【摘要】水利工程建设是我国大力开展的一项基础设施建设，为我国社会经济、水利水电、农业灌溉等方面都做出了很大贡献。而在针对不同的地区进行水利工程设计时，为了在满足需求的情况下尽可能的降低工程成本，减少不必要的资金浪费和材料浪费，提高水利工程的运行效率，就必须要合理确定水利工程的规模大小以及结构形式。今天小编为大家精心挑选了关于《水文频率水利工程论文 (精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。
水文频率在水利工程设计中的作用研究
【摘要】伴随我国经济的发展，水利工程变得越来越多，对其要求也变得越来越高，在水利工程设计中水文频率有着十分重要的作用，因此，本文从水利工程的设计标准着手，分析了水文频率在水利工程设计中的作用，希望对于促进水利工程的发展起到一定的积极作用。
【关键词】水文频率;水利工程;设计作用
水文频率指的是水文研究对象的特征值在规定的时间范围内产生的累积频率。在自然条件下，水文特征值的产生通常是没有规律的，次数是比较随机的。例如洪水现象，倘若洪水是进行水文频率研究的相关对象，那么洪水总量的大小、洪水流量的峰值、谷值等变量就是进行水文频率研究的主要特征值。研究地区内的水文频率，能够应用于防洪减灾工作中，对险情进行提前预警，并且及时做出相应的应对策略，避免人民的人身安全和财产安全受到损害，按照水文频率得出的数据信息进行总结分析，就能够确定水利工程设计的规模或等级，从而进一步对水利工程的结构进行设计。所以，水文频率是进行水利工程设计的一项重要的依据。
1、水文频率的等级
水文频率P一般使用百分数计，当研究对象为年径流时，水文频率常见的等级有95%、90%、75%、50%、25%、10%、5%等。一般而言，95%～90%为特枯年;75%为枯水年;50%为平水年;25%～5%为丰水年。此时频率越大径流量越小，用特枯、枯、平、丰四个等级划分年径流量的大小。
当研究对象为洪水时，水文频率常见的等级有50%、33.3%、20%、10%、5%、3.33%、2%、1%、0.5%、0.333%、0.2%、0.1%等，对应的洪水重现期分别为2年、3年、5年、10年、20年、30年、50年、100年、200年、300年、500年、1000年等，可见洪水重现期与洪水频率在数值上呈现互为倒数的关系。洪水重现期T以年为单位，是指某量级的洪水在很长时间内平均多少年发生一次。一般而言，重现期小于5年的洪水(P >20%)，为小洪水;重现期大于等于5年，小于20年的洪水(5%
2、频率计算方法
由于水文现象的随机性，水文变量服从何种分布目前还没有充足的论证，但是从我国的水文实测资料分析来看，皮尔逊Ⅲ型(P—Ⅲ型)比较符合我国的水文随机变量分布。P―Ⅲ型的分布函数含有均值、Cv和Cs三个参数，确定了这三个参数就得出了具体的频率分布函数。
但是水文变量的总体是未知的，一般只有通过使用样本资料推测出这三个参数，由于抽样的随机性，所以存在一定的抽样误差，导致根据样本资料推测得出的三个参数进行绘制的P―Ⅲ型分布曲线不能够很好的表现总体的分布规律。在实际工作中，通常以延长样本长度的方法，减少抽样误差。以洪水为例，可以通过加入历史调查洪水，来延长样本系列的长度，减少参数值的抽样误差，进一步获得更准确的P―Ⅲ型频率曲线分布图。其他常见的延长样本长度的方法有相关关系法、水量平衡法等。
在进行水文频率计算的过程中，常用的方法是适线法。适线法的一般步骤为：首先将样本数据按由大到小排序，求得累积频率后，点绘频率点据图;然后假定一组参数，一般选用矩法，即可得到频率曲线，将此曲线绘在频率点据图上;最后根据频率曲线和频率点据的拟合情况调整假定的参数直至最佳，一般采用目估法和目标函数法确定拟合情况。适线法具有层次清楚、图像明显、方法灵活、操作容易等优点，在水利工程设计工作中广泛采用。
