水文分析计算与水资源评价-选样原则与系列构成

洪水频率分析的基础是水文站的洪水资料。基于上述假定和认识，现行水文频率分析方法，并非采用全部洪水资料，而是选取符合简单随机样本，能代表洪水过程主要特性并符合工程功能设计要求的洪水资料和信息，称为选样。

5.2.2.1　选样原则

据上述假定，在满足工程设计功能要求的前提下，采用下列选择原则：

（1）洪水资料可靠性：实测或插补展延的洪水资料精度符合要求，历史调查洪水水位、流量和调查考证期（或经验重现期）可靠或基本可靠。

（2）资料条件一致性：各年产生洪水的流域自然地理、水文气象和下垫面状况基本一致，即产生降雨、产流和汇流的条件基本一致；流域内人类活动（包括农、林、水利措施）和异常自然因素（例如地震、山崩引起岸坡垮坍阻水）对洪水过程影响甚微。

（3）各项洪水独立性：各年或各次洪水过程相互独立，即无水文物理因果关系，也无统计相关关系。

（4）洪水资料代表性：所采用的洪水系列应是洪水总体的缩影，即系列中各种量级的洪水频率分布与总体相近。从物理成因上讲，资料系列能较完整地代表设计流域的洪水变化规律和统计特性。

5.2.2.2　选样方法

按上列原则，由逐年洪水流量过程资料选取洪水特征值，例如最大洪峰流量、时段洪水总量。由流域洪水特性、工程特点和设计要求，如堤防工程或调节库容小的水库设计，选取洪峰流量系列；如受调蓄影响较大的平原河道堤防、或调节库容较大以及下游河道有防洪要求的水库设计，则往往选取时段洪水总量系列。一般情况下，既选择洪峰流量又选择调节控制时段的洪水总量系列，以满足工程调洪要求，并反映流域洪水过程特性。顾名思义，控制时段是洪水过程在调洪计算中对工程调蓄水量起控制作用的时段，往往由调洪结果分析确定。若控制时段较长，需将其再分为几个时段进行洪量选样，但分段以不多于3个为宜。

从年内多次洪水中选定该年洪水特征值的方法有多种。

（1）年最大法：每年选一个最大值（洪峰和时段洪量），即年极值法，这是现行规范中规定采用的方法。

（2）年多次法：每年选最大的几次洪水，各年选取的次数相同。

（3）超定量法：根据设计流域洪水特性，选定洪峰流量和时段洪水总量的阈值（或称门限值），超过阈值的洪水均选入洪水系列，各年选取的次数是不相同的。

方法（1）普遍使用于水利水电工程，与以重现期（年为单位）为依据的设计标准吻合，是本书采用的方法；方法（2）、（3）用于城市排水和工矿排洪工程。分期设计洪水和施工设计洪水的选样原则同上，但据设计要求和洪水的年内变化特性，选样方法有所差别，将在有关章节述及。

5.2.2.3　系列构成

我国洪水频率分析采用的系列，一般由两部分组成：一是设计河段实测洪水或展延后的洪水系列，这是重要基础；二是调查洪水资料，这是我国设计洪水的特色，因我国历史文化悠久，在与水旱灾害的长期斗争中，人们对江河流域历史大洪水和特大洪水的水情、雨情、灾情的认识与记载较多，发现的洪水痕迹位置（有的是洪水过程）较为确切可信，推算的洪峰流量较为可靠，洪水调查考证期依据较为充分。这些超过实测系列最大值的历史洪水资料加入洪水计算，起到展延系列、改善系列代表性，减少抽样误差、提高频率计算精度的效果。

5.2.2.4　系列分析和论证

上述选样原则是分析和论证系列的出发点，以下主要以三峡工程设计的依据站宜昌站为例说明之。

（1）洪水资料可靠性。关于基本资料的精度，在第2章中已详述，这里以流量资料为例，需强调分析下列因素：

1）流域和测站高水控制特征：对影响流域产汇流的自然地理、植物覆被、水利水电工程等情况，不仅要了解现状，而且要调查了解有实测水文资料以来，甚至历史洪水调查考证期以来，测站上下游河道特征对水文要素的影响情况。以复核水文资料的可靠性，改善整编资料精度。

