水资源规划设计的关键技术问题：基础知识探析

1.水库的特征水位和库容

反映水库工作状况的水位和库容有：设计死水位（低水位）、设计兴利水位（正常蓄水位或挡水位）、防洪限制水位（汛前限制水位）、设计洪水位、校核洪水位；死库容、兴利库容、防洪库容、超高库容；重叠库容、总库容。

（1）设计死水位（Z死）和死库容（V死）。水库在正常运用情况下，库水位允许降落到的最低位置，称为设计死水位或称低水位，这个水位以下的库容称为死库容或称垫底库容。除遇到特殊干早年份以外，一般不动用死库容的蓄水，如死水潭一样，故名死库容。在灌溉水库中，死水位必须满足自流灌溉高程及淤积泥沙的要求，在灌溉、发电、航运等综合利用的水库中，除满足上述要求外，尚需满足发电最低水头、航运最小水深及环境卫生等的要求。

（2）设计兴利水位（Z利）和兴利库容（V利）。设计兴利水位指水库在供水期开始时，为保证供应农业及工业等用水所必须蓄到的水位，也叫做正常蓄水位或称正常挡水位。设计兴利水位与设计死水位间的库容就是兴利库容。其间的深度称为水库的消落深度或称工作深度。兴利库容与水库供水期天然来水量之和，除去水库损失水量后，必须满足设计条件下水库供水期内各用水单位的规定用水量。

（3）防洪限制水位（Z限）和重叠库容（V重）。水库在汛期来临以前，为在汛期中保留蓄洪库容而制定的上限水位，称为防洪限制水位或称汛前限制水位。这个水位以上的库容便是保留作为滞蓄洪水的库容，只有在发生洪水时，为了滞洪，水库水位才允许超过防洪限制水位，当洪水消退时，水库应尽快地泄洪，使水位迅速地回降到防洪限制水位。对于没有防洪要求的水库，由于汛前库内水位不能超过防洪限制水位，汛后又无余水可蓄，因此设计兴利水位一般与防洪限制水位重合。对于某些河流这两种水位之间的库容称为重叠库容。重叠库容在汛期是防洪库容的一部分，在汛期后则又为兴利库容一部分。

（4）设计洪水位（Z设）和防洪库容（V防）。在正常情况下，当设计洪水出现时，水库为了滞蓄洪水允许达到的最高水位，称为设计洪水位。它是水库主要建筑物的设计依据。在设计洪水位与防洪限制水位间的容积，称为防洪库容。当发生设计洪水时，水库在一面进洪一面泄洪的情况下，防洪库容正好容纳滞蓄在水库中的洪水，同时水位不超过设计洪水位。

（5）校核洪水位（Z校）和超高库容（V超）。当发生比设计洪水更大的校核洪水时，由于水库泄洪建筑物的限制，水库水位将超过设计洪水位，这时所达到的最高水位，称为校核洪水位。水工建筑规定的最低稳定安全系数，系按此洪水位所产生的水压力来进行校核计算，因此这个最高水位称为校核洪水水位。在设计洪水位与校核洪水位间的库容，称为超高库容。

（6）总库容（V总）和有效库容（V效）。总库容是指上述各种库容之和，即

在死水位以上的库容，通常称为有效库容。

以上各种特征水位和库容的划分，在大、中型水库的规划设计中，一般都有需要。在设计中、小型水库，特别是溢洪道上不设闸门控制的水库，设计蓄水位常与汛前限制水位相同，这时就没有重叠库容。

2.水库安全和设计洪水

为了防洪，避免城市和农村受到损失，修建水库等水利工程。但是水利工程本身也有一个防洪安全的问题，这就是说水利工程和被保护的对象有各自的防洪安全标准的问题。故防洪的设计标准可以分为两类：第一类为确保水库大坝等水工建筑物安全的防洪标准。这种标准一般以某种频率的洪水（包括洪峰、洪量、洪水过程线），即设计洪水来表示，例如50年一遇，百年一遇或千年一遇等。第二类为保障水库下游河两岸免除一定洪水的威胁的防洪标准，这种标准一般以某种频率的设计洪水及其洪峰水位来表示。

