水利水电工程水文设计评价方法

水利水电工程水文设计评价方法 水利水电工程水文设计评价方法 水利水电工程水文设计评价方法

摘要:影响工程水文设计成果合理性的因素,主要有基础资料、技术思路、方法技巧等。对同一工程来讲,不同设计者,因对水文资料处理、采用方法不同,最终成果差异很大。为了保证工程水文计算成果的合理性,本文提出一个评价工程水文设计成果合理性的基本思路及方法,与同仁携手探索。

关键词:设计成果 可靠性 一致性 代表性 差积 累积

工程水文设计受基础资料、推理、环境、人为因素等方面的客观和主观的干扰,或多或少存在成果评判上的差异,这就决定了对工程水文设计成果的合理性分析,必须认真核查,才能保证成果的真实性。水文工作者多年来在这方面累积了丰富的经验,但是,在具体工作中时常出现重视计算,而在分析上下功夫不够的现象,给工程水文设计成果带来一定风险。为使水文设计成果精度与工程设计同步,笔者根据近几年来在成果审查中反复出现的问题,谈几点认识,与同仁们商榷。

1、评价的主要对象

1.1资料的可靠性

基础资料的可靠性,是指设计中所引用的基本资料、数据、时期等,都要满足两条要求:一是十分可靠; 二是适应研究对象精度要求。

基础资料未经过严格复核、审查,就会给工作带来很多麻烦。例如:台勒外丘克河拜城站2002年7月23日0时的流量数据,数据库中显示其值为8.59m3/s,而原始资料记载该值为204m3/s。该错误不仅影响了瞬时流量甚至洪峰流量,而且使时段洪量相差甚大。

由此可见:基础资料必需具有足够的可靠性,才能保证成果的合理性。

1.1.1“规范”的基本要求

我国现行各种水文计算规范中都规定,在水利水电工程规划设计中,首先要对水文基本资料进行严格审查、复核,这就是要求首先要对资料的可靠性负责。

⑴ 中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程水文计算规范》SL278—2002(以下简称“水文计算规范”)中,多条、反复强调了基础资料的重要性,并用黑体印刷其意为强制执行,因为水文设计成果的精度主要取决于基本资料的可靠程度,故必须予以重视。

⑵ 中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》SL44—93(以下简称“洪水计算规范”)中,对基础资料,要求:“应重点复核,必要时进行现场调查和比测试验”。因为设计洪水计算所依据的各种洪水资料,一般为不同历史时期所积累,精度各异,复核审查相当必要。

⑶ 其它规范中凡涉及水文资料者,均强调了“资料复核和审查”,可见,基础资料的可靠性非常关键。 总结多年来的经验,对基础资料的复核、审查应重点放在如下几个方面:

⑴ 资料的极值年群,即大水年和小水年的资料。

⑵ 设计对象所应用的主要资料。如:

水位:水尺位置、高程系统、水尺零点、水位衔接、观测次数等。

断面:测量方法、断面形状、滩槽边界、断面冲淤变化等。

流量:测量方法、测点布设、比降、糙率、借用断面、浮标系数等。

降雨:观测场址、仪器类型、观测时段等。 一致性,是指所用的资料系列必须是在同一自然条件下产生的或是同一种类型的水文因素,不能混合统计不同性质的、各种条件下产生的资料系列。

影响系列一致性主要有两类现象。一是人类活动的影响;二是气象成因的不同。

人类活动影响,主要表现在各种工程建设,改变了水文系列的天然状态;人类活动改变,了流域上游的天然地貌与环境。图1所示,额尔齐斯河上游水文站与下游水文站洪峰流量关系在整个系,上游站迁移使关系线下部点据贴近线两侧,而两站间引水工程的修建,人为地改变了水文要素形成条件,使其上部点据偏离并平行向左侧排列,可见不考证水文条件而合为一个系列是不恰当的。

气象成因的不同对系列一致性影响的典型事件可以用叶尔羌河冰川湖溃决洪水说明。

图2为叶尔羌河卡群站洪峰流量频率曲线。从图可见:Qm(洪峰流量,下同)≤2500m3/s的融水型洪水点群非常密集在下部,并基本成一字排列,中部仅有6270>Qm>2500m3/s的几个洪水点;依中小量级点据拟合整个曲线,显然曲线上部的任意性很大。