实例1：宜昌洪水系列

宜昌水文站，位于三峡水利枢纽三斗坪坝址下游43km，集水面积约100万km2。因三峡坝址至宜昌站区间面积甚小，故坝址的水文分析计算，直接移用宜昌站的水文资料。

宜昌海关自1877年有长江干流水位记录，于1946年2月设水文站。新中国成立前每日定时观测水位3次，1950～1955年枯水一般每日观测3次，汛期水情变化增加测次。1955年后枯水期每日测2～4次，汛期测8次，遇较大洪峰则逐时观测。

据考证和勘测，三峡地区数千年来河槽稳定，上游流域内地质地貌也相对稳定。在葛洲坝工程未修建以前，上游2.5km有西坝和葛洲坝将长江分隔为大江、二江、三江，1980年葛洲坝工程截流拦断长江。下游20km处有虎牙滩，对宜昌断面有一定控制作用；38.6km处右岸有清江入汇，高水时对本站有短暂的顶托影响。宜昌断面河床组成，左岸为沙，右岸系岩石，中间为砾石、卵石。中低水时历年断面变化在10%左右，高水时变化在5%左右，断面基本稳定。流量测验方法，1950年以前，以浮标法为主，测次少。1951～1954年测次有所增加，1955年以后以流速仪施测为主，测次增多，并按水情变化合理布置，1973年架设了过河缆道，改进了测验方法，精度得到进一步提高。

图5.1　宜昌站以5～10月汛期平均水位（m）为参数水位流量曲线

本站水位流量关系，中低水位水流控制条件较好，葛洲坝工程修建前，较为稳定，但高水位时同水位的流量变幅较大。过去曾将1946～1950年合并绘制单一曲线推求新中国成立前有水位观测资料的各年逐日平均流量，并予以刊布。从历年资料分析，影响本站水位流量关系的主要因素有2个：一为受洪水涨落影响，水位流量关系呈不规则绳套形；二为各年水位流量关系正常线受河槽槽蓄壅水和清江来水顶托而摆动。对宜昌1950～1966年水位流量关系曲线，逐年进行剖析，发现中高水位轴线的摆动，与下游河槽壅水有关，视汛期洪水大小而定。为能用本站的资料来反映这一特征，取汛期（5～10月）平均水位为参数，则各年以此为参数的一组水位流量曲线簇（见图5.1）随参数的大小呈有规则的摆动。尤其是本站水位为52.50m时，最为明显，例如1954年汛期平均水位高，汛期总水量大，反映下游壅水作用大，水位流量关系曲线的轴线就偏左，1959年汛期平均水位低，轴线就偏右。根据以汛期平均水位为参数的水位流量关系曲线簇推求1877～1939年、1946～1950年5～10月的逐日流量，比用1946～1950年合订的单一线推流更为合理。

自1973年葛洲坝工程修改初步设计开始，即采用这一方法推算新中国成立前历年流量，其中，1940～1945年间，因抗日战争停测，故用上游云阳水位和区间雨量推算宜昌流量。这样，宜昌自1877年至今具有逐日流量资料。还根据实测资料，选有代表性的1954年、1956年、1959年水位流量关系轴线，分别代表壅水作用大、中、小的典型，供工程规划设计使用。本站水位流量关系曲线高水部分，选用1956年综合单一线及1946～1964年平均线，按史蒂文森法延长，作为推算历史洪水流量之用。

为进一步检验以汛期平均水位为参数的曲线簇的精度，又用1966～1985年20年的水位资料，在曲线簇上推算了逐年的最大日平均流量、3d、7d、15d和30d洪量与实测的整编成果比较，除1969年、1979年和1982年因受清江洪水顶托影响或因测验故障而偏大较多外，其余17个年份各时段洪量误差一般在±4%之间，说明用曲线簇推算的流量具有较高的精度。

2）设计依据站和主要参证站高水水文测验基本情况：对影响测验精度和资料连续性的基本情况应深入调查了解，如测站沿革、测站河段控制条件和冲淤变化、测验方法、资料整编精度等；对插补延长的资料，应深入了解参证站资料精度和展延方法等。

