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1、工程水文水利计算中 水文气象学应用实践回顾 高治定（黄河勘测规划设计有限公司 规划研究院）摘 要40 多年来，黄河设计公司与一些科研单位、高等院校、气象部门多次合作，围绕流域规划与水利工程规划设计、应用与管理中有关水文分析与计算需要，开展了水文气象学应用研究。涉及历史雨洪基本规律、设计条件下暴雨洪水基本规律与计算方法研究、南水北调规划研究、河道与工程凌汛规律与计算方法研究以及区域水文气候环境综合研究等方面近30项成果。在气象学分支学科应用方面、探讨应用水文学问题方面，以及相应研究思路、方法上均取得一定的发展并有所创新。关键词 水文水利计算 水文气象学 天气学 气候学 古气候学 1 前言黄河设计
2、公司规划研究院系统开展流域规划和工程设计中水文水利计算工作至今已有60 年历史。20 世纪 70 年代初期，与河海大学水文系和河南省气象局合作，开展了黄河三花间可能最大暴雨洪水研究。这是我院在工程水文水利计算中首次比较系统、全面推广水文气象学方法在工程水文水利计算实践中的运用研究。之后，多年来陆续与有关高等院校、科研部门、生产单位多次合作，结合流域规划治理、工程设计、应用与管理等生产实践中需要，综合运用水文、气象学原理与方法，并且在运用方面、运用方法及分析技术等方面有所创新，取得一批实用性成果。现状下，规划研究院已走向企业化，涉及工作范围不仅已介入其它河流水利规划与工程设计，而且也进入国外一些
3、大型水利工程设计领域；在黄河流域规划、治理与工程设计计算传统领域内面临一些新的课题，如水资源合理运用与大型水利工程防洪、防凌调度运用问题研究；另外，流域经济发展，人口增加，城市化进程加快，对河道治理、流域防洪等方面提出了新的要求，现又面临气候回暖变化对流域规划修编影响等问题。因此，为有效利用以往在这个领域取得的经验与成果，促进工程水文计算工作继续发展，有必要对以往规划研究院在流域规划、治理与管理及工程设计计算中，有关水文气象学运用技术与成果，做一较系统、全面、扼要整理与介绍，有关水文气象学一些基本概念及其延伸应用发展做简要回顾。2 工程水文计算中开展的水文气象学应用研究开展情况概述2.1 水文
4、气象学研究发展情况简要回顾规划研究院水文室在上世纪60 年代前后，结合流域规划与工程设计洪水分析计算的需要，开展了一些相关性的基础研究，一是历史洪水调查，二是开展了实测暴雨洪水基本规律的分析、研究，三是大量收集、整理明、清以来有关黄河水情、雨情、灾情等历史文献资料。这个时期总结了黄河花园口洪水的基本规律，基本认识有：“洪水的三个来源区，洪水的三个基本类型”。所谓洪水“三个来源区”系指河龙区间、龙三区间和三花区间；“三种洪水类型”，即一是“上大型”，三门峡以上来水为主，构成花园口大洪水型，二是“下大型”，以三花区间来水为主，构成花园口大洪水，三是“上下均大型”，及三门峡上下均有洪水形成，构成花园
5、口较大洪水。至今，这个基本认识，仍是指导我们分析计算工作的基本原则。随着实测、历史雨、水、灾情资料收集，如何进一步发挥这些资料来推动工程水文计算水平，是当时参与工作人员面临的一个问题。为此，首先对黄河中游实测重要降雨过程资料进行了初步分析，提出黄河中游东西向、东北西南向和南北向三类基本雨型认识，这在沟通三类洪水形成类型认识上前进了一步。从学科研究角度看，这个雨型归纳，也是当时我国天气学研究的一个内容，故这个分析也可以认为是水文学与气象学的一次结合尝试。从 20 世纪 70年代初期，结合三花间可能最大暴雨研究展开，水文气象学运用研究得到较快发展。近40 年来，结合生产需要，与中科院一些科研所、青