3、水利工程设计标准
3.1、兴利标准
修建水利工程，对于促进社会的发展能够起到很大的作用，能够满足养殖畜牧产业、航空运输行业、电厂发电项目、农民灌溉区域、人类生活供水等兴利要求。当水利工程的兴利标准较高，也就是水文频率比较大的时候，就可以发挥更多兴利作用，但是同时所需的投资成本也会较大。为了确保工程的有效投资和收益回报，需要进行相关的分析和论证，倘若投资金额超过了收益回报，那么扩大水利工程的规模就不具有可行性。以往的设计观念认为，在水利工程设计的过程中，需要确保一个地区的用水量充足，但如今的设计观念并非如此，应该在供用水量值内选择一个最佳值，把供水适度值与区域用水进行协调统一，将两者相互进行结合，才可以确保合理开发和配置水资源，这也是保证设计用水的科学性、有效性的措施。所以在进行水利工程设计的过程中，兴利标准要通过投资和收益比较、区域水资源配置等综合考虑，而在这些过程中，水文频率是进行工作的重点。水文频率在来水计算、用水计算、兴利调节计算、区域水量平衡等等一系列过程中起到决定性作用，从而对水利工程的兴利标准起到关键性作用。
3.2、防洪标准
防洪减灾是修建具有防洪任务的水利工程的目的，防洪对象包括不具有防洪功能的農田、机场、城市等，也包括具有防洪功能的堤防、水库等水利工程本身。防洪标准是防护对象能防御的相应洪水标准，是确定水利工程规模的重要设计依据。现行的防洪标准有两种情况，第一种为设计、校核两级标准;第二种为设计一级标准。第一种情况的水利工程常见如水库等，水库的设计洪水标准是指发生小等于该标准的洪水时，能保证水库防护对象的安全和水库防洪设施正常运行;水库的校核洪水标准是指遭遇该标准洪水时，采取非常运用的措施，在保证主要防护对象和主要建筑物安全的前提下，允许次要建筑物不同程度的损坏及次要防护对象受到一定损失。第二种情况的水利工程常见如河道提防，提防的设计标准根据提防保护范围内防护对象的重要性确定，河道提防常见的保护对象有农田、城市、乡村等，确定防护对象时往往需要先计算不同水文频率下的设计洪水，根据不同频率下洪水淹没区的农田、威胁的人口等具体数量来衡量保护对象的重要性，从而确定设计洪水标准。可见，防洪标准应根据保护对象的重要性以及损失分析综合确定，而评价和衡量的工作中水文频率起到关键性作用。
4、结束语
由于水文现象的随机性特点，研究特征值的水文频率是水利工程设计工作中解决水文问题的有效途径，水文频率的各种等级对应于水利工程的各种设计标准。水文频率计算使用的最多方法是适线法，适线法根据样本数据推求总体参数和概率分布能够用于推求未来水文过程。水文频率在确定水利工程的设计标准中起关键性作用，在兴利计算、防洪效益、经济分析等各个设计工作环节中水文频率均有决定性作用，因此如何准确的计算水文频率以及如何处理好水文频率在确定水利工程标准时与其他综合因素之间的关系，对水利工程设计是十分重要的。
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作者简介：田宇(1988年7月1日)男，汉族，吉林省双辽市卧虎镇人;本科学历，水利助理工程师，主要从事水文与水资源专业工作，
作者：田宇
水文频率在水利工程设计中的作用
【摘 要】水利工程建设是我国大力开展的一项基础设施建设，为我国社会经济、水利水电、农业灌溉等方面都做出了很大贡献。而在针对不同的地区进行水利工程设计时，为了在满足需求的情况下尽可能的降低工程成本，减少不必要的资金浪费和材料浪费，提高水利工程的运行效率，就必须要合理确定水利工程的规模大小以及结构形式。而要确定这些工程设计参数，必须要在分析当地水文频率的基础上进行。由此可见，水文频率对于水利工程建设的设计起到了关键的作用。现本文就来详细探讨水文频率在水利工程设计中的具体作用。