实例2：乌江龚滩站流量资料复核

龚滩水文站位于乌江干流下游，集水面积64200km2，控制乌江流域面积的73%，是其下游51km处彭水水利枢纽（正在兴建）的设计依据站。该站设于1939年1月，测验河段较顺直，中、低水位受下游不同碛滩控制，高水受下游峡谷弯道和6km处入汇的洪渡河（集水面积3580km2）控制和顶托影响，水位观测资料基本可靠。流量测验方法变动较大，1951年前用浮标法，浮标系数用0.85；1952～1955年以浮标法为主，中、低水增加流速仪法，浮标系数各年不同，为0.85～1.0。由于水深流急，不易施测断面，流量计算大多借用断面。1956年起流速仪法测次逐渐增加，至1966年基本上全部采用流速仪法。1980年起进行浮标法、流速仪法比测，以分析浮标系数。影响该站水位流量关系以至影响流量资料整编精度的主要因素有：洪水涨落率、变动回水（包括下游支流洪水托顶）、测验方法（主要是浮标法及浮标系数）和断面冲淤变化，其中以下游洪渡河洪水顶托和浮标系数确定最为重要。为提高流量资料整编精度，通过增加本站水位、流量观测次数，以控制洪水涨落变化，同时在洪渡河设站观测水情变化，定量分析其顶托作用，此外，两种流量测验方法比测，分析浮标系数的变化规律。

浮标系数分析的方法有两种：一是用1956～1960年浮标法、流速仪法的测点绘制水位流量关系，分析出浮标系数为0.93～0.96，且随水位增高而加大；二是采用流速仪精测法测流的垂线流速分布进行水面流速分析，并对浮标法流量计算所采用的断面和空气阻力系数进行改正，得到不同水位级的改正系数，从而由浮标法换算为流速仪法的实测流量。并重新整编1939～1955年的流量资料，改进浮标法流量计算的精度，提高洪水系列的可靠性。

3）历史洪水资料可靠性：应着重分析影响历史调查洪水位、洪峰流量、洪水总量（或洪水过程）计算和重现期推算的主要因素，并定量估计影响程度，供频率分析时参考。

实例3：长江1870年历史洪水

长江宜昌河段历史洪水资料十分丰富，尤其是1870年洪水在长江葛洲坝工程和三峡工程设计中具有十分重要的作用。宜昌洪水系列是三峡工程频率分析的依据，1870年历史洪水是该站洪水频率分析的关键，经过50多年的调查分析和考证，在成果的可靠性和应用合理性方面，其研究深度和广度可谓长江水文分析计算的范例，在国内外同类问题分析研究中也属罕见。

这年洪水主要来自嘉陵江的中下游和重庆至宜昌区间，由于洪水特大，给沿江城镇造成毁灭性灾害，因此，不论是官方或民间都以不同的方式，对当年的雨情、水情、灾情留下了大量的真实记录，如县志、府志、奏折、题刻、水位记录等。其中万县的《万县志采访事实》，合川陈在宽的“诗记”，涪陵的“李渡水账”，乌洋溪教书先生华石林的“书记”等，较详细地描述了洪水的涨落过程。在汉口有当年逐日洪水位记录。遍布于嘉陵江下游和重庆至宜昌河段沿江两岸的题刻，达91处之多，刻记了洪痕及日期。此外，通过实地查访，积累了大量的调查资料及指认的洪痕。近年还搜集了1870年的欧亚气象资料。在历史洪水研究中，1870年洪水石刻洪痕之多，资料记载之丰富，实为国内外少见。

（1）雨情、水情、灾情概述。根据已搜集到的该年水文、气象资料，结合实测大水年份的暴雨对比分析，1870年洪水可能是一次低涡切变天气系统所造成。主要暴雨分布于嘉陵江中下游及重庆至宜昌区间，由于暴雨面广，强度大，历时长，因此，洪灾范围广，波及长江上、中游的广大地区，其中以四川、湖北、湖南三省受灾最为严重。

1870年6月间（阳历），在南岭以北、长江中游地区连续降雨，江湖满盈，底水较高，沅水、资水及鄱阳湖一带，低田被淹成灾；6月中下旬暴雨上移，进入四川东部。7月间雨区扩大，雨带主要分布于大巴山南坡及重庆至宜昌之间。嘉陵江流域的蓬安、南充、广安、合川，长江干流重庆至宜昌间的涪陵、丰都、忠县、万县、巫山等地，有“狂风雷雨，连日不息”；“雨如悬绳，连七昼夜”等形象化描述，在此期间，湖北“大雨时行”，洞庭湖地区“适逢大雨”，“连霄达旦”。估计在宜昌以上的暴雨笼罩面积约达16万km2。

