水利工程相关水文分析和计算方法的综述

　　0、 引言

　　我国是一个水旱灾害频繁、水资源短缺、水环境问题比较严重的国家,水利水电工程、水环境治理等是国家的基础产业,关系着社会经济持续发展和安全稳定的大局. 合理确定防洪减灾、水资源开发利用保护等工程布局与规模,正确评价工程作用,科学管理运行,充分发挥其效益都离不开水文分析和规划. 水文分析是研究各种水体在水循环运动中,相互转化、相互交换及其不断变化的规律性. 水文分析计算工作的任务是通过对水文要素的分析研究,揭示它们的变化规律,从而对长期的水文情势作出科学的预估.对水文的分析和计算有助于建设一些大型水电站和水库,对水文进行测报,掌握水文特性,制定科学的调度运用方案. 目前,国内外对水文规划的研究日益加强,取得的成果很多. 因此对水文分析和计算方法进行综述,试图为水利水电工程中的水文工作提供依据和借鉴.

　　1、 水文分析在水利工程方面的应用

　　水文分析在水利工程如防洪治理、修建桥梁、水库和水电站工程的实施等中都有重要的作用,在这些工程的实施前必须先摸清水的变化规律,进行合理的设计,才能确保工程正确地实施.

　　1. 1 水文分析在防洪治理中的应用

　　近年来,抗洪一直是人们所要面对的问题之一. 洪水常常会给人民的生命财产造成重大损失,也使农田减产或绝产. 因此,许多研究者对各个地区的水文进行分析,来预防洪水的泛滥. 如哈尼克孜·买买提对阿图什市城区的水文进行分析研究,发现影响阿图什市城区的洪源的因素都与暴雨所引起的洪水有直接关系,要防止洪水的泛滥,需要在该地区修建水库,这有利于人口、环境的协调发展,有利于水资源和水能资源的可持续利用,对当地经济的可持续发展起到了一定的推动作用; 王利等对百色水利枢纽进行水文分析,发现南宁洪水是由左、右江同时涨水组成的,左江单独涨大水,形成不了南宁的灾害洪水,而百色坝址以上来水占了南宁洪水的相当比重,修建百色水库是能够对南宁防洪起到较大作用的; 梁明春等对长潭水库进行水文分析,发现在 7 月至 10 月台汛期间,实行洪水优化调度可以防止洪水的蔓延; 郑章忠等对衢州市衢江区境内小流域进行水文分析,发现在小流域治理规划中,确定设计频率的洪峰流量尤为重要,通过对洪峰流量的分析,使洪水顺利通过,对防洪有重要意义. 贾永斌对岚漪河流域的暴雨洪水特征进行分析,为掌握该地区汛期的时间,提前防洪做好准备提供数据支持. 杨勇对桐梓河流域进行分析,发现由于它位于大娄山北面与四川盆地交界的迎风坡面上,易受冷锋低槽和两高切变天气系统的影响而形成大暴雨,暴雨中心从东北向西南递减,提出要根据地域的不同实施不同的防洪措施. 戴云辉等对二道沟水电站的水文进行分析,发现多种措施相互配合,对防洪抗险有一定的积极作用.

　　1. 2 水文分析在修建桥梁中的应用

　　一个好的桥梁设计,首先要满足构造物的安全性和适用性,其次是经济合理和技术可能性,而桥梁设计是否合理,突出表现在能否安全通畅地排泄洪峰流量上. 这就需要对河流水文进行充分而细致的调查研究工作,同时拟定出较为符合实际的桥梁孔径、桥高与桥梁总长. 水文计算的工作精度集中体现了桥梁的安全性、适用性与经济合理性,因而在桥梁设计中对水文工作应给予充分的重视.吴蕾以唐河枢纽跨河大桥工程中 B、D 匝道桥部分为例进行防洪水水文分析,认为桥梁设计防洪标准高于所在河段防护区防洪标准,这样设计桥梁既可以保证行洪安全,又可以保障桥的稳固,不会被洪水所损坏. 李秋生等对滞洪区内河流桥涵水文分析,考虑到水利规划可能会提高防洪标准,河堤外扩,桥孔布设时应适当向外布孔,在桥两侧应布设一定数量的涵洞、通道等构造物,以免桥头形成积水,不能畅泻. 吕宁军对吴忠黄河公路桥的防洪影响进行了综合评价,发现该桥的设计达到达到公路等级一级标准. 李森淼等对建桥河段的水文进行分析,提出在水流对河岸冲刷剧烈、副流强度大的地方应根据具体情况设置调制构造物,如导流堤、丁坝、顺水坝等,以改善桥位及其上下游河段的水流条件,使桥孔通畅排水输沙、减少对河床及堤防的冲刷、稳定桥位河段. 巢芳英等对永靖黄河水文进行分析研究,认为当发生刘家峡水库敞泄发生极端洪水事件时,设计桥下弦高程高于计算桥下弦高程,说明桥梁建设对河道行洪有一定的影响.

