[科普中國]-設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)水位指的是與設(shè)計(jì)流量相對(duì)應(yīng)的水位。當(dāng)計(jì)入浪高及壅水影響時(shí)稱計(jì)算水位。

簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)水位相應(yīng)于設(shè)計(jì)洪水頻率的洪峰流量水位，即設(shè)計(jì)流量的水位。用標(biāo)高表示設(shè)計(jì)水位的高低，以米（m）計(jì)。河流的流量隨水位而變化，表明水位與流量之間有密切關(guān)系，在橋涵水文計(jì)算中，常利用它們的關(guān)系來推求某一設(shè)計(jì)水位相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量。為此，可在橋位附近選定河床形態(tài)斷面進(jìn)行歷史洪水情況的調(diào)查，調(diào)查歷史洪痕位置、發(fā)生年份，以便確定歷史洪水位和歷史洪水重現(xiàn)期。根據(jù)測(cè)繪的形態(tài)斷面和洪水比降、河床狀況等資料，利用水力學(xué)有關(guān)公式計(jì)算該歷史水位的洪峰流量，以便最后確定所采用的設(shè)計(jì)水位相應(yīng)的橋涵設(shè)計(jì)流量1。

設(shè)計(jì)水位標(biāo)準(zhǔn)潮位是防波堤工程設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的水文條件，它不僅直接影響防波堤標(biāo)高的確定，而且也影響防波堤結(jié)構(gòu)的計(jì)算。防波堤工程的設(shè)計(jì)水位一般包括：設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、校核高水位和校核低水位四種。

設(shè)計(jì)水位是指建筑物在正常使用條件下的高、低水位。對(duì)于海港的設(shè)計(jì)高、低水位，歐美和日本常采用大潮平均高、低潮位；前蘇聯(lián)通常采用潮位歷時(shí)累積頻率（一般稱為保證率）1%和99%的水位；我國海港水文規(guī)范規(guī)定采用高潮（即潮峰）累積頻率10%和低潮（即潮谷）累積頻率90%的水位。以高潮10%（或低潮90%）來看，在總潮次中將有10%潮次的水位比它更高（或更低）。

校核水位是指建筑物在非正常工作條件下的高、低水位。這種水位通常不是由單純的天文因素所造成的，而是由于寒潮或臺(tái)風(fēng)造成的增減水（氣象潮）與天文潮組合而成的。校核高、低水位的出現(xiàn)周期是以幾十年計(jì)的，因此，在這種水位條件下，要求建筑物在各種校核荷載作用下，斷面結(jié)構(gòu)及地基仍具有必要的安全度。防波堤的校核水位，可采用重現(xiàn)期為五十年一遇的高、低潮位。

在防波堤設(shè)計(jì)中，還要考慮施工水位；施工水位與具體工程的施工方法、工作量大小和施工能力等有關(guān)，故無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可大致采用平均水位2。

設(shè)計(jì)水位的推求方法綜合歷時(shí)曲線法歷時(shí)曲線又稱保證率曲線、累積頻率曲線，取每年的逐日平均水位或流量資料，分級(jí)統(tǒng)計(jì)各級(jí)天數(shù)累積的曲線，根據(jù)保證率要求，求出相應(yīng)水位即為保證率水位值；綜合歷時(shí)曲線則以多年的日平均水位或流量分級(jí)統(tǒng)計(jì)各級(jí)天數(shù)累積曲線，根據(jù)保證率要求，求出相應(yīng)水位即為保證率水位值?，F(xiàn)將具體繪制綜合歷時(shí)曲線步驟列出如下：

（1）根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料的年份內(nèi)日平均水位最高最低值的變幅，將水位分為若干級(jí)，航道等級(jí)高則分的細(xì)些，如水位差5、10、20cm為一級(jí)，長(zhǎng)江干流以5cm為一級(jí)，一般河流以10cm為一級(jí)，若采用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)水位分級(jí)可細(xì)分到1cm一級(jí)，統(tǒng)計(jì)逐日平均水位不同級(jí)各出現(xiàn)的次數(shù)。

（2）由高至低逐級(jí)進(jìn)行累積出現(xiàn)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行各級(jí)的保證率累積頻率計(jì)算，保證率為多年逐日平均水位總次數(shù)除各水位級(jí)相應(yīng)的累積出現(xiàn)次數(shù)（以%表示）。

（3）以水位為縱坐標(biāo)，保證率為橫坐標(biāo)，在方格紙上把各保證率值點(diǎn)于相應(yīng)于水位級(jí)的下限處，連接各點(diǎn)即成水位歷時(shí)曲線，歷時(shí)曲線統(tǒng)計(jì)可列表計(jì)算3。

保證率頻率法由歷時(shí)曲線法及頻率分析兩部分構(gòu)成。計(jì)算步驟如下：

（1）將每年逐日平均水位或流量資料，按歷時(shí)曲線法分別繪制每年的日平均水位或流量歷時(shí)曲線；

（2）根據(jù)航道等級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定保證率和頻率；

（3）根據(jù)航道等級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分別從各年的歷時(shí)曲線上，選取各年相應(yīng)的保證率的水位或流量；

（4）用經(jīng)驗(yàn)頻率公式繪制經(jīng)驗(yàn)頻率曲線；

（5）將選取的水位（流量）作樣本，按頻率分析方法進(jìn)行理論頻率計(jì)算，繪制理論頻率曲線，并與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線適線；

