刘 伟,李 臻

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

172项重大节水供水工程为国务院2015年政府工作报告中确定的重大事项，项目是解决我国的节水、供水、水资源配置、水旱灾害等问题的重大基础设施工程。目前，已开工123项，大多项目经过我院的技术审查。在这些项目的技术审查过程中，有许多共通的技术问题和难题，回顾技术审查历程，对审查中的问题予以总结，为以后的设计成果提供借鉴和参考是十分有意义的。

水文研究的主要内容包括设计径流、设计洪水、水位流量关系、泥沙和冰情等，是工程规模、特征指标等设计参数确定的依据，也与工程投资和效益、调度运行密切相关，特别是设计洪水成果，对工程本身和防洪保护对象的安全影响很大。本文总结提炼了水文技术审查过程中水文系列、设计径流、设计洪水、水位流量关系等4个方面的若干主要问题，结合实例提出处理方法，有利于促进工程设计质量的提升。

1 关于水文系列的还原

水文系列是水文计算的基础，水文成果的可靠程度与水文系列的代表性、一致性和可靠性密切相关。水文系列的长度对数据的代表性至关重要，中华人民共和国成立以来，积累了相当数量的水文观测资料，根据最近的7大流域水文修订成果，最长的系列已可达130年，平均系列长度基本可达50年，规范中规定水文系列的长度一般不应小于30年[1]。因此，对于绝大多数水文站，系列的代表性已具备了一定的基础，有实测水文资料的流域，多数情况下，水文系列具备代表性，部分流域则需要根据丰枯变化论证分析代表性；随着水利科技的发展，特别是水文测验技术的发展，水文从业人员素质的提高，测验程序的规范，测验数据的准确程度越来越高，相应测验误差趋于稳定，水文资料的可靠性基本得到保证；但由于经济社会的快速发展，特别是城镇化率的快速提高，人类活动对水文测验数据的影响越来越大，加上部分区域下垫面变化剧烈，定量估算此类因素对水文数据的影响程度具有较大难度，诸多因素导致水文系列难以满足一致性要求[2]。

水利工程项目审查过程中，径流系列主要存在长度不足、还原项考虑不完全、农业用水还原困难、地表水与地下水转换关系复杂等问题，洪水系列主要存在是否考虑了历史洪水、近年大洪水、上游水库等工程影响等问题。如果系列具备可靠性和代表性基础，则要重点关注系列的还原问题。

1.1 径流系列

改革开放以来，我国经济社会快速发展，城镇化率不断提高，与径流密切相关的工农业用水、工程建设、下垫面等因素变化较大，对径流系列的一致性产生了一定影响。

在径流系列的还原中，规范规定计算库蓄变化、工农业用水、蒸发渗漏等还原项，其中要特别注意引水工程的引退水影响。由于工业用水监测资料较全，而农业用水资料则相对短缺，特别是沿河分散引水的灌区，整体用水量大，但引水工程分散，农业用水和退水资料不易获得。例如，嫩江流域及部分支流，沿河两岸大量灌区，引退水规模较大；甘肃石羊河流域，水资源极其短缺，地表水灌区和地下水灌区交错布置，地表水和地下水转换关系复杂，引提水和退水资料不全；新疆水资源极其短缺，河流开发利用率高，加上恶劣的自然条件，灌区等取用水情况复杂及河道的蒸发渗漏问题，以上情况均对径流系列的还原产生了较大影响。在处理农业用水及退水还原时，首先要深入收集取用水及退水监测资料，利用耗水定额、水资源公报等多种途径复核相关资料，必要时采用定额法、综合对比法等多种方法分析估算农业取用水量和退水量，并进行实地调研；然后根据相应资料，还原出天然径流量，并采用降雨径流关系、上下游或邻站径流相关等方法分析还原后的天然径流系列的合理性，从而提高还原径流系列的准确性。

