水文分析与水资源评价：计算方法简介

新中国成立后，国民经济蓬勃发展，水文工作欣欣向荣，尤其是改革开放以来，社会经济发展对水和水资源的需求日益增长，成为水文事业发展的强大动力。水文科学技术作为经济建设的前期工作和基础工作，作为探索水文情势和水资源状况的耳目和尖兵，为社会经济发展作出了巨大贡献，同时，也加快了水文科技现代化的步伐，其发展大体分以下几个阶段。

1.5.3.1　新中国成立初期至20世纪50年代初

1950年2月成立长江水利委员会（以下称长江委，或长办，或长委会），下设测验处负责全江水文工作。按照水利部的统一部署，首先恢复、调整和新建水文站网，充实测验项目，制订技术规定。组织大批力量整理、汇编长江流域新中国成立前的历史水文资料，同时，进行历史洪、枯水调查，分析长江水文规律，开展水文情报预报和水文分析计算等业务。长委会成立之初即着手长江防洪治理规划，1949～1954年长江防洪以堤防培修、中下游防洪排涝和汉江流域规划为重点，并兴建了荆江分洪工程。由于资料条件和技术水平限制，国家无统一的设计洪水标准，在初步分析水文特性的基础上，长江堤防和分蓄洪工程以实际出现的大洪水作为设计标准或防洪目标。例如，干流荆江大堤以1949年最高水位，武汉市堤、长江无为大堤以1931年水位为控制水位；荆江分洪工程以1931年洪水流量为分洪控制标准等。

这一时期长江水文业务迅速成长，为此后水文技术发展奠定了基础。

1.5.3.2　20世纪50年代中期至60年代初期

按统一部署，长委会与相关省市协作，于1956年完成第一次全流域水文站网规划，全江站网大发展，水文站由1955年的1614处跃增到1958年的3047处，特别是在江源和金沙江等偏远地区新建测站，同时改进测验技术，提高资料精度。水文与河道观测结合，搜集河流泥沙和河道演变资料。全部完成1955年前（包括新中国成立前）的水文资料整编工作，刊布《长江流域水文资料》32册（包括水位、流量、含沙量、降水量、蒸发量等项目），编制了《长江流域水文特征手册》、《长江流域水文图集》。此时，各省开始编制本省区的水文手册。进一步大规模组织调查长江干流和主要支流历史洪枯水和洪涝灾害，搜集宫廷档案、史志文书和民间题刻，分析洪涝旱灾的时间和地区分布规律，基本弄清了长江干流2000多年来有据可查的洪水和洪灾情况，掌握了近1000年来流域内各个时期的洪水量级和洪灾程度。调查研究1931年、1935年和1954年等大洪水的成因和时空分布特征，其中对1954年洪水特性、分蓄洪和堤防溃决等情况作了较详尽的调查和测算，整理成专册《1954年长江的洪水》予以刊布。1958年前后，为研究长江中上游降雨径流机理和人类活动（主要是农林水措施）对水文循环要素演变过程的影响，设立三峡大宁河暴雨洪水实验站、川西凯江径流实验站、河南唐河祁仪径流实验站及重庆大型蒸发实验站。这些基本工作为流域规划和汉江丹江口、长江三峡、陆水蒲圻、上游支流水库工程以及中下游防洪工程的水文分析与计算提供了可靠的基础。

这一时期，长办联合高等院校和科研部门，结合流域规划和工程设计（主要是三峡、丹江口等工程），对设计洪水途径和方法开展全面、深入的研究，在我国率先应用频率计算和水文气象两种途径、多种方法，推求大型水利水电工程设计洪水和校核洪水。从天文因子变化周期和气候振动韵律等方面，论证实测洪水流量系列或加入历史洪水后的样本系列代表性，利用实测和历史洪水资料，检验概率分布模型，例如伽玛分布（包括P-Ⅲ型）、克里茨基-闵凯里分布、耿贝尔极值分布等，在长江流域的适用性上，认为皮尔逊-Ⅲ型较为适用。对多种洪水经验频率公式、分布参数及其抽样误差估计方法，例如矩法、极大似然法和绘线读点补矩法等进行较详尽的分析比较，认为采用（频率）期望值经验频率公式适点配线，辅以上下游和干支流统计参数协调的方法，较适用于长江流域洪水频率计算。分析研究设计洪水过程典型选择的原则、放大方法（同倍比或同频率）及成果采用的原则，认为洪水典型选择主要依据洪水的时空分布特征和调洪偏安全，放大方法及成果采用主要取决于工程设计任务和要求。