7月初，汉江涨水，川水东下，湖河并涨。7月中下旬，嘉陵江、渠江、涪江三江洪水汇合后，致使嘉陵江下游洪水暴涨，合川县几乎全城淹没。与此同时，长江江津以上江水盛涨，江津大水入城，洪水下泄至重庆与嘉陵江洪水相遇，顺江而下，于涪陵纳乌江水后，沿程又与重庆至宜昌间的大洪河、龙溪河、磨刀溪、小江等支流大洪水相遇，江水骤涨，重庆至宜昌沿江的涪陵、丰都、忠县、万县、云阳、奉节、巫山、秭归等城镇，均大水入城，其中丰都全城淹没。

川江洪水入长江中游丘陵平原河道后，荆江地区松滋溃口，公安全城淹没，斗湖堤决口，监利邹码头、引港、螺山等处堤溃。汉江下游潜江河堤尽溃。洞庭湖地区的安乡、华容等处水皆没堤。数百里洞庭与辽阔的江汉平原，一片汪洋，淹没面积约3万km2。汉口记录了当年的洪水位过程，最高洪峰水位27.55m（注：经调查核实后将原公布的27.36m修正为27.55m）。

据不完全资料统计，四川约30州县，湖北约30州县，湖南20余州县遭受严重的洪水灾害。江西、安徽亦有灾情。

（2）洪峰流量估算。

寸滩站：在寸滩站上下游约1.5km范围内，刻字较多，据绘制的局部水面线推得本站1870年洪峰水位为196.15m。寸滩站水位流量关系历年变幅不大，采用1939～1955年实测流量资料拟定的综合单一线，按水位面积和水位流速曲线延长的水位流量关系推算洪峰流量为100000m3／s。

1981年寸滩站出现了有记录以来最大的洪水，最大洪峰流量为85700m3／s。用这年最大的一次洪水过程的实测流量，检验了用以估算1870年洪水拟定的综合单一线，基本合理。说明估算的1870年洪峰流量是合理可靠的。

万县站：根据在万县调查的洪痕高程绘制洪水水面线，推算站址沱口处1870年洪峰水位为156.20m。采用经近年资料上下站水量平衡调整后的综合水位流量关系推估洪峰流量为108000m3／s。

表5.6　宜昌站1870年历史洪水洪峰流量计算成果表

注　H—水位；Q—流量；A—过水面积；D—平均水深；V—流速。

汉口站：本站是唯一记录了1870年逐日洪水位过程的观测站，当年最高洪峰水位为27.55m，用以湖口（鄱阳湖口）站出流量为参数的水位流量关系，加涨落率改正，推得洪峰流量为66000m3／s。

（3）万县（沱口站）水位、流量过程的拟定。

水位过程：万县沱口站1870年洪水位过程，主要根据1972年搜集到的《万县志采访事实》，1956年搜集到的涪陵李渡镇一本账簿，1966年在忠县乌洋溪查访的洪水过程，以及万县、巫山的调查材料，结合沿江洪水题刻的洪水高程、出现日期，经现场调查和综合分析绘制得一次历时30d的洪水位过程，见图5.2。

图5.2　1870年万县水位过程线

流量过程：根据1966年拟定的综合水位流量关系，经用1981年、1982年资料做上下游站水量平衡检验，经适当调整后推算30d的流量过程。其特征流量：主峰108000m3／s；峰谷55100m3／s；次峰76800m3／s。30d洪量为1600亿m3。