1.1.1 关于城镇化的影响

经济发达地区的城镇化发展形成的硬化和不透水区域增加，对流域的径流也产生一定的影响，在采用径流系数简化计算的时候，要注意不同时期城镇化率的影响。例如太湖流域，城镇化的发展，农田转变为建设用地的规模较大，对径流系列的影响是比较明显的。遇到此类情况，应根据遥感数据、土地分类变化等资料，准确分析地类特征，估算径流系数变化，从而准确进行径流系列一致性处理。

1.1.2 关于水利水保工程的影响

黄河流域上中游水土保持工程数量多、规模大，对防治流域的水土流失做出了重大贡献。同时，水土保持工程和小型水利工程以及地下水的开采利用也对径流产流条件产生了较大的影响。通过年降雨径流相关法，分析长系列不同时期的降雨径流关系，找出不同时期的径流关系拐点；采用成因分析法，分析不同时期影响径流一致性的因素。

1.2 洪水系列

人类活动同样对洪水系列产生了较大影响。洪水系列的还原中，需要注意上游水库工程的削峰作用、堤防建设引起的归槽影响以及下垫面变化对洪水的影响。

随着流域开发利用程度的增加，各种规模的水库数量不断增多，特别是中小型水利工程，监测资料较少，但由于数量较多，对设计洪水的影响累积效应较大，南北方均存在此类问题；由于设计洪水分析计算关注的是大水年的洪峰量值，在资料收集困难的情况下，着重对大水年的上游中小型水库资料进行复核，收集监测和调度运行资料，当收集资料困难时，应根据其调度运用方式复核下泄洪峰流量。

重要河流大多经过治理，由于堤防的束缚，原本的漫滩行洪变成了堤内行洪，在延长洪水系列时，要注意系列的一致性，对漫溢洪水进行一致性处理。在郁江治理可研项目中，天然洪水和归槽洪水相差较大，虽然相较于洪峰占比不大，但对系列的可靠性会产生影响，特别是大水年，如梧州站实测系列中1998、2005年洪水较大，实测洪峰分别为52900、53700m3/s，为归槽洪水，还原为天然洪水后分别为47900、48500m3/s，分别相差5000、5200m3/s，占比接近10%。黄河流域的伊洛河夹滩地区及沁南地区在大洪水时自然滞洪，需要对自然滞洪进行还原处理。以花园口1761年洪水为例，推算天然洪水洪峰流量为32000m3/s，是伊洛河夹滩和沁南地区自然滞洪后的结果，若按伊洛河、沁河修建堤防且堤防不决口进行处理，相应的花园口洪峰流量为37570m3/s，差值5570m3/s，占比约17.4%。

由于上游水利工程调蓄作用的增加，黄河流域下垫面变化导致同样降雨产生的中小洪水频次减少，在进行一致性处理时，需要分期还原其对设计洪水的影响。以黄河河龙区间为例：对于较大量级和中等量级洪水，各年代相似降雨的典型场次洪水径流系数变化不大；对于较小量级洪水，20世纪80年代典型场次洪水径流系数小于60年代，2001年场次径流系数较60年代场次减小20%～40%；初步确定河龙间人类活动影响较大的节点为1970年，对量级在6000m3/s以上的洪水不进行还原、还现；对6000m3/s以下洪水进行还现计算，还现的标准约20%。

2 关于设计径流

2.1 工程所在流域有实测水文资料

在设计径流计算过程中，由于水利部委托审查项目大多为大型工程，所处河流流域面积较大，大多流域有水文站，采用比拟法计算工程位置的设计径流时，部分项目未考虑降雨以及径流系数的修正。

工程位置上下游有水文站，则设计径流的计算可依据上下游水文站进行计算。当采用上下游水文站作为依据站进行设计径流计算时，如果区间面积占比较大，则应注意区间设计径流成果的计算；当采用水文比拟法计算时，需要采用降雨进行修正，若工程断面控制汇流面积和水文站控制汇流面积以上产流条件差别较大时，还应采用径流系数进行修正；或者通过计算区间径流量后，与水文站成果进行加减，得到工程断面径流量，区间径流量计算时，可采用径流深或面积分摊等多种方法进行计算后综合确定。