鉴于对水文现象的随机性及其概率分布，对样本系列代表性、统计参数和设计成果的不确定性等问题，学术界见解不同，设计部门多种方法纷呈，因而萌发了使用以暴雨洪水天气成因分析为基础的水文气象法，推求流域可能最大洪水。用天气组合、水汽放大和洪流演进方法，推求了三峡坝址以上100万km2、60天可能最大降水（PMP）和可能最大洪水（PMF），开创了我国特大型水利工程估算PMP和PMF的先河。接着，采用暴雨移置、暴雨天气模式等方法，推求汉江丹江口、唐白河鸭河口、陆水蒲圻和长江上游乌江渡等工程的PMP和PMF，并于1965年受水利部委托举办全国水文气象研习班，开展理论和方法研讨，推动全国广泛使用。

这一时期长办规划设计的山丘区水库工程，多以频率计算途径推求设计洪水，以PMP、PMF作为校核或保坝设计洪水的参证。平原区堤防和分蓄洪工程，多以实际典型洪水为主，以频率计算为辅确定防洪设计洪水。例如，长江干流中下游重点河段的堤防以1954年洪水位作为防洪标准。实践证明，这一时期长江防洪设计洪水方法符合1964年的《水工建筑物设计洪水计算规范（草案）》，而且在科学性、创新性和适用性等方面，具有本流域的特色，成为长江水利工程水文分析与计算技术进步的坚实基础。

1.5.3.3　20世纪60年代中期至70年代

为长江三峡和葛洲坝工程、上游干支流水电工程和中下游防洪规划设计，提高水文观测水平，加强泥沙全沙（悬移质、推移质和床沙）测验和河道、水库观测，深入复查宜昌、汉口、重庆、万县等处海关水位观测记录，核实、订正、延长海关实测水位系列，研究分析主要测站的水位流量关系，复核中下游重要防洪控制站的河道泄洪能力。对三峡库区各支流的历史洪水和洪水频率作了调查和分析计算，对汉江丹江口水库前后期的洪水成因分析和时程划分及其对调洪的作用进行了分析研究。将干支流历史洪枯水复查成果和搜集的文献汇编成册，基本弄清历史大洪水的暴雨分布、洪水组成和灾害范围。尤其是调查到记载1870年特大洪水过程的《万县志采访实录》和长江上游最早的1153年、1227年等年特大洪水岩刻，为推算三峡1870年洪水总量和过程、长江上游历史洪水重现期获得可靠佐证，并对1870年宜昌至汉口广大区间的洪流演进特性和结果作了有益的探讨。会同有关单位调查1935年7月暴雨洪水，绘制“35·7”暴雨等值线和主要雨区的暴雨时程图，并经核准正式颁布，在长江中下游水电工程设计中广泛使用。因库区产汇流条件、河槽调蓄作用和洪水波传播等特性变化，坝址洪水与入库洪水不尽相同。通过对陆水水库的分析研究和随后会同有关单位进一步研究，以及对建成后的陆水和丹江口等水库的实测资料分析，认为入库洪水与坝址洪水的差别视水库型态不同而不同，当动库容较大时应以入库设计洪水和动库容作为调洪计算的依据。

这一时期，在三峡工程频率计算方法上进行了新的探索，一是研究实测系列加入多个历史洪水时的经验频率公式；二是对设计值的频率，据无偏性和有效性准则进行评估，即估算设计值的期望概率是否符合设计标准；三是研究适线优度和准则，以减少适线法的经验性，为广泛采用计算机数学模拟优化技术和自动适线推求设计洪水提供技术依据。