图2 叶尔羌河卡群站洪峰流量频率曲线

1.3 样本的代表性

代表性,对不同的设计对象,有不同的含义。对水文频率计算来讲,系列的代表性,是该样本对系列所在接近程度,如越接近程度越高,代表性越好,频率分析成果精度高,反之则低。对设计暴雨来讲,其所选用的雨量站位置,是相对流域面雨量的代表性。对水力发电站、灌溉引水工程、分期设计洪水等来说,则枯水时段、分段最小流量的代表性,是决定设计精度的关键。等等……。

水文系列代表性的优劣,反映了系列代表总体统计特征的程度,所以系列代表性是水文设计成果质量保证的前提。《“水文计算规范”》及《“设计洪水计算规范”》等中都明确规定:“应在可靠性和一致性分析的基础上,进行代表性分析”。上述规定同时说明了分析步骤及顺序,即:首先进行资料可靠性和系列一致性分析,然后进行样本的代表性分析。

目前在很多水文设计中普遍存在以下三方面问题:

(1)只注意代表性分析,而忽视可靠性与一致性,这样就失去了牢固的基础。

(2)水文系列代表性分析后所确定最短系列长度,与频率计算时采用的系列长度不一致。因为我们的目的是判断该系列是否处于系列偏大或偏小时期;是否能比较均匀地包含各种量级水文信息。但关键在于,水文系列代表性分析确定的最短系列长度,与计算采用系列长短无关。

(3)过分强调模比系数累积平均值趋近于1的效果,而忽略了整个过程的收敛程度。

1.4 成果的合理性

成果的合理性,主要是包含两方面:一方面是单项设计计算的平衡;另一方面是上、下、相邻、区域的各项参数的规律性。

主要评价内容应从资料、思路、方法、参数、图表、结论等方面进行综合审查。

2 判断标准

水文设计的不确定因素太多,加之资料信息不够充分,设计中肯定会存在一定的风险,所以对设计成果取值,一般都是在合理的基础上,按偏于安全的原则考虑。这样做也符合规范要求。留有一定余地是十分必要的,既要使风险有合理性,又要使安全有科学性,投入产出不失衡。

笔者认为,合理性的判断标准,概括起来只有两条:

⑴ 符合规范要求,规范是行业的统一技术标准;

⑵ 适当留有余地,接受合理风险。

3评价的思路和方法

3.1相关检查

相关检查分析水文要素的合理性,其前提是相关变量之间应有因果关系,并结合当时当地的真实情况,具体分析、真实应用。近年来,只要是计算暴雨洪水,不论是山地局地暴雨还是大面积降雨,也不论是山前麓还是山后麓,凡雨量站,资料全用,也有专选雨量量级大的站,不普查、不分析、不筛选,这就叫不作成因研究的偶合相关,偶合相关会导致不良结果。

国际水文科学协会副主席陈家琦教授认为:用太阳黑子与黄河陕县洪水相关,按此推理,世界上就一个太阳,太阳黑子与地球上所有河流洪水都有关系,这个问题很难解释。笔者的观点:不能用宇宙因子与地方因子简单相关,否则会形成假相关或伪相关。

3.2频率曲线的检查

频率曲线的检查,应注意以下几点:

⑴ 在资料可靠性、一致性、代表性合理评价的基础上进行。

⑵ 严格执行规范规定的各种频率曲线适线原则。区分各种频率曲线适线的侧重点。

⑶ 历史洪水的考证期,对三参数影响极大,要多方考证确认,否则,宁短勿长。

⑷ 新疆最长水文系列不足70年,历史洪水考证期,一般在百年左右,若求小频率设计值,以作者经验最好以P=0.33%作上限,不然风险太大。图3是库车河兰干站洪峰流量实例。从图中可见:①排位第一的值是排位第二的值的3倍,流量1940~619m3/s之间,没有点据,适线难度大;②曲线通过老大点据的上部(最安全)和通过老大点据的下部(较安全)其稀遇频率的设计值相差甚大。

图3 库车河台兰站洪峰流量频率曲线