6、海省、甘肃省、陕西省、内蒙古自治区及河南省气象局、河海大学、成都工学院等部门多次合作，在结合流域规划与工程水文计算需要，开展了相关水文气象领域研究。主要成果有：黄河流域规划与设计有关历史雨洪、凌洪基本规律研究、流域规划与大型水利水电工程设计条件下极端雨洪、凌洪规律研究、工程设计、施工所涉及的气候学指标、跨流域大型调水工程设计、施工、管理所涉及区域气候环境条件综合研究等。现分类概要介绍水文气象学应用研究成果。2.2 历史雨洪基本规律研究包含黄河上中下游实测区域性暴雨、强连阴雨分类与面雨量定性、定量指标统计分析计算、暴雨与强连阴雨成因的天气学研究，初步总结了黄河中游区域性大暴雨天气学条件；比较系统
7、总结了近500 年来历史文献中有关雨、洪、灾情文献记载，总结了历史调查洪水成果成因规律，并与现代雨洪规律分析综合，加强了黄河上中游极值洪水基本规律认识，例如利用黄河三花间1761年、河口镇与三门峡区间1843年历史特大洪水调查成果、相应历史文献中有关雨情、灾情记载资料综合，再利用实测暴雨及相应现代天气学分析，对河三区间与三花区间特大洪水不相遭遇的气象成因进行了专题研究，为防洪规划提供了重要依据；对黄河中游近50年来区域性暴雨过程面雨量进行了全面统计、分析，归纳了汛期所有降雨过程不同历时、不同等级面雨量系列，研究其年际、年代际演变规律，为区分人类活动及暴雨规律变化对黄河中游分区、分期洪水变化提供
8、了可靠依据；利用清代三门峡水尺志桩资料，统计分析其与河口镇三门峡区间洪水大小关系，结合三门峡实测洪水与区域性暴雨规律的关系研究，综合确定了17321990 年河三区间年暴雨等级指标系列，用于研究该区间区域性暴雨长期演变规律，这是一种将以水文学信息指标为基础，综合转化为反映区域性暴雨年际变化规律的气候学指标。这在学科交叉应用上是一种创新尝试。2.3 设计条件下极端雨洪规律与计算方法研究主要就是围绕可能最大暴雨洪水所开展的研究。这项研究工作主要有：上世纪70 年代初期与华东水利学院、河南省气象局合作，开展以研究三花间可能最大暴雨洪水为中心的研究，主要内容是利用黄河三花间实测暴雨洪水资料，结合海河、
9、淮河、长江有关大暴雨洪水资料，以及相关暴雨期气象资料，首先在研究、引进美国可能最大暴雨计算原理与方法上，就暴雨水汽、效率放大原理、方法、指标计算进行了较全面、系统研究，并就当地暴雨放大、暴雨组合、暴雨移置具体方案开展研究，取得初步成果；之后，又再次与华东水利学院合作，就暴雨移置地形雨分析、计算开展了较系统研究，提出了天气系统移位改正计算，并在黄河三花间、淮河的有关流域与工程PMP 计算中取得较好效果，利用这些成果，在 20 世纪 80 年代又陆续开展“778”乌审旗特大暴雨移置可能性范围研究，开展了三门峡、龙门、陆浑、故县、小浪底水库工程PMP 研究。由此，我们在这方面研究上，首次提出可能最大
10、暴雨定性特征估计内容，以及计算经验得到普遍认可。由此，利用我们的经验与认识，受水利电力部委托，承担了可能最大暴雨洪水规范编制，本世纪初，又受联合国水文气象组织委托，承担了可能最大暴雨计算手册第三版编制，将我国可能最大暴雨基本经验介绍至国外。2.4 南水北调西线工程规划研究中水文气象学运用研究水文室在 20 世纪 80年代后期才开始较全面参与南水北调西线工程超前期规划研究，至90 年代后基本结束，本世纪初开展南水北调一期工程规划研究，至今已有20 余年。为工程水文分析计算需要，先后与四川省、青海省、甘肃省气象局合作，结合工程气候环境特点，以及径流、洪水规律分析，开展了一些初步气象、气候分析，初步
11、总结了西线调水工程气候环境特点，重点讨论冬季引水的有利、不利的水文气候环境条件，为引水期与引水方案选择提供一些建议，提供引水坝址设计年径流、设计洪水初步成果。90 年代后期至本世纪初几年中，先后两次与中科院寒旱所合作，以他们为主，针对高寒地区水文气候环境特点，开展了产流模型研究，进一步论证了坝址设计年径流成果，并就长江调水河段与黄河源区径流丰枯气象、气候变化规律进行了较全面分析研究，为工程规模及运用方式研究，提供必要依据。初步探讨了未来气候回暖变化对调水河段设计年径流量的可能影响程度。2.5 河道与水利工程的凌汛问题中水文气象学研究江河与工程凌汛问题是我国北方严寒地区存在的一个水文现象，与气候