【关键词】水文频率;水利工程;设计标准;作用
所谓水文频率，主要是针对自然环境下，水文要素具有很大随机性而言的。例如，降雨是大自然的一种最常见的自然现象，是必然会发生的，但若具体到何时发生降雨，降雨量的大小，某个时间段内降雨的次数，年降雨量、最大洪峰流量、枯季最小流量等随机性水文变量，都是水文频率需要研究的主要内容。研究一个地区的水文频率，可以为预测当地发生洪水的频率以及灾害程度提供判断依据。而根据这些预测和判断，可以帮助水利工程设计人员确定当地水利工程建设规模的大小，根据河流的水文频率统计信息，可以确定水利工程的结构设计形式。为此，水文频率在水利工程设计中是具有非常重要的作用的。
1、水文频率等级的确定
水文频率常以%表示，水文上一般采用0.01%，0.1%，1%，10%，20%来衡量不同量级的洪水。频率越小，表示这一量级以上的洪水出现的机会越少。水文上除采用频率衡量洪水的大小外，也常用重现期(以年为单位)来表示，重现期是指某量级的洪水在很长时期内平均多少年出现一次。如某一量级的洪水的重现期为百年(俗称百年一遇洪水)，是指这个量级的洪水在很长时期内平均每百年出现一次的可能性，但不能理解为每隔百年出现一次。实际情况是这种洪水可能100年内不止出现一次，也可能一次都不出现。
频率和重现期实际上是衡量洪水量级的一个标准，是确定水利工程设计规模和等级的重要依据。结合实际防洪能力，对洪水的等级划分如下：重现期在10年以下的洪水，为一般洪水;重现期10年至20年的洪水，为较大洪水;重现期20年至50年的洪水，为大洪水;重现期超过50年的洪水，为特大洪水。
对洪水的等级，是综合考虑各种因素后由主管部门审定并发布的，是针对某一流域或水系而言的，不是指某个单一测站而言的。
2、频率计算方法
绘制理论频率曲线，主要目的是为了解决经验频率曲线的延长问题。水文行业目前普遍选用的理论频率曲线为p—m型曲线，它是由3个统计参数决定的。3个参数从理论上讲应是总体的统计参数，但水文变量的总体是未知的，通常只能由样本资料求出其3个统计参数，而样本统计参数都具有抽样误差，这就使由样本统计参数确定的p—m型曲线不能很好地反映总体的分布规律。实际工作中，通常采用调整样本的统计参数及相应p—m型曲线拟合样本的经验频率点据，以尽可能减少参数估计的抽样误差和系统误差，进一步探求总体的概率分布，这个过程在水文计算中称为适点配线法，简称适线法。适线法得到的成果仍具有抽样误差，而这种误差目前还难以精确估算，因此对于工程上最终采用的频率曲线和相应的统计参数，不仅要从水文统计方面分析，而且还要密切结合水文现象的物理成因及地区分布规律进行综合分析。
3、工程设计标准
在水利工程的设计中，对于工程的设计标准要控制在当地所能允许的破坏范围内，即水利工程建设要满足一定的洪水防护功能，以保证当地以及下游地区的安全。而这种工程设计标准的确定是依据水文频率的基础而决定的。以下笔者就从水利工程设计标准中的兴利标准和防洪标准两方面探讨水文频率在水利工程设计中的作用。
3.1兴利标准。兴利标准是用设计保证率来表示的。兴利的内涵非常广泛，通常包括灌溉、发电、城市供水、航运、养殖等等。若要最大程度地满足各个用水部门的用水要求，就需要工程规模大一些，选择的水文频率小一些，因而造成投资增大。
为了使水利工程兴建的投资规模最小，而经济效益发挥到最大，就需要对兴利标准进行分析研讨。一般来讲，在设计中，无须完全满足当地用水的需求，而是在供水的合理范围内适当的减少供水，判定在多大的范围内断水或减少供水量不会影响到当地用水部门的正常运行，将其破坏程度控制在允许范围，即设计用水的保证率。