20世纪70年代前后，我国业内人士对频率洪水作为防洪设计标准再次生疑，因此，长江流域有些工程的设计标准又回复到直接采用历史洪水或实际洪水加成法，但洪水频率仍是设计标准选定的重要参证。1970年开工的长江葛洲坝工程系径流式电站，是上游调节库容较大的三峡工程的反调节水库，虽为一级水工建筑物，但在三峡工程兴建之前为单独运行，工程规模由洪峰流量控制，设计标准不宜太高。葛洲坝与三峡水库集水面积相近，流量系列可以移用宜昌站资料。宜昌历史洪水资料丰富，实测系列较长，对洪水频率曲线的适线准则虽有不同意见，但相对全国其他河流而言，洪水频率计算方法研究较为充分，故在当时背景下采用1788年历史调查洪水流量86000m3／s设计（约130年一遇），采用1870年历史调查洪水流量105000m3／s（经验重现期为800多年一遇），并考虑调查计算误差，以110000m3／s校核（约5700年一遇）。1975年8月河南大水，部分水库失事后，PMP和PMF成为全国大中型水利枢纽的复核标准或保坝洪水，长江流域水库也普遍进行复核。关于防洪设计标准和设计洪水方法，在我国几经反复后，于20世纪70年代末，对“多种方法、综合分析、合理选用”的设计洪水计算原则普遍认同，首次将PMP、PMF列入SDJ12—78《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）》和SDJ22—79《水利水电工程设计洪水计算规范》（试行）。本时期长江流域水文业务受到“文化大革命”的消极影响，但在长江三峡、葛洲坝等工程设计的积极推动下，进步仍较大。

1.5.3.4　20世纪80年代和90年代

随着改革开放政策的贯彻和国民经济可持续发展战略的落实，兴建长江三峡工程、修订长江流域综合利用规划和开展南水北调工程规划设计，对水文分析计算提出新的需求。20世纪80年代和90年代长江连续发生区域性洪水灾害，尤其是1998年流域性大水，千军万马抗洪救灾，再次警示长江洪灾的多发性和严重性，研究长江洪水情势，制定长治久安的防洪对策刻不容缓，推动了水文科学技术的快速发展。在水文测验方面，对水力学条件与水文测验误差理论，采用理论高新技术，原型观测、物理模型实验与理论分析相结合，提高水文测验、江湖河床观测的精度和效率，掌握洪水和河道时空变化动态规律。在国家科研重点攻关项目中，分析长江干支流洪水组成遭遇、防洪控制点水位流量关系、人类活动（例如荆江裁弯、丹江口水库、葛洲坝工程和围湖造田等水土资源开发利用措施）对中下游干流泄洪能力和江湖调洪作用的影响；研究三峡水库入库洪水过程和动库容曲线、长江洪水过程和时间序列随机模拟等。依据新资料和新方法，采用水文气象途径，以1954年典型替换法、1870年模拟放大法、长时段组合相似替换法和西南涡组合法等估算三峡工程15天PMP和PMF；分析21世纪20年代，上游可能兴建的一些库容较大、具有一定防洪作用的水库对三峡洪水的影响，并估算上游水库至三峡水库区间29万km2的PMP、PMF，为论证三峡保坝设计洪水和三峡水库防洪作用的不可替代性提供可信依据。20世纪90年代前后，开展长江三峡工程的古洪水研究，进一步论证了1870年历史洪水的经验重现期。