2.2 工程所在流域无实测水文资料

当工程所在流域无水文站时，可根据邻近水文站实测资料采用比拟法计算，计算时修正系数可参考有实测资料流域进行降雨和径流系数修正，但应对邻近水文站与工程所在流域的降雨径流特性进行分析，确保特性基本相似。如果邻近流域无水文站可作为依据站，则可根据地区径流深等图表查算，查图时应按径流深等值线划分面积分别计算后累加得到径流量。计算后，可根据周边流域相关径流模数、降雨径流关系等进行合理性检查。

2.3 径流的消散问题

松辽流域由于地下水的开采、区间来水的减少等，部分站点存在下游径流量小于上游径流量的问题；同样，新疆许多河流在流出山口后，河道蒸发和渗漏量大，河道用水量大，也出现下游径流量小于上游径流量的问题，如玉龙喀什河。海河流域、淮河流域、黄河流域均存在类似现象，主要是地表水与地下水的转换、蒸发渗漏量等因素的影响。计算遇到此类情况，应对上下游的河道渗漏、工农业用水等进行详细调查，分析径流减少的原因，对径流成果进行合理性分析；必要时可采用降雨径流关系等多种方法复核。

2.4 岩溶地区的设计径流

岩溶地区的设计径流计算要注意暗河等对设计径流的影响，既有流域内的暗河流出，也有流域外的暗河注入问题；同时存在建库前无暗河渗流问题，但建库后形成岩溶通道，甚至形成反压的问题。在此种情况下，应以流域封闭为基本原则，加强水文地质的勘察，详细查明不同暗河的集水面积、调蓄性能、入流点、出流点和流量等指标，为水文和规划计算提供依据。以云南清水河枢纽为例，坝址上下游共6条暗河，其中出露点在下坝址至下游水文站之间的有2条，流量占水文站流量的24.2%，此部分径流量无法在坝址汇流，在计算时需要扣除相应面积的径流量。部分地区由于部分暗河调蓄作用较大，会对径流量的年内分配产生影响，在设计径流及年内分配上应注意分析暗河的作用。

2.5 代表段选择对设计径流的影响

一般来讲，系列越长代表性越好。由于不同年代下垫面等的变化较大、丰枯段频次也未必均衡，下垫面的还原和处理具有一定难度，因此选择合适的代表段作为相应站点的依据系列至关重要。第二次全国水资源调查评价时，资料系列年限统一为1956—2000年。进入2000年以后，有的流域径流处于偏枯时期，如海河流域、黄河流域等均面临选择合适的代表系列段的问题，采用长系列或短系列代表流域径流量的问题值得深入研究。

3 关于设计洪水

3.1 近年发生的大洪水

设计洪水选样采用年最大值法，较大洪峰对设计洪水适线的影响较大。设计洪水计算时，在以往对历史洪水分析的基础上，要注意近期大水年。例如松辽流域二松等河段2010、2013年发生大水，约为100年一遇，对设计洪水成果影响较大，虽然《七大流域水文成果修订任务书》中要求系列延长至2010年，但考虑大洪水，应将系列延长至2013年。太湖流域2016年发生大洪水，太湖水位超过历史极值，虽然对太湖流域整体的适线不会产生太大影响，但部分水利分区的设计值可能会有所变化，在不同水利分区的设计洪水计算时，应考虑2016年洪水的影响。

3.2 岩溶地区设计洪水

在岩溶地区，暗河不仅对径流量及年内分配产生影响，还会对洪峰及洪水过程产生影响，调蓄作用大的暗河或者无法定量描述的暗河，需要考虑一定的安全修正值。以贵州夹岩水利枢纽工程为例，工程受水区主要涉及黔西北的毕节地区和遵义市的西南部区域，在项目建议书阶段，考虑建坝后伏流、河道槽蓄以及干支流洪水遭遇变化等对洪水的影响，校核洪水的洪峰、洪量按加安全修正值20%进行设计，在可行性研究阶段结合相关专业要求进一步研究复核。

