提出在水流對河岸沖刷劇烈、副流強(qiáng)度大的地方應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置調(diào)制構(gòu)造物，如導(dǎo)流堤、丁壩、順?biāo)畨蔚?，以改善橋位及其上下游河段的水流條件，使橋孔通暢排水輸沙、減少對河床及堤防的沖刷、穩(wěn)定橋位河段［14］.巢芳英等對永靖黃河水文進(jìn)行分析研究，認(rèn)為當(dāng)發(fā)生劉家峽水庫敞泄發(fā)生極端洪水事件時，設(shè)計(jì)橋下弦高程高于計(jì)算橋下弦高程，說明橋梁建設(shè)對河道行洪有一定的影響［15］.

1.3 水文分析在水庫和水電站工程實(shí)施中的應(yīng)用

水電站是將水能轉(zhuǎn)換為電能的綜合工程設(shè)施，其作用是將水能轉(zhuǎn)換為電能.水電工程設(shè)施包括擋水、泄水建筑物形成的水庫和水電站引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、機(jī)電設(shè)備等.水庫的高水位水經(jīng)引水系統(tǒng)流入廠房推動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能，再經(jīng)升壓變壓器、開關(guān)站和輸電線路輸入電網(wǎng).在水電站工程的實(shí)施過程中，水文分析是必不可少的.

張紅記首次較為系統(tǒng)的分析了象泉河流域水文泥沙資料情況，可為阿青水電站設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)［16］.胡清靜等對多兒水電站進(jìn)行水文分析，發(fā)現(xiàn)由插補(bǔ)延長法得到的年徑流系列具有較好的代表性和一致性，多兒水電站壩址斷面年徑流及枯水期徑流的計(jì)算成果是合理的［17］.聶勝菊等對濟(jì)南市春暄變電站的水文分析發(fā)現(xiàn)該輸變電工程站址處不受楊家河和土河100年一遇洪水的威脅，站址所在區(qū)域在大雨時無積水現(xiàn)象，當(dāng)?shù)貎?nèi)澇洪水對站址無影響，但建議地基加高0.5～1.0 m［18］.王曉春對李林水庫進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水復(fù)核分析，與小崗水庫的設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行對比，推算出李林水庫的設(shè)計(jì)洪水成果，認(rèn)為李林水庫的設(shè)計(jì)洪水成果是合理的［19］.伊永玲對撫松縣蒲春河水水庫除險加固工程的水文分析，發(fā)現(xiàn)羅氏法與水科所法成果比較接近，但在該地區(qū)水科所法各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)際情況更為接近［20］.樓偉中等在京杭運(yùn)河杭州段水文因素變化的基礎(chǔ)上，計(jì)算推導(dǎo)設(shè)計(jì)最低通航水位和施工水位，可供建設(shè)各方參照［21］.魏炳乾等對重慶市巫溪縣彎灘河流域及其流域上擬建的五座電站的壩址處進(jìn)行了徑流分析和計(jì)算，并對鹽渠水文站洪水分析，得出了各梯級電站的設(shè)計(jì)洪峰流量及洪水過程線，為彎灘河流域梯級開發(fā)提供了水文依據(jù)［22］.強(qiáng)曉英等發(fā)現(xiàn)水文分析是水利工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如處理不當(dāng)，不僅加大工程規(guī)模，而且還將影響工程效益的正常發(fā)揮，縮短工程使用壽命［23］.張建新遵循水文應(yīng)急監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)原則，進(jìn)行了站點(diǎn)斷面現(xiàn)場查勘、論證，制定出唐家山堰塞湖的水文應(yīng)急監(jiān)測方案，并獲取了大量第一手實(shí)時雨、水情資料，為成功處置堰塞湖奠定了基礎(chǔ)［24］.吳敦銀等闡述了病險水庫除險加固設(shè)計(jì)中水文分析與經(jīng)濟(jì)評價的重要性，針對目前加固設(shè)計(jì)中存在的問題，提出一些做好水庫除險加固設(shè)計(jì)的水文分析和經(jīng)濟(jì)評價的方法和經(jīng)驗(yàn)［25］.