（1）水利水电工程等级划分和防洪安全标准：水利水电工程应按照其工程规模、效益和在国民经济中的重要性划分等级，在我国的划分见表5-1、表5-2。

表5-1　水利水电工程的等别

资料来源：GB50201— 94《防洪标准》。

表5-2　水工建筑物的级别

资料来源：GB50201 — 94《防洪标准》。

水库工程水工建筑物的防洪标准，主要由所采用的设计洪水标准所体现。设计永久性水工程建筑物所采用的洪水标准，分为正常运用（设计）和非常运用（校核）两种情况。正常运用的洪水标准较低（即频率较大），叫做设计洪水，用它来决定水利水电枢纽工程（如水库）的设计洪水位；在规划设计时，要考虑设计洪水来临时水库的一切都要维持正常。而非常运用的洪水标准较高（即频率较小），叫做校核洪水，用它来决定水库的校核水位；当校核洪水来临时，可以允许水库的最高水位至坝顶之间的安全超高留得少一些，水电站的正常工作可以允许暂时受到影响，即暂时停止运用，但水库的主要建筑物（如大坝、溢洪道等）必需要确保安全。国家规定的水库工程水工建筑物防洪标准见表5-3。

表5-3　水库工程水工建筑物的防洪标准

资料来源：GB50201 — 94《防洪标准》。

对灌溉、治涝和供水工程主要建筑物的防洪标准，可按表5-4 和表5-5 规定。

表5-4　灌溉和治涝工程主要建筑物的防洪标准

资料来源：GB50201—94《防洪标准》。

表5-5　供水工程主要建筑物的防洪标准

资料来源：GB50201—94《防洪标准》。

在水工建筑物的设计中，除了考虑水工建筑物本身的洪水标准外，还要考虑下游防护对象的防洪标准。这里所谓的防洪标准又叫“地区防洪标准”，就是规定防护对象能防御多少年一遇的洪水，并当这种洪水发生时，通过下游河道的最大泄量不应超过河道的允许泄量（又称安全泄量）或控制水位。地区防洪标准的拟订，应根据下游地区的河流条件、历史灾害情况和政治、经济的影响，并结合下游防护对象的重要性来考虑，同时，应征求当地政府及有关方面的意见后，分析选定。

（2）设计洪水的计算：设计洪水是指在设计水利水电工程时所依据的各种标准（设计标准和校核标准）的洪水，包括设计洪峰流量、不同时段设计洪量和设计洪水过程线等。对不同种类工程可根据要求计算其全部或部分内容。通常使用的设计洪水计算途径，有根据洪水流量资料计算设计洪水的方法，根据暴雨和径流资料计算的方法和根据水文气象资料计算可能最大洪水的方法。

水文基本资料是洪水分析计算的基础，包括洪水流量资料、暴雨资料、流域自然地理特征及与产、汇流有关的河道特征资料如流域面积、地形地貌、河长、河道比降等。历史洪水调查资料和当地及邻近地区的大暴雨调查资料也是主要的资料。对于各类基本资料除调查收集外，进行必要的审查复核和考证是十分必要的步骤。

1）根据洪水流量资料计算设计洪水：通常采用频率分析方法。即对实测洪水流量系列进行年最大值选择，每年选取一个。洪水流量年最大值系列最好不少于30年，以保证其代表性。在我国通常采用的频率线型是皮尔逊Ⅲ型。对频率曲线的统计参数中的变差系数Cv 值通常用矩法公式进行初步估算，一般情况下对Cs 值不做计算，而通过适线确定。适线法是先采用经验频率公式计算样本中各次的经验频率，然后点在特制的频率格纸上，再以初估的Cv 值和计算的均值，采用一定的Cs 和Cv 的倍比，按频率曲线查算表计算的频率曲线也画在频率格纸上，观察其与经验频率点据的拟合情况，调整Cv 和Cs 与Cv 的倍比，使频率曲线与经验点据的拟合达到满意。洪峰流量和不同时段的最大洪量都可按上述方法进行频率分析。

