水利工程水文计算方法探讨

摘要：水文计算对国家的建设发展起着重要的作用，它可以帮助建设一些水电站和水库。本文将对水利工程水文计算方法进行探讨，致力于更好地对水文情势进行分析，进而更好地发展我国的水利事业。　

因为水文工程的利用时间一般较长，能达到几十年甚至上百年，所以按目前的水文预报分析来预测水文情势是很不容易的，况且如今水文分析还处于发展阶段，仍处于探索时期，各方面发展都很不完善，而水文计算方法也有很多种，没有具体规定使用哪一种，所以计算方法是各有不同的。本文就常用的水文计算方法讨论，预测可能的水文情势。 　　

1 实例分析 　　

该例子取自温州市的一段水利工程，是为瓯江的堤坝进行加固的工作，河长379.93km；流域面积18168.75km2。瓯江青田段长82.6km，落差30.1m，河宽200-400m。因温州古称瓯而得名，发源于浙江省庆元、龙泉两县市交界的百山祖锅帽尖。 　　

2 水文资料收集分析 　　

在水利工程中，水文资料可以提供一些数据便于分析在施工过程中可能出现的水文情势，避免产生损失。 　　水文资料收集形式有很多种，但其主要内容要符合规划标准需求，符合各种规划标准的洪水洪峰流量、冰期冰清、规划雨量等。 　　

3 演化计算的主要分支以及基本特征 　　

演化计算的组成部分可以列为遗传算法、演化算法以及规划与遗传程序设计几方面的内容。它们虽然在实现的方法上有所不同，但是它们的本质确实相同的，都遵守着竞争的原则。这几年，因为各种算法也有混合部分，所以它们之间的界限也变得不清楚起来，于是新的一种计算方法――演化计算就产生了。 　　3.1 遗传算法 　在上世纪60年代左右，在生物系统进化机制的基础上，JohnHolland教授提出了一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化的自适应概率化技术――遗传算法（GeneticAlgorithm，简称“GA”），随后，经过不懈地探索，发展了多种遗传算子，并于1975年出版了第一本阐述遗传算法和人工自适应系统的著作《Adaptationin Naturaland Artificial Systems》。自此之后，DeJong、Goldberg Davis、Krishnakumar等学者逐步完善遗传算法，并逐渐将其应用于大规模计算、工程等领域中，取得了很好的效果。 　　3.2 演化规划 　　上世纪六十年代，L.J.Fogel等提出演化规划（Evolutionary Programming）。它最初是一种尝试，是通过已经存在或者发生的事来对还没有发生的事进行预测。 　3.3 遗传程序设计 　　由美国Standford大学的J.R.Koza在九十年代初创立，并于1992年出版专著《Genetic Programming》。发展为遗传算法的一支，是利用生物进化中的思想去搜索一个可用计算机程序实现的结构空间，以此实现程序自动化设计。 　　3.4 演化计算的几点基本特征 　　3.4.1 智能性 　　演化算法是在在确定了编码方案、适应值计算方法及遗传算子之后而进行自动搜索的，而且适应值大的个体具有较高生存概率。生存概率高的个体，再通过基因突变等算法产生与环境更适应的后代。 　　3.4.2 本质并行性 　　演化计算的并行性主要体现在内在并行（inherentparallelism）和内含并行性（implicitparallelism）两个方面。内在并行，即多台计算机独立采用演化算法进行计算，计算过程不需要相互干涉；内含并行性，即运用成千上万台计算机，采用种群的方式对求解空间的不同区域共同组织搜索，从而大大提高计算搜索效率。 　　3.4.3 全局优化 　　传统的优化计算方法很容易落入局部最优解区域。而演化计算能在多个解空间区域内同时组织搜索；且能以较快速度跳出局部最优解区域，从而找出该问题的全局最优解。 　　通过上述对演化计算的方法和基本特征进行简要的论述，可以得出下文中即将要用到的矩阵计算公式。 　　