1979年6月，国家农委和科委在下达的《农业自然资源和农业区划》研究项目中，提出进行“水资源的综合评价和合理利用研究”。同年8月水利部组织开展我国首次水资源调查、评价工作。全国按流域划分为10片，长江流域、浙闽台诸河及西南诸河3片由长办任片长，负责组织协调工作。评价内容主要有：①主要水文要素的时空分布，包括水汽输送、降水、径流、蒸发；②地表水资源量，包括分流域水资源量、分区水资源量和入海水量；③地下水资源量，包括参数确定，平原区、山丘区地下水资源，地下水水质；④地表水水质，包括流域污染负荷、水质评价、泥沙；⑤水资源开发利用，包括水资源开发利用现状，洪、涝、旱灾分析，水资源利用预测，解决水资源供需矛盾的对策，以及结论和建议等六个方面。1981年完成了“初账”，并提出了长江流域和各省（自治区、直辖市）初步成果，1985年基本完成并正式刊布《长江流域水资源评价》。长江流域按统一规定，采用1956～1979年24年水文资料，选用雨量站2643个、蒸发站594个、流量站814个进行统计分析。全流域水资源总量为9613亿m3，为全国总量28124亿m3的34%；人均占有河川径流量为2760m3，比全国人均径流量2630m3稍多。天然水质总体良好，但评价河长中有5.7%河长的水质已达重污染。首次水资源评价成果是开发、利用和保护长江水资源的基础工作，同时为以后的水资源评价和水资源论证工作提供了宝贵经验。90年代开展南水北调中线工程水源区、总干渠和汉江中下游治理工程的水文计算，由长江委会同有关省市设计部门进行水文分析，线长面广，水文资料条件参差不齐，径流和洪水计算方法多样，水资源论证内容全面，为跨流域调水工程水文计算和水资源论证积累了经验。这一时期还完成了清江隔河岩、水布垭和赣江万安等工程的水文分析计算。在水文分析计算方面，主编修订SL44—93《水利水电工程设计洪水规范》和SL278—2002《水利水电工程水文计算规范》。在水文测验方面，主编国家标准河流GB50179—93《流量测验规范》和GBJ138—90《水位观测标准》以及行业标准SL195—97《水文巡测规范》和SL247—1999《水文资料整编规范》。此外还参加了国家标准河流悬移质GB50159—92《泥沙测验规范》的编制工作。

1998年大水，长江中下游干流流量、水量均较1954年小，而荆江河段和湖北黄石以下江段最高水位远高于1954年，加之20世纪90年代汛期，下荆江城陵矶附近和中游干流九江一带，最高水位多次突破了1990年国务院批准的《长江流域综合利用规划简要报告（1990年修订）》规定的防洪控制水位（已比1954年最高水位有所调增）。为究其原因，从全面搜集整理暴雨洪水组成遭遇、江槽湖盆泥沙淤积和湖泊江滩围垦、大中型水库调蓄、分洪溃口等资料入手，计算洞庭湖、鄱阳湖和干流河槽的容积变化，分析论证水位流量关系特性，用水文学、水力学方法复演1954年和1998年洪流和水位过程，逐项定量分析主要因素对抬高水位的作用，分析江湖槽蓄、人类活动和分洪溃口对长系列水文过程的影响，进行总入流时段洪量频率计算，估计1954年和1998年洪水重现期，旁证现行堤防控制水位的频率。为深入分析洪水不确定性对防洪安全设计的影响，从理论上、方法上研究洪水特征偏态分布情况下的经验频率公式和权函数适线准则。同时，根据风险分析理论，探索三峡工程、中下游防洪和南水北调总干渠的洪水风险。

水库泥沙和中下游河道演变是工程设计、运行和流域防洪安全中的重大课题，在国家科委统一安排下，对三峡来水来沙条件变化、泥沙系列代表性、三峡以上水库群拦沙对三峡水库拦沙的作用，以及宜昌泥沙变化趋势预测等课题作专门研究，为三峡工程设计中所依据的水文泥沙基础提供了科学论证。并对葛洲坝、丹江口等工程的来水来沙时空分布，水库和坝区冲淤，以及中下游河床演变，开展了较为系统、全面的观测分析研究。同时，在引进、消化、吸收国外测报自动化技术的基础上，实验研究信息自动采集、远传和存贮技术，设计和建设水情自动测报系统，并纳入水文计算规范作为工程安全和运行调度的非工程措施。

这一时期的工作，一方面提高了水文泥沙测验和水文分析研究水平，提供了较多工程项目水文计算和水资源论证成果，以满足流域规划和工程设计要求，客观地回答社会公众关注的长江洪水问题；另一方面在采用或创建新理论、新技术方面取得了一些突破性成果，为改进水文计算方法和更新国家和行业有关规程、规范提供了重要例证，使长江水文进入国际先进行列。