水文頻率在水利工程設計中的作用

宋文獻，張紅艷

（1.吉林省水文水資源局松原分局，吉林松原138000；2.吉林省水文水資源局白城分局，吉林白城137000）

目前水文頻率計算的方法常用適線法，在實際工作中，適線法有兩種：一種是目估經驗適線，通過主觀判斷，決定適線的優劣，此法雖然簡單靈活，并反映計算者的經驗，但適線因人而異，任意性大；另一種是計算機適線，把理論頻率曲線與經驗頻率點據的擬合誤差作為適線準則，優選統計參數，求得最佳的擬合曲線，但是這種方法不便處理樣本資料中的極大或極小水文數據，實際計算工程中，具體采用那種方法可根據實際需要選定。

1 水文頻率等級的確定

水文頻率常以%表示，水文上一般采用0.01%，0.1%，1%，10%，20%來衡量不同量級的洪水。頻率越小，表示這一量級以上的洪水出現的機會越少。水文上除采用頻率衡量洪水的大小外，也常用重現期(以年為單位)來表示，重現期是指某量級的洪水在很長時期內平均多少年出現一次。如某一量級的洪水的重現期為百年(俗稱百年一遇洪水)，是指這個量級的洪水在很長時期內平均每百年出現一次的可能性，但不能理解為每隔百年出現一次。實際情況是這種洪水可能100年內不止出現一次，也可能一次都不出現。

頻率和重現期實際上是衡量洪水量級的一個標準，是確定水利工程設計規模和等級的重要依據。

結合實際防洪能力，對洪水的等級劃分如下：

重現期在10年以下的洪水，為一般洪水；

重現期10年至20年的洪水，為較大洪水；

重現期20年至50年的洪水，為大洪水；

重現期超過50年的洪水，為特大洪水。

對洪水的等級，是綜合考慮各種因素后由主管部門審定并發布的，是針對某一流域或水系而言的，不是指某個單一測站而言的。

2 頻率計算方法與工程設計標準

2.1 頻率計算方法

繪制理論頻率曲線，主要目的是為了解決經驗頻率曲線的延長問題。水文行業目前普遍選用的理論頻率曲線為p—m型曲線，它是由3個統計參數（x，Cv，Cs）決定的。3個參數從理論上講應是總體的統計參數，但水文變量的總體是未知的，通常只能由樣本資料求出其3個統計參數，而樣本統計參數都具有抽樣誤差，這就使由樣本統計參數確定的p—m型曲線不能很好地反映總體的分布規律。實際工作中，通常采用調整樣本的統計參數及相應p—m型曲線來擬合樣本的經驗頻率點據，以盡可能減少參數估計的抽樣誤差和系統誤差，進一步探求總體的概率分布，這個過程在水文計算中稱為適點配線法，簡稱適線法。適線法得到的成果仍具有抽樣誤差，而這種誤差目前還難以精確估算，因此對于工程上最終采用的頻率曲線和相應的統計參數，不僅要從水文統計方面分析，而且還要密切結合水文現象的物理成因及地區分布規律進行綜合分析。

2.2 工程設計標準

工程設計標準，就是指用水部門和水利工程自身及下游防護對象允許破壞的程度。這種允許破壞的程度是建立在水文頻率基礎上的。水利工程廣義上的設計標準分為興利標準和防洪標準兩種。

1）興利標準。興利標準是用設計保證率來表示的。興利的內涵非常廣泛，通常包括灌溉、發電、城市供水、航運、養殖等等。若要最大程度地滿足各個用水部門的用水要求，就需要工程規模大一些，選擇的水文頻率小一些，因而造成投資增大。要使投資和效益經濟合理，這就要對工程設計進行分析論證。如果效益遠比投資小，就沒必要擴大工程規模。因此，在水利工程設計時，一般不要求百分之百地滿足各個用水部門的用水需要，而是允許適當斷水或減少供水量，這就要求研究各用水部門允許減少供水的可能性和合理范圍，定出在多年工作期間，用水部門的正常用水得到保證（或不破壞）的程度，這一保證用水（或不破壞）的程度就是設計正常用水保證率，簡稱為設計保證率。

設計保證率的選定，是一個確定縮減用水合理程度的經濟權衡問題。設計保證率若選得過低，則正常用水遭受破壞的機會將增加，從而引起經濟的損失。相反，設計保證率若選得過高，雖然用水部門用水保證率得到提高，但要增加工程投資和其他費用，使工程效益和投資的比例減小。因此，設計保證率應該通過經濟比較分析，并根據水文頻率來確定。

2）防洪標準。水利工程除了興利外，另一主要作用就是防洪。防洪標準是指防護對象防御洪水能力相應的洪水標準。這里的防護對象不僅指自身沒有防洪能力需要采取防洪措施的保護對象，如城市、鄉村、工礦企業和機場等，還包括能保護其他防護對象安全的水利工程的本身，如水庫、堤防等。防洪標準原則上應在準確預報未來洪水的基礎上，通過投資效益綜合經濟分析來選定。然而和確定設計保證率一樣，根據實際需要選擇水文頻率。所以，只能采用統一規定的洪水頻率（重現期）作為防洪標準。根據工程的重要性以及經濟等綜合因素確定。

現行的防洪標準分為設計一級標準和設計、校核兩級標準兩種情況。根據防護對象的不同，其防洪標準可采用設計一級或設計、校核兩級。這里的設計標準是指當出現小于或等于這種標準的洪水（設計洪水）時，應保證防護對象的安全或防洪設施的正常運行。校核標準是指遇該標準相應的洪水（校核洪水）時，采取非常運用的措施，在保障主要防護對象和主要建筑物安全的前提下，允許次要建筑物不同程度的損壞及次要防護對象受到一定的損失。

3 結論

水文頻率的主要作用是依據水利工程所在流域已經發生的水文過程，預估未來水利工程運用期間的水文過程，并在此基礎上進行徑流調節計算，從而確定工程的規模。作為由樣本資料估算總體統計參數和探求總體概率分布的一種有效方法，適線法頻率計算是可以用來推求未來水文過程的，因為未來水文過程也是水文總體過程的一部分。所以，在水利工程設計工作中，根據水文樣本資料，通過頻率計算適線，把最后選定的理論頻率曲線近似地作為水文總體的概率分布，在該曲線上可查得該水文總體的另一個樣本值（某一頻率的設計水文變量值xp）。水文頻率計算方法是目前推求設計年徑流和設計洪水的基本方法。是水利工程設計工作中不可缺少的重要環節。

［1］崔振才.水資源與水文分析計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.195.

［2］丁炳坤.工程水文學［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.199.