洪水过程线通常在实测较大洪水中选取典型，然后按实际典型中相应的洪峰和不同时段洪量与按频率分析的各种设计标准值进行同倍比放大。

由于实测水文系列较短，应尽量采用当地的调查历史洪水值参加频率分析中的参数估算和适线。

2）根据暴雨和洪水资料推求设计洪水：即先求设计暴雨，再通过产流和汇流的计算，得出设计洪水。

设计暴雨一般也是通过对暴雨系列的频率分析，以求出各种设计标准的设计暴雨，并假定设计暴雨所产生的洪水，二者是同频率的，这种假定并不严格，只是一种近似的作法。暴雨的频率分析方法与流量的频率分析方法相同。

由设计暴雨求设计洪水，主要是先通过一定数量的本流域或相似流域的暴雨和洪水的对应观测资料，建立相关关系，或据以对采用的某种计算模型中的参数进行分析，并考虑这些参数在设计情况下与实测情况下的差别，予以改正后使用，在有条件时，常对模型中的参数进行优选后采用。

有些由暴雨计算洪水的方法可以直接给出洪水过程线，有的方法只计算洪峰值，还须配以典型的过程线。(www.chuimin.cn)

3）由水文气象途径推求可能最大洪水：水文气象途径是指对组成暴雨的气象因子如水汽、风速等进行可能的放大后组合，以求出可能最大暴雨，再通过产汇流分析，以求出可能最大洪水。对于实测资料中的特大暴雨，如经分析后认为其动力因子已经够大，属高效暴雨，也可只进行水汽放大。

在实际应用中，由于暴雨比较好搬家，常可对邻近地区其水文气象条件相似的，可进行暴雨移置，以求在设计流域上取得较大的暴雨作为典型。

不论采用上述哪种方法来推求设计洪水，都要在工程所在断面附近进行洪水调查，其成果可用来参与计算，或作为分析论证的依据。

还必须指出：上述三种方法并不彼此排斥而是相辅相成的。在实际工作中通常根据资料的情况，平行使用不同的方法，而且对求得的成果要通过综合分析才能合理选定。

3.水利计算

水利计算是把河流的水作为资源看待，从研究水资源与人类生活和生产关系出发，采取水利工程措施，达到为人类服务的目的。实际上，水利计算是为制定整体的或局部的水利规划，对水资源进行合理的利用和控制的计算。

从一个地区来看，为了平衡各个局部之间水资源的供给和需求的关系，可能涉及在地区各河流之间调配水资源的问题，地区内的各种工程措施将在这个整体中加以考虑。如从一条河流（或一个流域）来看，既有上、下游利益兼顾问题，又有充分发挥河流整体资源效用的问题。

就一个具体工程而言，应从工程所在河流的水文情况及工程的水利要求出发，通过相应的水文计算、用水分析计算、径流调节计算、技术经济论证等工作来决定工程措施的规模、效益，以及拟出工程对水资源的运用、控制方案等等。这些即是我们所说的水利计算。不言而喻，工程点上的考虑和处理应更细致，河流和流域、地区（线、面）上的考虑可以相应地粗略一些。对于运用工程措施对水资源进行控制、运用，同样地亦有点、线、面的情况。

由于国民经济总是不断地向前发展，相应地对水资源的需求总是不断地提高。因此不论是地区、流域或一个具体工程的规划，在水利计算时都应当考虑到不同时期的国民经济发展水平，即所谓设计水平的问题。

由于用水部门甚多，水资源常常需要综合开发，以平衡部门的要求，因而在规划和控制运用上都应贯彻综合利用的思想，处理好它们间的矛盾，使它们协调一致，充分发挥水资源和工程设备的效益。但在一个具体的工程问题上，各用水部门的要求有轻、重、缓、急的不同，因此，应当明确工程服务的主要目标，以便在规划和控制运用中得以明确对待。

水利计算中很重要的计算是水库调节计算，水库调节一般指兴利调节，利用水库的调蓄作用来改变河流天然来水过程。满足各部门用水特别是灌溉用水的需要，必须通过水库兴利调节计算来确定兴利库容及设计蓄水位。

水库调节按调节周期分类：①无调节即水库没有调节库容，按天然径流供水；②日调节即水库按用水部门一天内的需水过程进行调节；③周调节即水库按用水部门一周内的需水过程进行调节；④年调节也称季调节。水库将一年中多余的水量蓄存起来，用于提高缺水期的供水量；⑤多年调节即水库将丰水年的多余的水蓄存起来，用于提高枯水年的供水量。