3.3 关于设计洪水地区组成

设计洪水计算时，新建工程上游已建水库等调蓄工程或工程承担下游有防洪任务时，应该进行洪水地区组成分析。在进行工程断面的设计洪水计算时，对调蓄作用较大的工程，尤其应分析洪水地区组成。洪水地区组成的方法，国内外研究提出了JC法和Copula法[3- 4]、随机模拟法以及采用归一化的概率密度函数提出的区间估计方法等，方法各有优劣[5]。我国的设计洪水计算规范规定，一般采用典型年法或同频率洪水组成法[6]，在分区不大于3个时，多采用同频率洪水组成法；多于3个分区时，多采用典型年法。

采用典型年分析设计洪水地区组成时，各区间洪水过程的计算是难点也是重点，即典型年的选择、过程线缩放方法至关重要。关于典型年的选择，在审查过程中，部分项目选用典型年不够，有的仅选择1个年份作为典型年，洪水过程的代表性不足，存在一定的风险。在采用典型年法分析洪水地区组成时，一般应选择几个典型年，选择偏不利的方案作为采用成果；在洪峰起控制作用时，过程线采用洪峰同倍比缩放；24h洪量或3d洪量起决定作用时，过程线可采用相应洪量同倍比缩放；对于比较复杂的工程，可采用多种方法，进行综合比选，剔除超频等成果，最终推荐对工程偏不利的方案。以渠江流域的大型水库库容分配为例，达州断面以上有4座大型水库，共划分为鲜家湾水库、固军水库、土溪口水库、江口水库、4库区间、江口至达州区间、达州断面等7个区间，选择1963、1965、1982、1989、1991、2004、2005、2010年等作为典型年，采用洪峰同倍比、24h洪量同倍比、3d洪量同倍比分别缩放出21个方案，同一区间采用不同典型年计算成果之间可相差8倍以上，同一典型年不同的缩放方法之间也相差50%以上；针对21个方案成果，与各区间设计成果相比较，部分区间成果超频，剔除相关成果后，考虑工程安全，选择相应的地区组成来进行防洪库容的计算。

4 关于水位—流量关系

4.1 一般河道水位—流量关系

作为工程设计的依据，准确的水位—流量关系对于工程安全至关重要。随着经济社会的发展，流域的开发利用强度逐渐加大，河道河势及冲淤变化受人类活动影响较大，特别是采砂、控制河势、束窄河道、下游水位壅高顶托、分流比变化、航道整治等人类活动对水位—流量关系的影响较大；同时，由于实测流量一般较小，水位—流量关系经常需要外延才能满足工程规划设计的需要。因此，水位—流量关系的关注重点在于水位—流量关系断面的位置、断面数据的可靠性以及水位—流量关系的外延等方面。结合以往项目的审查，水位—流量关系主要存在的问题是水位—流量关系断面是否满足建设和运营期要求、计算方法以及高低水外延的方法是否合适。

以水库为例，坝址断面、导流洞进出口、电站进出口等断面均需要水位—流量关系成果，以确定建设期和运行期的洪水位。坝址断面水位—流量关系主要用于计算坝址断面天然洪水位和坝后水位，导流洞进出口断面水位—流量关系则与施工期围堰以及运行期的进出口水力计算密切相关，电站进出口水位—流量关系也直接决定进出口导流工程高度和运行期水位等指标。而部分项目仅提出坝址断面的水位—流量关系显然是不够的。

规划和项目建设等阶段，工程断面上下游绝大多数没有实测水位—流量关系，一般采用水面线法或者明渠均匀流法等推算。在规划、项目建设、可行性研究等阶段，基本满足精度要求，但在工程初步设计或实施前均要设立水位—流量观测断面，积累一定时期的水位—流量关系数据，对推算的水位—流量关系进行复核，以保证水位的准确。