（4）宜昌站流量过程推算。选取万县水位H万t与万县至宜昌区间径流很少时的宜昌站实测流量Q宜t＋τ（洪水传播历时τ＝1d）建立Q宜t＋τ＝f（H万t）关系。用万县的水位推得宜昌Q（t）过程，这个过程基本上未包含万县至宜昌的区间流量，又根据宜昌以上1956年与1870年暴雨分布相似的特点，将万县1956年的Q（t）过程，用洪水演进方法得宜昌的出流过程，与宜昌站实测的流量过程求差，按万县1870年与1956年30d洪量比值放大，作为1870年万宜区间在宜昌的出流过程，将此过程与前述宜昌的Q（t）过程叠加得宜昌1870年30d的洪水流量过程。特征流量：主峰105000m3／s；峰谷55600m3／s，次峰74900m3／s。30d洪量为1650亿m3。

此外，还用宜昌本站的峰量相关估算的30d洪量和用万县流量过程Q（t）演算至宜昌与万—宜区间出流过程叠加求得的30d流量作了比较，从表5.7可看出，各种方法的结果十分相近。

表5.7　宜昌站1870年各时段洪量统计表　单位：亿m3

（5）宜昌至汉口区间洪水。宜昌至汉口区间洪水，系根据宜昌、汉口的1870年洪水和宜—汉河段的槽蓄量，用水量平衡的方法概估区间洪量，选取与1870年洪水类型相似的实测洪水过程代替其分配过程。

汉口有1870年洪水位记录，按洪水位过程的涨洪段和落洪段，采用以湖口站出流为参数的水位流量关系，并加涨落率改正，推得汉口1870年流量过程。最大洪峰流量为66000m3／s，30d洪量为1576亿m3。由调查分析的1870年洪水水面线、洪水淹没范围及地形资料概估槽蓄量为600亿m3，按宜昌、汉口两站水量平衡得1870年宜—汉区间30d洪量为526亿m3。

从实测年份宜—汉区间的雨情、水情资料比较分析，1958年与1870年十分相似，且1958年的30d宜—汉区间洪量与1870年的相近。按洪水演算方法，以宜昌站1870年的洪水作为入流与1958年的宜—汉区间洪水叠加演进至汉口站，与前述的汉口站流量过程对照，洪峰形态一致，流量误差不大于10%，因而1870年的区间洪水，采用1958年型洪水替代。

（6）宜昌1870年洪水重现期的分析。宜昌上下游沿江城镇，有关历史洪水文献记载，最早见于《荆州万城堤志》楚昭王时（公元前966～948年）国都江陵有“江水大至没及渐台”；《汉书五行志》记有汉高后三年（公元前185年）“江水汉水溢”；《宜昌府志》记有晋永平二年（公元292年）长江“大水”；《忠州县志》有唐太宗贞观十八年（公元635年）“秋忠州大水”的记载；《重庆府志》记有唐太宗贞观二十二年（公元642年）“夏泸渝等州大水”。近1000年来，水旱记载逐渐增多，据统计重庆至江陵间，自11～15世纪（宋、元和明朝）平均5年有水旱记载一次，16～19世纪，平均2年有水旱记载一次。宜昌近1000年，有30多次大水记载，其中有23个年份洪水较大，可推算水位、流量的有8个年份，见表5.8。

表5.8　长江三峡干流主要测站历史洪水水位、流量统计表

注　1.1613年宜昌有“大水舟行文昌门内”记载，文昌门地面高程55.17m。最高水位按文昌门地面高程加1.5m推估。
2.表中括号内均为资用吴淞水准系统的水位。

据调查的远年洪水资料分析，在忠县附近调查到的多年洪水刻字，有1153年、1227年、1560年、1788年、1796年、1870年和访问的1860年等洪水，均测定了高程。其中以1870年最高，比1227年、1560年水位高4m，比1153年高5m。其大小序位是：1870年、1227年、1560年、1153年、1788年、1860年、1796年。又根据这些洪水年文献记载和忠县至宜昌间调查资料，考虑忠县至宜昌河段间，大洪水序位较为一致，1870年洪水至少是1153年以来的首位。

4）综合分析与论证：据本流域上下游测站和流域内及邻近流域的暴雨洪水资料，尤其是精度较高、系列较长，与本流域洪水相关性较好的测站资料，对设计采用的洪水系列可靠性进行合理性分析论证。