设计保证率的选定，是一个确定缩减用水合理程度的经济权衡问题。设计保证率若选得过低，则正常用水遭受破坏的机会将增加，从而引起经济的损失。相反，设计保证率若选得过高，虽然用水部门用水保证率得到提高，但要增加工程投资和其他费用，使工程效益和投资的比例减小。因此，设计保证率应该通过经济比较分析，并根据水文频率来确定。
3.2防洪标准。水利工程除了兴利外，另一主要作用就是防洪。防洪标准是指防护对象防御洪水能力相应的洪水标准。这里的防护对象不仅指自身没有防洪能力需要采取防洪措施的保护对象，如城市、乡村、工矿企业和机场等，还包括能保护其他防护对象安全的水利工程的本身，如水库、堤防等。防洪标准原则上应在准确预报未来洪水的基础上，通过投资效益综合经济分析来选定。然而和确定设计保证率一样，根据实际需要选择水文频率。所以，只能采用统一规定的洪水频率(重现期)作为防洪标准。根据工程的重要性以及经济等综合因素确定。
现行的防洪标准分为设计一级标准和设计、校核两级标准两种情况。根据防护对象的不同，其防洪标准可采用设计一级或设计、校核两级。这里的设计标准是指当出现小于或等于这种标准的洪水(设计洪水)时，应保证防护对象的安全或防洪设施的正常运行。校核标准是指遇该标准相应的洪水(校核洪水)时，采取非常运用的措施，在保障主要防护对象和主要建筑物安全的前提下，允许次要建筑物不同程度的损坏及次要防护对象受到一定的损失。
4、结论
由本文上述分析可知，在实际的水利工程设计中，若要实现投资与收益的最佳效果，就必须要将工程设计标准建立在水文频率的基础上，通过水文频率的数据分析，来判定水利工程的修剪规模程度。使水利工程在既满足当地水利需求的前提下，又能尽可能的降低工程造價，实现水利工程的收益最大化。由此可见，水文频率的计算准确性是非常关键的，其所得数据的合理性、准确性程度都是影响水利工程的关键因素，为此，提高水文频率计算方法和计算水平也是完善水利工程设计中必不可少的环节。
作者：郭泽慧
混合分布在非一致性水文频率分析中的应用
摘要：传统水文频率分析方法的前提条件是水文极值系列需满足一致性要求，然而由于气候变化和人类活动的影响，使得水文资料的非一致性问题越来越突出，导致现行水文频率分析方法的应用受到挑战。根据重建的淮河流域1470年-1999年共530年夏季面平均降雨量长系列数据，进行分析，通过假设检验表明系列在1534年、1724年和1923年发生跳跃性变异，因而将系列划分为4个子平稳系列;采用现行频率分析方法估计每个子系列的概率分布函数，再根据混合分布概念由各子系列的概率分布构建一个综合的概率分布函数，作为非一致性降雨系列总体分布的估计。在此基础上，计算了给定设计标准下的设计值，并与基于大样本(530年)计算的经验设计值进行了对比，结果表明混合分布模型對观测系列具有较好的拟合效果。
关键词：非一致性;水文频率分析;混合分布;淮河流域
Key words：non-stationary;hydrological frequency analysis;mixed probability distribution;Huaihe River basin