径流调节计算按其对水库入流过程的描述和调节计算方式可归纳为三种：时历法、统计法和水文时间序列分析法。

在调节计算中常需要一些数据，工程水文计算主要是研究河流径流的各种特征的自然变化规律，为开发水资源提供所需要的各种数据。

（1）设计年径流：在一个年度内，通过河流出口断面的水量叫该断面以上的年径流量。年径流量的变化有一些特征：如年径流有年内变化即以年为周期的汛期与枯季的水量变化；年径流在年际间有变化，例如丰水年年径流可为平水年的数倍，枯水年时仅为平水年的1/10～1/5；以及年径流量在多年变化中有多水年组和少水年组。

由于年径流量的变化情势往往与用水部门的需水有矛盾，为了满足用水部门的需求，需要建设水利工程例如水库、闸坝、抽水站等水利设施对径流进行调节，按用水要求供水。通过水利措施对地面和地下径流的时间过程和地区分布进行的水利计算，称为径流调节。径流调节计算需要径流系列，例如长系列的年、月、季的径流资料，按水文年或日历年的格式给出，供水库兴利调节计算用。

通过来水、用水逐年平衡计算（称长系列操作）求得库容频率曲线，用Vp来作为设计水库库容的依据，就能满足用水部门所要求的保证率。运用这种长系列操作法，保证率的概念比较明确，计算成果的质量比较高，但对水文资料（包括用水资料）要求较高，必须提供设计年、月径流量过程系列（也包括用水过程系列）。因水文实测系列年限有限，只用一个天然系列来进行长系列操作，往往带有一定偶然性，是其不足。在作中小型水库设计时，一般不具备上述条件。另一方面，在规划、初设阶段，需要从大量的方案比较中来优选方案，计算工作量也大。为了简化计算，在规划设计中小型水利工程时，广泛采用代表年法：对于灌溉工程常用实际代表年法；对于水电工程则常用设计代表年法。

1）实际代表年法的年、月径流量计算：在规划灌溉工程时，应对当地历史上发生过的早情、灾情进行调查分析，确定干早年份的干旱程度，明确最干早年份、次干早年份、再次干旱年份……。而后根据情况选定其中某一干早年份作为代表年，根据这一年的来水和用水情况规划设计工程规模。这一年就称为“实际代表年”。

实际代表年选定后，就可由实测年径流量系列资料求得该年的月（或旬）径流过程，再根据该年的降雨、蒸发资料，算出灌溉用水过程，而后通过平衡计算，即可求得灌溉工程的规模。

2）设计代表年法的年、月径流计算：设计代表年法的计算程序是：ⓐ根据审查分析后的长期实测径流量资料（包括插补展延的资料在内），按工程要求确定计算时段，对各种时段径流量进行频率计算，求出指定频率的各种时段的设计径流量值；ⓑ在实测径流资料中按一定的原则选取各种代表年，灌溉工程只选枯水年为代表年，水电工程一般选丰水、平水、枯水三个代表年；ⓒ求设计时段径流量与代表年的时段径流量的比值，对代表年的径流过程按此比值进行缩放，即得设计的月径流过程；ⓓ对设计的月径流过程和用水过程进行平衡计算，可求得指定频率的设计库容Vp。下面分别讲述各计算步骤。

①计算时段的确定和设计时段径流量的计算：计算时段的确定与工程要求有关。对灌溉工程来说，一般取灌溉期作为计算时段，也可取灌溉期内主要需水期为计算时段。如某双季稻灌区灌溉期为4～10月，而主要需水期为7～9月，可以取7 个月和3 个月两种计算时段来统计时段径流量。对水电工程来说，枯水期水量和年水量决定着发电效益，因此，可取枯水期或年作为计算时段。当计算时段确定后，就可根据历年逐月径流资料，统计时段径流量。如计算时段为年，则统计各年的年水量（或年平均流量）。由于水库的充蓄泄放不是按日历年而是按水文年进行的，因此年水量要按水文年统计。关于水文年的起讫日期，已如前述（参见第二章四）。