低水位—流量关系受河道断面变化影响较大，特别是采砂活动、河势控导工程等。玉龙喀什河受采玉活动影响，河道断面变化巨大，两侧全部为堆弃的松散砂石，此种情况不仅要计算现状的河道断面，还需要计算规划治理的河道断面；部分北方河道多年没有来水，河道干涸，有些河道无法找到主槽，在低水时，无法确定水位—流量关系，此时，要分析不同洪水情况下的河道形态，大洪水时河道的小砂坑、砂堆对河道流态影响不大，小洪水时，采砂坑和砂堆对水位—流量关系影响较大，需要进行相应的处理。

水位—流量关系外延多采用曼宁公式法、史蒂文斯法、邻站相关法等进行计算[7]，各种方法均需河段顺直、断面稳定、冲淤变化不大、关系单一，不同的方法适用于不同的条件，相关法则要求资料条件和相关性较好，必要时水位—流量关系计算可采用多种方法，经综合比选后采用。

4.2 受潮位影响的水位—流量关系

沿海感潮河段水位受潮水顶托影响明显，水位—流量关系为多蔟形式，单场洪水也呈现绳套特征，可确定水位—流量关系范围的上下线，根据需要合理选用。例如，珠江三角洲某水文站[8]受潮水顶托，水位—流量关系复杂，各场次洪水的水位流量呈现出绳套曲线特征，断面受河道挖砂、航道疏浚等多方面因素影响，断面逐年下切，自2005年后，绳套曲线呈逐年右移趋势，2010年的水位—流量绳套曲线位于最右侧，如图1所示。在实际应用中，防洪工程设计从偏于安全考虑，按上线进行使用，而实际防汛工作采用下线为宜。

5 结语

172项节水供水工程大多为重大水利工程，水文成果的可靠与否直接决定工程的规模和安全。在不同阶段的审查过程中，水文分析计算中存在一些共性问题，这些问题已经通过修改和完善，满足相关规范和设计要求，在此提出这些问题及解决方法，供以后的工程水文计算参考。

水文资料是水文计算的基础，资料的准确性直接决定成果的准确性，因此水文系列的三性分析内容是水文计算的重要工作内容。随着经济社会的快速发展，人类活动的影响及下垫面的变化对水文资料一致性的挑战越来越大，水文资料的一致性处理要经过大量的分析计算后确定，同时要进行合理性检查，保证还原成果和一致性处理成果质量。

目前，我国设计径流和设计洪水的计算采用相关规范的规定方法，郭生炼等对国内外设计洪水的采样、分布线型、参数估计、区域洪水频率、多变量设计洪水等方法进行了分析和研究，提出了相应的研究方向[9- 10]，在规范修订的时候，可根据成熟和可靠程度，参考相关研究成果。由于我国地域宽广，跨越地理气候带较多，不同的区域有不同的水文特性，加上水文监测资料情况不一，沿海河网地区的径流量无法通过实测资料得到，北方地区的径流存在上下游的不协调问题，岩溶区域的径流和洪水计算均需要大量的水文地质调查工作支撑，有冰川补给河流的径流和洪水呈现出与气温的正相关特性，因此设计径流和设计洪水的计算需根据流域内有无实测资料分别采用不同的方法，同时注意特殊条件对径流和洪水以及相应过程的影响。设计洪水地区组成是设计洪水计算的重点和难点，应注意同频率法和典型年法的适用条件和需要注意的缩放及超频问题。

水位—流量关系受采砂、航运、河道整治等人类活动影响较大，不同的计算方法和外延方法以及受潮水位顶托影响下的水位—流量关系处理方法，对工程的安全和调度运行至关重要。应分析计算多个相关断面的水位—流量关系成果，以满足建设期和运行期的使用；水位—流量关系外延多采用曼宁公式法、史蒂文斯法、邻站相关法等进行计算，而受潮水位顶托影响的水位—流量关系应用在防洪工程设计时，从偏于安全考虑多按上线进行使用，实际防汛工作采用下线为宜。

图1 珠江三角洲某水文站水位—流量关系