12、环境条件有密切关系。在这类水文水利计算中，气候条件是作为凌汛形成的热力条件来看待的，气温则是其中一个最常用的指标。近30 年来，结合黄河一些大型水利工程库尾及对下游河道凌汛影响、江河堤防防凌汛设计、南水北调西线工程冬季引水问题，以及本世纪处，受水利部委托，开展了工程凌汛计算规范的编制，就此展开一些水文气象结合专项研究。这类研究从对工程所涉及的河段冰情与凌汛规律影响为出发点，主要研究河道（或相似河道）历史上冬季影响冰情的几种基本气候条件（不同典型年、典型年段），分析这些类型气候条件下（需要结合动力条件与河道边界条件），对工程所涉及河段冰情与可能形成的凌汛问题影响进行分析计算。另外，工程类型不同，
13、还直接影响到应用的气象条件不同，也直接影响到气象与水文结合内容有所不同。这主要有两种基本类型：一是以水库、堤防为代表的水利工程凌汛问题。这类工程凌汛主要发生在冬季较严寒，且沿河气温分布是“上暖下冷”河流上，故研究沿河有关气象因子时空变化，是涉及江河与工程凌汛形成的热力条件主要内容，一般用气温指标来表达，包含河段沿程日平均气温稳定在零下的最早、最晚时间，日平均负气温、日最高、最低气温等指标。这类指标常取自沿河气象台站气候统计资料，如有同期沿河水文站气温观测资料，需注意来自两个系统资料不同年代观测方法不同（测次。场地设置）对资料代表性、一致性的影响。在分析计算中，利用其沿程气温转负时间差别反映封、
14、开河基本规律，为可能形成的凌汛形势提供分析依据；多利用累积负气温指标反映严寒程度，与形成凌汛灾害的流凌量、冰量建立一定统计关系。另外，在一些河流如新疆伊犁河流域研究水利工程与河道凌汛影响时，注意到下游河道凌汛灾害往往出现在最严寒季节，这与自蒙古强冷空气通过东西向的天山山脉南下时，造成的一种逆温效应，导致河谷气温较高山坡地低得多，可能引起山坡积雪融化，为下游河段冰坝形成提供了一定动力条件有关。目前，因观测资料限制，对此尚处于推测认识。另一类是明渠引水工程的凌汛问题。这类工程相当于新开河道。故一般可借用相近地区、流向基本一致，水量规模大致相当的天然河道凌汛问题做一初估。但还需要通过渠道沿程冬季热力
15、条件分析计算，结合渠道布局与有关设计条件，对沿程冰情及可能发生的凌汛做出估计，为采取必要措施来控制与避免凌汛灾害提供依据。这类工程有关气象学应用问题，主要是渠道沿程与环境热交换计算。目前，主要采用苏联研究一套严寒地区河流（明渠）水体与环境（大气、土壤）热平衡交换计算半经验、半理论公式来处理，需要利用的气象要素资料包含冰期太阳辐射、气温、云量、水气压、风速、降水量等。这类研究中水文气象结合特点，主要是合理、有效、充分利用天气与气候指标，作为基本参数，融合于具体水文分析计算方法中，来具体回答水文学问题。2.6 黄河流域规划与大型水库工程设计中区域水文气候环境条件综合研究几十年来涉及流域规划与工程设
16、计中有关水文水利计算问题，针对区域气候环境进行了综合研究，主要有4 个方面研究成果。一是20 世纪 80 年代中期开展的三门峡小气候影响评价；二是后续开展的陆浑、故县分期洪水研究；三是三门峡、兰州近500 年年径流量插补系列及河三区间近270年区域性暴雨等级指标建立研究；四是围绕古洪水取样如何保持与现代洪水“一致性”的取样时间控制问题研究等。在这些问题研究中水文气象学应用研究一些主要特点总体看有：其一，涉及空间尺度、时间尺度变化大，其中有关三门峡水库库区小气候影响研究仅涉及库区百十平方公里气候变化问题，陆浑、故县水库分期洪水分析研究，涉及水库控制的流域几千平方公里范围气候问题、黄河上游唐乃亥以上地区气候变化对径流影响研究则涉及十多万平方公里气候变化问题，这些均针对年代际时间尺度来研究水文气候环境变化影响问题，而黄河上中游近几百年来年径流量系列建立与演变规律研究、河三区间近270年来区域性暴雨等级指标建立与分析则研究时间尺度范围扩展到近几百年间，至于古洪水取样年代气候控制条件研究则更是以晚全新世为时间背景，来讨论水文气候环境条件问题；其二，这些研究题目虽紧密结合生产实际，但在开展初期，具