2 水文分析計(jì)算

水文分析計(jì)算是對所研究的水文變量或過程，作出盡可能正確的概率描述，從而對未來的水文情勢作出概率性預(yù)估，以便在此基礎(chǔ)上作出最優(yōu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和決策.包括采用一定的數(shù)學(xué)模型及根據(jù)資料估計(jì)模型中所含的參數(shù).由于對稀遇事件(如1000年一遇或10000年一遇的洪水)數(shù)量估計(jì)的困難，有時亦采用一些非概率的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，如可能最大暴雨和可能最大洪水的估算.在對不同水文進(jìn)行分析時，學(xué)者們采用的方法不同.如晏云鵬對瀑布溝工程水文分析計(jì)算主要依據(jù)站的選定和基本資料的插補(bǔ)延長，以及徑流、洪水的分析計(jì)算方法［26］.劉能勝等，呂云海等對工程水文分析時采用了適線法，適線法應(yīng)用范圍寬廣，計(jì)算理論嚴(yán)謹(jǐn)，只要弄清這一方法，水文分析計(jì)算迎刃而解［27－28］.湯友如對油溪小水電站徑流洪水分析計(jì)算，采用臨近流域有實(shí)測資料站的降雨徑流相關(guān)關(guān)系以及直接移用同流域上、下游站的徑流模數(shù)分析計(jì)算無實(shí)測資料的小水電站徑流，是行之有效的方法，無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算應(yīng)采用多種方法，湖南經(jīng)驗(yàn)單位線和推理公式是最為常用的兩種方法［29］.沙玉書對魚洞壩水庫水文分析，采用雨洪法計(jì)算，利用靜庫容法進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)，得出水庫各設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)水位、下泄流量、相應(yīng)庫容［30］.謝君等用“比降法”對三角洲聯(lián)圍水文分析計(jì)算，“比降法”本著閘涌共同工作原則，既考慮閘站的引排水能力，也考慮河涌的排水能力及河涌的蓄量，概念清晰，計(jì)算合理，借助計(jì)算機(jī)輔助手段，進(jìn)行多種水位，多種工程規(guī)模組合計(jì)算，可以較全面地反映圍內(nèi)河涌配套工程、水閘、排站的工況，為工程實(shí)施提供依據(jù)［31］.鄭忠等，瑪爾達(dá)尼.米吉提等將ARCGIS技術(shù)運(yùn)用于工程水文分析計(jì)算中，不但可以減少大量繁瑣的計(jì)算工作，而且可以大大提高計(jì)算速度和準(zhǔn)確度［32－33］.張國堂結(jié)合珠江三角洲氣候水文條件，對佛山市一環(huán)南線公路主干線進(jìn)行了一系列勘測，對南順第二聯(lián)圍內(nèi)路基防洪水文計(jì)算和路線經(jīng)過堤圍內(nèi)低洼地區(qū)排水河道的水文計(jì)算，為確定該公路的控高和公路配套附屬設(shè)施的高程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)［34］.王振堂等總結(jié)了在小型水電站年徑流水文分析計(jì)算中的常見的幾個問題，提出處理方法，以滿足小型水電站年徑流水文分析計(jì)算工作的要求［35］.熊明等通過對我國在工程水文分析計(jì)算的回顧，總結(jié)了近年來我國在洪水頻率分析、洪水不確定性研究、人類活動及氣候變化對徑流的影響等方面的最新進(jìn)展，提出了今后水文計(jì)算的研究方向［36］.陳洋波提出了采用 USGSHYDRO1K數(shù)字地形高程模型計(jì)算流域數(shù)字地形的方法，并運(yùn)用Avenue腳本語言開發(fā)了計(jì)算流域數(shù)字地形參數(shù)的ArcView擴(kuò)展軟件［37］.

3 結(jié)束語

盡管我國在水文不確定性研究方面邁出了可喜的步伐，然而隨著水文水資源系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，各因素相互作用的影響多樣化，不確定性成分增多并且顯示主導(dǎo)地位，現(xiàn)有的不確定性分析方法還不能滿足工程需要，如平原水網(wǎng)區(qū)、感潮河段、沖淤變化河道、水庫回水影響區(qū)河道等，由于水位流量關(guān)系變化復(fù)雜，水位和流量一般并非同頻率.影響水位的因素，除了與流量和比降有關(guān)外，還與河段斷面的形態(tài)、河道上下游工程運(yùn)用方式、回水頂托、沖淤變化、河道疏浚等影響有關(guān)，致使水位資料缺乏一致性和代表性.因此，尋找水位資料的概率分布函數(shù)比較困難，這就需要不斷研究這些問題，從而開展流域防洪問題研究.在現(xiàn)行水文分析計(jì)算中，一般都假定水文變量具有隨機(jī)性，然而隨著人類活動影響的加劇，致使前后的水文變量不能認(rèn)為來自同一個總體.因此，有必要對水文系列進(jìn)行還原，使之屬于同一個總體;或者確定不同類型和不同程度人類活動影響的水文系列.

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