4 设计洪水计算 　　

鉴于本工程处于瓯江水文站上游，两者相距约 5km，本工程下游段位置控制集水面积为 1190km2，下游瓯江水文站站址控制集水面积为1278 km2，两者集水面积相差不到 7%，仅有 6.8%，因为，两条河流的情况比较类似，所以此工程的计量方法是水文比拟法进行计算。瓯江水文站建站流量资料总共有 28 年，之后根据站网功能的调节，自从 1992 年停测流量，不过因为瓯江的流量与水位的变化都很小，所以一定能综合整理出一条单一的曲线。还因为瓯江站的各方面资料比较齐全，所以，可以直接用来计算洪水量，频率洪水的统计参数就用矩形公式进行计算。另外，根据工程实际需要，本工程为4级堤围，设计洪水为 20 年一遇洪水，所以设计洪水为P=5%。最后此次工程从65年到09年44年间的最高水位情况以及最大流量对洪水进行估算。   　　 　　4.1 设计洪水计算 　　用白候站从65年到09年44年间的最高水位情况和最大流量，以及大洪水情况下的洪峰对洪水发生频率进行计算。并且用矩形公式进行计算，在根据适线进行调试。 　　特大洪水：Pm=■（m=1，2，∧，a）； 　　实测洪水：Pm=■（1-■）■ 　　Q=■[■Qi+■■Qi]，CV=■■ 　　如公式所示，其中N代表洪水期的重现期，n代表实际上测量得出的数据，a表示值比较大的数字，M是数值较大的数的顺序排列，m则表示在实际中测量得出的数据。 　　最终得出的计算结果，可看图1。 　　4.2 针对工程所在地设计洪水计算 　　Q1/Q2=（F1/F2）2/3 　　Q1表示洪峰的流量，Q2表示施工地的洪峰量，F1表示水文站集水面积，F2表示工程地集水面积。利用以上说的水文站以及施工地的集水面积和洪峰流量，制作表格，然后用线把坐标轴上的数据进行连接，就可以得出最大流量，接着，按施工的具体要求计算工程第最大流量的发生率。得出结果后将施工环境及施工强度和质量等因素考虑入内，则可对工期进行断定。 　　4.3 规划洪水校核 　　因为温州市出于浙江地区，所以查阅浙江省的暴雨径流的记录，可以得出，工程地属于韩江的第I区，应该根据瓯江地区的洪水处理方式处理此工程地。暴雨低区的定点定面关系（αt ～ t～ F）、内陆产流参数、浙江省综合单位线滞时 m1～θ关系图中的 B 线；集水面积大于 500km2，采用浙江省综合单位线Ⅲ号无因次单位线 ui～xi。根据工程初步设计报告（1998年），原设计洪水采用《浙江省水文图集》“小汇水面积设计洪水计算方法”（推理公式法），计算成果摘录见表 1。同时采用电算程序 SU-HM -1A（浙江省综合单位线）和 TL -1A（推理公式法）进行计算，计算结果，见表 2。由以上计算成果可知，在设计情况下，现复核计算比原设计成果大 289.60m3/s。由于浙江省综合单位线方法分析使用的资料基础稍好于推理公式法，而用实测洪峰验证，精度也比推理公式法高。因此，在2种方法经过合理协调，使设计洪峰流量比较接近以后，采用浙江省综合单位线方法的计算成果。 　　

5 建议 　　

为了水文工作的进一步发展，相关水文科技工作人员还应该继续在工程水位方面的研究工作上努力，下文为具体内容的归结。 　　5.1 应该对流域下垫面对水文的影响进行研究 　　根据研究可知，实际上影响水文现象的主要与气候与流域下垫面两方面有关，因为气候的变化比较小，年与年之间的变化规律几乎一样，几十甚至几百年才有较大的变化；但是，流域下垫面是不同的，流域下垫面的变化比较大，并且变化迅速，所以流域下垫面的变化对洪峰、流量、水位的影响更为显著，所以相关工作者要对这方面进一步进行研究。 　　5.2 根据城市的水位变化提出相应的计算方法 　　随着我国经济的飞速发展，无论是工业上还是人们的生活上对环境的破坏比较大，导致城市水位上升，工作人员应该针对这一现象，提出容易施行的城市水位测量方法。 　　5.3 根据不同的水文现象采用不同的计算方法 　　因为水利工程在各种地势、环境中进行，所以针对各地水文情况的不同，应该采取不同的计算方法，并且还要不断改善发展计算方法，促进水文测量的合理科学化发展。 　　

6 结束语 　　水文作为水利建设的重点部分，它的科学有序的发展是水文工程科学有序发展的所必要的选择。水文工作良好的发展可以使人们减少生命与财产的损失，所以工作人员应该注重水文工作的开展，对于水文工作要严格把关，努力提高水文工作的质量，为社会的安全、稳定发展做贡献。