　　1. 3 水文分析在水库和水电站工程实施中的应用

　　水电站是将水能转换为电能的综合工程设施,其作用是将水能转换为电能. 水电工程设施包括挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等. 水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能,再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网.在水电站工程的实施过程中,水文分析是必不可少的.张红记首次较为系统的分析了象泉河流域水文泥沙资料情况,可为阿青水电站设计提供技术依据. 胡清静等对多儿水电站进行水文分析,发现由插补延长法得到的年径流系列具有较好的代表性和一致性,多儿水电站坝址断面年径流及枯水期径流的计算成果是合理的. 聂胜菊等对济南市春暄变电站的水文分析发现该输变电工程站址处不受杨家河和土河 100 年一遇洪水的威胁,站址所在区域在大雨时无积水现象,当地内涝洪水对站址无影响,但建议地基加高 0. 5 ~1. 0 m. 王晓春对李林水库进行设计洪水复核分析,与小岗水库的设计洪水成果进行对比,推算出李林水库的设计洪水成果,认为李林水库的设计洪水成果是合理的. 伊永玲对抚松县蒲春河水水库除险加固工程的水文分析,发现罗氏法与水科所法成果比较接近,但在该地区水科所法各项指标与实际情况更为接近.楼伟中等在京杭运河杭州段水文因素变化的基础上,计算推导设计最低通航水位和施工水位,可供建设各方参照. 魏炳乾等对重庆市巫溪县弯滩河流域及其流域上拟建的五座电站的坝址处进行了径流分析和计算,并对盐渠水文站洪水分析,得出了各梯级电站的设计洪峰流量及洪水过程线,为弯滩河流域梯级开发提供了水文依据. 强晓英等发现水文分析是水利工程设计的关键环节,如处理不当,不仅加大工程规模,而且还将影响工程效益的正常发挥,缩短工程使用寿命. 张建新遵循水文应急监测站网布设原则,进行了站点断面现场查勘、论证,制定出唐家山堰塞湖的水文应急监测方案,并获取了大量第一手实时雨、水情资料,为成功处置堰塞湖奠定了基础. 吴敦银等阐述了病险水库除险加固设计中水文分析与经济评价的重要性,针对目前加固设计中存在的问题,提出一些做好水库除险加固设计的水文分析和经济评价的方法和经验.

　　2、 水文分析计算

　　水文分析计算是对所研究的水文变量或过程,作出尽可能正确的概率描述,从而对未来的水文情势作出概率性预估,以便在此基础上作出最优的规划设计和决策. 包括采用一定的数学模型及根据资料估计模型中所含的参数. 由于对稀遇事件(如1000 年一遇或 10000 年一遇的洪水)数量估计的困难,有时亦采用一些非概率的设计计算方法,如可能最大暴雨和可能最大洪水的估算. 在对不同水文进行分析时,学者们采用的方法不同. 如晏云鹏对瀑布沟工程水文分析计算主要依据站的选定和基本资料的插补延长,以及径流、洪水的分析计算方法. 刘能胜等,吕云海等对工程水文分析时采用了适线法,适线法应用范围宽广,计算理论严谨,只要弄清这一方法,水文分析计算迎刃而解. 汤友如对油溪小水电站径流洪水分析计算,采用临近流域有实测资料站的降雨径流相关关系以及直接移用同流域上、下游站的径流模数分析计算无实测资料的小水电站径流,是行之有效的方法,无资料地区设计洪水分析计算应采用多种方法,湖南经验单位线和推理公式是最为常用的两种方法. 沙玉书对鱼洞坝水库水文分析,采用雨洪法计算,利用静库容法进行洪水调节,得出水库各设计标准的设计水位、下泄流量、相应库容. 谢君等用“比降法”对三角洲联围水文分析计算,“比降法”本着闸涌共同工作原则,既考虑闸站的引排水能力,也考虑河涌的排水能力及河涌的蓄量,概念清晰,计算合理,借助计算机辅助手段,进行多种水位,多种工程规模组合计算,可以较全面地反映围内河涌配套工程、水闸、排站的工况,为工程实施提供依据. 郑忠等,玛尔达尼. 米吉提等将 ARCGIS 技术运用于工程水文分析计算中,不但可以减少大量繁琐的计算工作,而且可以大大提高计算速度和准确度. 张国堂结合珠江三角洲气候水文条件,对佛山市一环南线公路主干线进行了一系列勘测,对南顺第二联围内路基防洪水文计算和路线经过堤围内低洼地区排水河道的水文计算,为确定该公路的控高和公路配套附属设施的高程设计提供了科学依据. 王振堂等总结了在小型水电站年径流水文分析计算中的常见的几个问题,提出处理方法,以满足小型水电站年径流水文分析计算工作的要求. 熊明等通过对我国在工程水文分析计算的回顾,总结了近年来我国在洪水频率分析、洪水不确定性研究、人类活动及气候变化对径流的影响等方面的最新进展,提出了今后水文计算的研究方向. 陈洋波提出了采用 USG-SHYDRO1K 数字地形高程模型计算流域数字地形的方法,并运用 Avenue 脚本语言开发了计算流域数字地形参数的 ArcView 扩展软件.

　　3、 结束语

　　尽管我国在水文不确定性研究方面迈出了可喜的步伐,然而随着水文水资源系统不断扩大,各因素相互作用的影响多样化,不确定性成分增多并且显示主导地位,现有的不确定性分析方法还不能满足工程需要,如平原水网区、感潮河段、冲淤变化河道、水库回水影响区河道等,由于水位流量关系变化复杂,水位和流量一般并非同频率. 影响水位的因素,除了与流量和比降有关外,还与河段断面的形态、河道上下游工程运用方式、回水顶托、冲淤变化、河道疏浚等影响有关,致使水位资料缺乏一致性和代表性. 因此,寻找水位资料的概率分布函数比较困难,这就需要不断研究这些问题,从而开展流域防洪问题研究. 在现行水文分析计算中,一般都假定水文变量具有随机性,然而随着人类活动影响的加剧,致使前后的水文变量不能认为来自同一个总体.因此,有必要对水文系列进行还原,使之属于同一个总体; 或者确定不同类型和不同程度人类活动影响的水文系列.

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