（2）洪水系列一致性。据概率论和数理统计原理，产生洪水事件的条件一致性是样本中各项洪水同分布的基本要求。影响洪水条件一致性的因素有两类，一是自然因素，洪水成因不同，其统计特征也不同，梅雨洪水与台风雨洪水、暴雨洪水与融雪洪水、长江北岸夏季洪水与秋季洪水等，其洪水过程年内年际差异显著。地震或山崩等原因引起河道泄流不畅，泥沙冲淤引起江槽湖盆容积逐年变化，以至调蓄洪水的作用“明显改变”等，这些都属于自然条件影响洪水统计特征异常。二是人类活动，随着经济社会日益发展，水土资源开发利用规模迅速扩大，流域降雨产汇流条件必然急剧改变。例如围湖造田、蓄洪垦殖、兴修分蓄洪工程和水土保持工程，以及堤防漫溢溃决、水库失事等，这些也都改变了洪水形成的自然条件和洪水特征的频率分布。为此，对洪水资料有明显改变的，必须进行还原改正（见2.5.2），应将受影响的各项洪水还原到受影响前的同一资料条件，当受上游大中型水库影响时，应推算上游水库的入库洪水，按建库前的汇流条件将其演算至上游大中型水库坝址，再与区间洪水叠加后演算至设计断面，此即还原后的洪水；当受上游引水、分洪、溃决、滞洪等影响时，应将引水、分洪等流量过程演算到设计断面与实测流量过程叠加后即为还原后的洪水；当受流域内水利、水保工程和城镇化影响，产汇流条件及其内在关系“明显改变”，且设计流域面积不大时，可用改变前的降雨径流关系和汇流曲线推算相应的洪水过程。

应当指出，上述两类影响所谓“明显改变”，从数量上如何界定，在时间尺度上如何划分；是对容量无限的洪水总体而言，还是对容量有限的洪水样本抑或工程运行期（称工程尺度）而言。产生洪水的物理成因与自然界的事物一样，在历史长河中变化是绝对的，不变是相对的。水文计算所依据的随机模型，假定水文现象总体容量无限，物理条件一致，其频率分布曲线客观存在，可用容量有限的洪水系列（样本）模拟推断总体分布，以解决工程设计中外延频率曲线推求设计值问题。从“地质尺度”讲，影响水文过程的气候变迁、地壳运动、河系演变等事实客观存在，水文随机模型的假定不成立，但从“工程尺度”和水文系列年限来看自然条件的变化很小，以至可以忽略不计（突变情况除外）。在实测期或历史洪水考证期内，出现上述明显变化时就必须还原，其数量视设计断面洪水特性和工程设计要求而定，至目前为止，尚难提出还原与否的定量指标。

（3）洪水系列代表性。系列代表性是洪水系列反映洪水总体统计特征的程度，或者说，洪水样本的分布特征代表总体分布特征的程度。洪水频率分析成果的可靠性与系列的代表性密切相关，但总体是未知的，是要用样本去估计和推断的，因此，如何评价系列代表性，至今尚无统一的标准。一般认为包含各种量级洪水可能组合的实测系列代表性较好。资料代表性主要依赖于系列的长短，系列越长，包含不同量级洪水组合的可能性越大，代表性也越好，抽样误差也越小。水文系列代表性分析的常用方法在第2章中已介绍，这里只简述洪水系列代表性分析的要点。

根据洪水资料条件，选择相应的方法分析资料代表性。当设计依据站洪水系列较长、历史洪水资料丰富且考证期较长时，分析不同时期内各种量级的洪水特征值出现的频次分布规律；当设计依据站系列较短，而邻近站或邻近地区系列较长时，可对比分析设计依据站各种洪水频次分布规律的异同；当流域或邻近地区内多站有较长的雨量资料时，可据此比较分析设计依据站系列的代表性。通过对比分析，发现系列代表性不够时，可参照代表性好的参证站洪水统计特征调整设计依据站的统计参数和设计值。

插补延长洪水资料和应用历史调查洪水是增加系列代表性的有效途径，为国内外普遍采用，尤其是后者，成为我国设计洪水分析计算的特色。历史洪水洪峰水位、流量的可靠性，调查考证期、经验重现期的可信程度，在频率计算中至关重要，若加入可靠性、可信程度差的资料，会“污染”系列，以至影响设计洪水成果精度。在频率分析中，应根据调查的实际情况，分析估计历史洪水水位、流量和重现期的可能变动范围，供频率计算参考。