在各类水利工程的规划、设计、施工以及运行管理中，均涉及到给定设计标准下水文设计值的推求问题。水文频率分析方法作为推求水文设计值的一种标准工具已得到广泛应用。现行水文频率分析方法的应用前提条件是水文极值系列必须满足一致性要求，即水文极值系列的统计规律在过去、现在或未来是一致的。但随着全球气候变化和人类活动影响的加剧，降雨及其时空分配过程和流域的下垫面产汇流条件发生了变化，导致水文极值系列的非一致性问题越来越突出，给现行频率计算方法的应用带来挑战[1-2]。目前，国内外进行非一致性水文频率计算主要基于两个途径[3]：一是通过还原(还现)方法将水文极值系列还原(还现)到过去(现在)某一状态，使其满足一致性要求;二是直接基于非平稳极值系列进行水文频率分析，如时变矩模型[4-6]和混合分布模型[7-10]等。时变矩模型是假定分布函数中的参数随时间(或与时间相关联的某一变量，即协变量)之间呈现某种趋势性变化，通过建立分布参数与时间(或协变量)之间的函数关系，实现对分布参数的估计，从而确定未来任意时刻水文极值变量的分布函数。混合分布模型认为整个非一致性的样本系列可以分成若干个一致性的子系列，先估计各子系列的分布函数(子分布)，再对各子分布进行加权综合，以获得一个可综合考虑各子系列特征的分布函数，用以描述极值系列的总体分布特征。
本文根据重构的淮河流域1470年-1999年共530年的夏季长降雨样本系列，通过统计假设检验分析系列的不一致性特征(跳跃性特征)，采用混合分布模型对该系列进行频率分析，比较基于混合分布模型计算的降雨量设计值和重构的大样本计算的经验设计值间的差异，分析了混合分布模型的适用性。
1 研究方法
1.1 滑动秩和检验法
滑动秩和检验法[11]是针对传统秩和检验法只能用于判断给定变异点是否显著而不能分析变异点位置这一弊端而提出的，其通过对水文极值系列进行逐点分析，然后选取使得检验统计量最大且变异显著的点作为变异点。即通过应用滑动秩和检验法，在获得变异点位置的同时，也可对变异点的显著性进行检验。
1.2 混合分布模型
气候变化及人类活动的影响，使得不同时期的水文事件的形成过程或形成机制存在差异，也即不同一时期之间水文极值事件的统计规律不一致，而在同一时期内水文极值事件的统计规律差异不显著。为此，可采用不同的分布函数对不同时期的水文极值系列的统计规律进行描述，再对各时期分布函数进行综合得到一个统一的分布函数，作为水文极值总体的估计，这是混合分布模型的基本思想。混合分布模型在非一致性水文频率分析中得到了较多研究[7-10]，其可表示为
关于混合分布模型参数的估计方法较多，如全局优化算法[10]、非线性优化算法[12]、极大似然法[13]等。但当子分布较多时，上述估计方法的应用较为复杂，且参数估计不确定性较大，如当子分布为3个时，需要估计的参数有12个之多，应用上述方法存在较大困难。为此，本文采用简化方法对各个字分布函数的权重进行估计，即根据各子系列容量占整个系列容量的比例作为各子系列对应的权重系数，即认为在不同时期，导致水文极值系列发生变异的主影响因素及其影响强度是不同的，子系列容量的长短在一定程度上可以反应这些因素的影响程度，因此可用子系列容量占整个系列容量的比例作为其分布函数的权重。
1.3 设计值的经验估计和基于混合分布模型的理论估计
由于实测样本系列为1470年-1999共530年，样本容量较大，为此，可基于此大容量样本计算给定超过概率下的分位点，作为分位点的经验估计值。对于给定的观测值，其对应的经验超过频率可采用下式计算：
因为530年的样本系列容量较大，通过对比分析混合分布的理论估计与基于大样本的经验估计，一定程度上可以检验混合分布的拟合情况。
2 实例分析
本研究使用的淮河流域1470年-1999年降雨数据，来自于Feng[14]等基于树轮、历史记录等信息重建的亚洲及太平洋地区近600年0.5°网格夏季降雨数据集。根据重建的淮河流域1470年-1999共530年0.5°网格逐年的夏季平均降雨，通过加权平均法求得整个淮河流域夏季的面平均降雨系列。
2.1 变异点诊断
图1给出了降雨系列的时间系列以及10年和20年滑动平均过程。