如选定枯水期3 个月作为计算时段则根据历年逐月径流资料，统计历年连续最枯3个月的水量，不固定起讫时间，选取年内最小值，可以不受水文年分界的限制而跨年度选样。

②代表年的选择：从实测径流资料中选择代表年，可按下述两条原则进行：第一是按水量相近的原则来选择，即选取时段径流时与设计值相接近的那些年份作为代表年。这是因为两者水量相近，形成条件有可能不致相差太大，年内分配亦应相近。第二是按对工程较为不利的原则来选择，因为水量相近的年份可能不止一个，为了安全起见，在其中选用水量在年内的分配较为不利者，作为代表年。所谓“对工程不利”，就是根据这种代表年的来水、用水情况，要求工程投资较大（或工程效益较低）。如对灌溉工程而言，应选灌溉需水期来水量比较枯，非灌溉期来水量较丰的这种年内分配作为代表年，调节计算后求得的灌溉库容较大（或灌溉面积较小），偏于安全。

③设计代表年的年、月径流量计算：根据工程要求，求得指定频率的设计时段径流量后，还须进一步确定它的逐月（旬）分配过程，一般称设计年内分配。具体做法是对代表年的径流过程按比例进行缩放。缩放倍比KT 可按设计时段径流量控制的方法计算。

式中　QTp、QTm——设计时段平均流量和代表年的时段平均流量，m3/s。

设计代表年的逐月流量，可用下式计算求得：

式中　Qip——设计代表年中的月平均流量，m3/s；

Qim——代表年中相应的月平均流量，m3/s；

K T——设计时段的缩放倍比。

（2）枯水流量：枯水是河流断面上较小流量的总称，枯水经历的时间即为枯水期。枯水是因地面径流完全停止，河网中的容蓄水量全部消退，河道的水量完全依赖于流域蓄水量的补给。枯水期的起止时间和经历时间，完全决定于河流的补给情况。如雨水补给的河流每年冬季降雨量很少，所以雨水补给的河流每年冬季经历一次枯水阶段。以雨雪混合补给的河流，每年可能经历两次枯水径流阶段，即一次在冬季，这一段由于积雪已全部融化，并通过河网排泄，夏季雨季尚未来临而造成的。各河的枯水径流具体经历时间决定于河流流域的气候条件及补给方式。

在设计水库时，需要研究枯水期径流量的大小、径流变化及枯水期长短等，以决定有效库容。此外枯水流量的大小及枯水期长短还决定着水电站的保证出力、通航船只的吨数、工矿企业和城市供水量的大小及农业灌溉面积等。所以，枯水是一项重要的水文特征，对国民经济关系密切，应该给以足够的重视并加强对它的研究。

4.水资源系统分析

由于水资源具有多种功能和有限性，制定水资源系统开发规划时又因各方利益与矛盾的协调却需制定多个方案，因而常借助数学模型的分析以选择可行的方案。水资源系统分析就是常用的方法，也就是应用系统分析的方法，选择出最合理的、并为各方都能接受的水资源工程规划和管理运行方案的技术。系统分析方法的内容包括：目标函数和约束条件、系统模拟、方案生成、方案比较和执行等方面。运筹学方法就是其中一种。对于复杂的水资源系统因具有多种单元的运行条件、多种目的输出和多目标功能，则常应用线性规划法和动态规划法。

当需要解答的问题中具有多个决策变量，并以成组的形式出现，则在解答中可能有多组解。在这多组解中，排除其中最劣解，保留多个非劣解，就可在多个非劣解中进行系统分析，以求找出优化解。由于水资源问题涉及各层次、各方的利益与矛盾，最后选定的解要权衡得失，包括必要的妥协和让步，并服从群体的和有远见的最大利益，这个解也称为合理解。

按照系统条件组成的目标函数Z（x1，x2，…，xn），并受约束于一组约束方程：

以使目标函数为最大或最小时，则这组解为优化解。

对于较大河流流域的水资源系统多目标开发问题，因常跨越不同行政区和针对各用水部门的要求不同，常需将水资源大系统分解为若干个独立的子系统以至再分为若干独立的次子系统，以建立多层次结构模型，并保持整个系统的内部有机联系，并使同层次的各子系统间能相互协调，又能接受上一层次的控制。