第三节 工程水文研究

一、工程水文研究的意义

水文科学是研究地球上水的时空分布与运动规律的科学。它与地圈、大气圈及生物圈研究有密切的关系，在科学体系上属于地球科学。水文学的社会作用在于为水资源和水电资源的开发利用与防洪减灾服务，因此，水文学又是水利水电科学的一部分。工程水文学是水文学的一个重要分支，它将水文学的基本原理应用于解决工程实际问题，具有基础学科和工程应用学科的双重特点，是为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据的一门科学。

工程水文学的内容包括水循环与径流形成，水文信息采集与整编，水文统计，设计径流分析计算与径流随机模拟，设计洪水分析计算，可能最大暴雨及洪水分析计算，流域产流、汇流计算，水文预报，河流泥沙的测验等。目前，随着人们对水文水资源重要性认识的日益加深，工程水文学已由过去单纯为水利水电工程服务的一门重要的基础专业学科，发展成为水利水电工程、水务工程、给水排水工程、港口航道与海岸工程、农业水利工程、环境保护工程、土木工程等专业服务的重要专业基础学科。

在流域开发的规划阶段，为了拟定流域内各干、支流上水利水电工程的布局，确定各工程开发的目的和任务、建设规模和相互关系，需要以干、支流的径流和洪水系列为基础开展研究。在可行性研究阶段，为确定具体的设计参数，需要根据径流系列及其年内、年际变化的特点，分析调节库容的大小，计算发电及其他综合利用的效益；根据洪水的统计特征及其时程分配，确定防洪库容的大小、泄洪建筑物的规模等工程特征值，评估枢纽各建筑物的防洪风险及对下游的防洪效益。在工程施工阶段，需要根据计算分析的施工设计洪水、厂坝区水位与流量的关系等，确定临时建筑物的规模，并结合水情预报，合理安排施工进度和防洪抢险工作。在工程运行阶段，需要根据径流、洪水、泥沙及冰情等水文预报，进行水库合理调度，在保证工程安全的条件下，最大限度地发挥工程效益。

二、采集水文信息的手段和方法

工程水文分析计算必须以准确、可靠的水文资料信息为基础，因此，应特别重视收集、获取水文资料信息，确保水文资料的客观性、可靠性和系统性。目前，收集、获取基本水文资料信息的途径主要有：

（1）从水文总站了解水文站、水位站、雨量站设置，这些站点有长期连续的水位、流量、流速、泥沙、雨量或蒸发等观测资料。

（2）开展短期巡测，在一些重要的河段和地点，开展临时性的或短期的观测工作，搜集水位、流量和泥沙等资料。

（3）规划、设计和施工阶段，在工程选址附近河段，临时设立几组水尺，观测水位、流量和泥沙。

（4）进行野外调查，以获得特大暴雨、特大洪水、特枯流量及其水位等资料。

（5）考证历史文献及碑文石刻，以获得历史洪水或枯水水位等水文信息。

（6）采用考古手段和方法，获得古洪水信息。

（7）利用航测照片及卫星遥感资料，获得水文信息。

近年来，相关学科和技术的发展为工程水文研究注入了新的活力，新理论、新方法、新技术不断涌现并推广应用。测验技术、仪器仪表和分析软件不断改进和创新，现代化的电子计算机技术、通讯技术和信息技术在水文研究和水文工作中显示出强大的生命力，信息采集、传输、分析和处理的手段和方法与时俱进，满足了水利水电工程建设和管理不断提出的新的要求。

三、水文分析计算的主要内容

水文分析计算是水利水电工程规划、设计、施工和运行管理中的一项重点工作，主要内容包括：

（1）设计径流计算。包括年径流、时段径流、时段最小径流的计算以及年际持续干旱的频率分析等。设计径流成果是进行水库径流调节、水能设计和水电站运行管理的重要依据。不同的水电站，设计径流计算的内容有所不同。对具有多年调节性能的水库，要重视研究年际持续干旱的径流过程；而对没有或仅有很小调节库容的径流式电站，要注重研究时段最小径流问题。

（2）设计洪水计算。包括洪峰流量、时段洪量以及设计洪水过程线等。当需要通过设计暴雨推求设计洪水时，还需进行设计暴雨和相应的产流、汇流分析计算；当水库面积相对较大，对天然来水过程有较大的附加影响时，需要进行入库洪水计算；对大型土石坝工程，通常需要分析计算可能最大暴雨和可能最大洪水。

（3）厂、坝区水位流量关系。为满足水电站规划、设计、施工和运行的需要，对厂、坝区的一些特定断面，需提出工程建设前、后的水位流量关系。这种关系由于施工（如堆渣）和工程特性（如射流增差）的影响，有时会变得相当复杂，因此，往往需要进行专门研究。

（4）水库水量平衡计算。包括水库入流、出流及各种损失量的分析计算，这对一些大中型水电站有重要意义。各种损失量的计算，如蒸发损失、水库渗漏以及结冰损失等，往往因缺乏实测资料而需要在各种假设的基础上，采用间接法分析确定。

（5）水文预测预报。水文预报是水电工程施工和运行期间的一项重要的水文工作，直接关系到水电工程施工和运行的安全与效益。水文预报又分为洪水预报和径流预报。洪水预报分为短期洪水预报、中长期洪水预报，洪水预报重点为短期实时预报，为工程度汛或水库调度服务；枯季径流预报除短期实时预报外，还需注意中长期的径流预测，以优化水电站运行调度计划。此外，有些工程有时还需要一些特殊项目的预报，如多沙河流上的来沙量预报、异重流预报，冰冻河流上的冰情预报以及近坝库区塌岸稳定性的预测预报等。

（6）泥沙分析计算。在多沙河流上，泥沙淤积是影响水库使用年限和水电站效益的关键性问题。水库的泥沙分析计算包括入库沙量，泥沙颗粒级配分析，水库淤积的部位、形态和速度，水库冲淤平衡年限，以及确定排沙防淤的工程措施等。目的是尽量延长水库的使用年限，更大地发挥工程的发电效益和水库综合利用效益。与此关联的问题还有水库淤积回水计算，由此确定库尾和库周水位抬高带来的影响和库区淹没影响范围。

（7）其他水文工作。包括库区气象要素的统计分析、冰情分析、水质分析、下游不稳定流分析以及溃坝洪水分析等，均需视具体情况而确定计算分析的要求。

四、工程水文科学的发展趋势

水文科学以水资源为研究对象，兼有自然科学、技术科学和社会科学的特点，工程水文科学在合理利用、开发保护水资源和生态环境方面起到重要作用的同时，在工程实践中不断丰富其内涵并得到创新和发展。

工程水文科学的发展趋势：①加强水文观测和实验研究，以便更深刻地把握水文现象的物理成因和变化机制；②在新理论和新技术推动下，以更加客观和真实的水文数学模型和程序，反映水文现象的客观规律；③在区域水资源规划、水利水电工程建设以及工程运行管理的实践中提供科学的水文资料和信息依据。

水利水电工程建设和水电站运行管理中的水文科研课题包括：水文量测技术和仪器设备的改进；复杂水系实时洪水预测预报；梯级水库的设计洪水计算或水库优化调度运行；入库洪水的计算分析模型；多年调节水库连续枯水时段分析；可能最大暴雨和洪水研究；古洪水研究；水文资料短缺地区的工程水文研究；多泥沙河流的水库淤积计算模型；人类活动对河流水情、泥沙的影响；水文CAD技术；网络技术及信息技术在工程水文中的应用，等等。以上课题都需要在已有工作的基础上继续深入地开展研究，向前发展，以满足新世纪水利水电工程建设与管理的需要。