在显著性水平α=0.01下，采用滑动秩和检验法对降雨系列的变异点进行检验，诊断出第一个可能变异点为1534年，将整个系列在1534年劃分为前后两段，即“1470年-1534年”和“1535年-1999年”两个子系列;同样在0.01显著性水平下，分别对“1470年-1534年”和“1535年-1999年”两个子系列的变异点进行诊断，结果表明1470年-1534年子系列无显著跳跃点存在，而1535年-1999年这段系列，在1724年发生显著变异。为此，在1724年处，将“1535年-1999年”子系列划分为两段，即“1535年-1724年”和“1725年-1999年”两个子系列;同样在001显著性水平下对各个子系列进行逐步检验。最终确定1534年、1724年和1923年为系列的三个变异点。
对于本文采用的滑动秩和检验法，显著性水平α越小表示检验越严格，所以认为整个系列存在三个变异点在统计上具有较高的可信度。另外，杨传国等[15]通过对淮河500年来的降雨数据分析认为，流域存在3个主要的湿润期：明代末期 1550年-1590 年、清朝早期 1730年-1780 年、清朝晚期民国初 1820年-1920年。3个主要的干旱期：明代晚期 1470年-1545年、明代末期清朝初期 1615年-1660 年、近现代 1935年-1980 年，即旱涝变异年份大致在1545年-1550年、1590年-1615年、1660年-1730年、1920年-1935年之间。本研究识别出的变异点位置与旱涝变异年份比较吻合，因此，最终确定1534年、1724年和1923年为变异年份，据此份将原系列划分为“1470年-1534年”、“1535年-1723年”、“1724年-1923年”和“1924年-1999年”四个子系列。
2.2 混合分布函数估计
采用P-Ⅲ型分布函数分别对四个子系列进行拟合，记为F1(x)、F2(x)、F3(x)和F4(x);采用经验适线法进行分布参数估计，估计结果见表1，频率曲线见图2。
分别根据式(5)和式(7)、式(8)计算重现期为5、10、20、50和100年时降雨量设计值的经验估计值和混合分布模型计算的估计值，结果见表2。表2中同时给出了经验估计值和模型计算值之间的相对误差。由表2可知，关于给定重现期的设计降雨量估计，基于530年样本系列的经验估计值与模型计算值差别很小，表明混合分布模型较好地反应了降雨量系列分布特征。
3 结语
气候变化和人类活动的影响导致不同时期的水文事件的孕育背景存在差异，进而导致水文极值系列的非一致性问题越来越突出，使得现行水文频率分析方法对水文极值系列的一致性要求难以满足。本文根据重构的淮河流域1470年-1999年共530年的夏季面平均降雨大样本系列，对混合分布模型在非一致水文频率分析中的适用性进行了应用研究，主要结论如下。
(1)混合分布模型认为非一致性水文极值的概率分布函数，可以通过综合样本系列中若干个一致性子系列的分布函数估计得到，从而以一个统一的概率分布函数描述非一致性水文极值的总体特征，为解决变化环境下水文分析计算问题提供了一种新的思路。
(2)对淮河流域1470年-1999年共530年的降雨大样本分析表明，降雨系列在1534、1724和1923年发生跳跃性变异，据此对原系列划分了4个子系列，估计了各子系列的分布函数并推求了其混合分布，作为流域未来降雨量的总体分布。
(3)对比分析混合分布模型估计的理论设计值与基于大样本系列(530年)的经验设计值，两者相对误差较小，表明混合分布模型对样本系列具有较好的拟合效果。
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作者：王军 宁亚伟 胡义明 刘和昌 梁忠民