（6）根據(jù)航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的重現(xiàn)期，從頻率曲線中查得相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位（流量）3。

設(shè)計(jì)水位的調(diào)整1.由于河床演變以及長(zhǎng)期的水文氣象變化，或者使同流量條件下的水位產(chǎn)生變化，或者使流量同時(shí)發(fā)生變化，因此，隔一定年限要重新計(jì)算調(diào)整設(shè)計(jì)水位值。

2.人類活動(dòng)，如筑壩、渠化、整治、裁彎取直、挖沙等，均會(huì)引起設(shè)計(jì)水位產(chǎn)生較大變化，要做相應(yīng)調(diào)整。尤其上游大壩蓄水后改變了水沙過程，影響更大，一般情況下是壩上淤積、水位抬高，壩下沖刷下切，不斷改變水位流量關(guān)系。由于水電站泄水影響，設(shè)計(jì)水位往往需根據(jù)電站下泄基荷流量來確定設(shè)計(jì)流量，再推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位。

3.全河整治，各灘、站的設(shè)計(jì)水位必須同步，以滿足全線暢通，設(shè)計(jì)水位如有出入也要進(jìn)行調(diào)整3。

設(shè)計(jì)水位的確定方法河流中規(guī)定可以正常通航的最低水位，即航道標(biāo)準(zhǔn)尺度的起算水位，稱為設(shè)計(jì)最低通航水位；規(guī)定可以正常通航的最高水位，控制橋、閘跨河建筑物凈高的水位，稱為設(shè)計(jì)最高通航水位。設(shè)計(jì)最低通航水位，一般簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)水位，有的河流常稱航行基準(zhǔn)面或航行零水位。確定各淺灘的設(shè)計(jì)水位，首先必須確定基本水位站及其控制的河段，其次推求基本站設(shè)計(jì)水位，最后相關(guān)到各淺灘上求出淺灘的設(shè)計(jì)水位。

選擇基本站及控制河段的原則：1.基本站與淺灘間沒有攔河閘壩，兩者的水位漲落幅度和水面縱比降大致相近；2.無較大的支流匯入，也沒有較大的引水工程，流量一致；3.具有連續(xù)多年實(shí)測(cè)可靠的水位（流量）資料并能換算為統(tǒng)一的水準(zhǔn)基面，一般要具有15～20年以上的資料系列，而在這期間沒有大的人工改造河道的工程影響。

排澇設(shè)計(jì)水位通過設(shè)計(jì)排澇流量時(shí)相應(yīng)排水溝的水位。是排水工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。在排澇區(qū)內(nèi)選擇位置較低的地點(diǎn)作為參考點(diǎn)（又稱控制點(diǎn)），根據(jù)參考點(diǎn)的地面高程和排水溝的比降由田間向容泄區(qū)逐級(jí)推算而得。在自流排水條件下，排水干溝出口處的排澇水位應(yīng)高于容泄區(qū)的水位4。

航道設(shè)計(jì)水位航道設(shè)計(jì)水位是設(shè)計(jì)航道尺度的基準(zhǔn)水面高程。它是航道建設(shè)規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、施工的基本依據(jù)。根據(jù)需要，有各種不同用途的設(shè)計(jì)水位，但主要有設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位兩種，前者主要控制水面以上建筑物高程如凈空、堤岸頂高等；后者主要控制水面以下尺度如航道水深、航道底寬等。某一設(shè)計(jì)水位的取值，是在綜合考慮了航道等級(jí)、運(yùn)輸任務(wù)、當(dāng)?shù)刈匀粭l件、水流情況和工程量等因素后，經(jīng)水文分析、計(jì)算而得出的5。

航道設(shè)計(jì)水位是在某一航道上保證船舶正常通航的水位。分為設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位。它是航道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基本依據(jù)，關(guān)系到航道尺度的保證程度、航道工程的規(guī)模大小以及航道維護(hù)的方法和維護(hù)工程量，而且對(duì)公路、鐵路、橋梁等工程的建設(shè)有一定的影響6。

渠道設(shè)計(jì)水位渠道輸送設(shè)計(jì)流量時(shí)相應(yīng)的水位。根據(jù)灌溉面積的地面高程、渠道的比降和長(zhǎng)度、建筑物水頭損失等因素計(jì)算確定。是設(shè)計(jì)渠道和渠道建筑物的重要依據(jù)7。

灌溉渠道設(shè)計(jì)水位：保證渠道所控制的灌溉面積都能進(jìn)行自流灌溉的水位。各級(jí)渠道在分水點(diǎn)處都應(yīng)具有足夠的水位高程。各分水口的水位控制高程是根據(jù)灌區(qū)地面高程加上渠道沿程水頭損失以及渠水通過各種建筑物的局部水頭損失，由下而上逐級(jí)推算得出8。

堤防設(shè)計(jì)水位堤防設(shè)計(jì)水位是決定堤頂高程的設(shè)計(jì)水位。與洪水流量、河道斷面、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。堤頂高程等于設(shè)計(jì)洪水位、安全超高及風(fēng)浪爬高的總和8。

河道整治設(shè)計(jì)水位河道整治設(shè)計(jì)水位是為實(shí)現(xiàn)河道治理目標(biāo)而選定的特征水面高程。如為筑堤防洪選定堤頂高程，有堤防設(shè)計(jì)水位；為確保最小通航水深選定最低通航水位；為限定跨河建筑物的最低高度，選定最高通航水位，以確保過船安全的最小水上凈空。所有這些選擇都必須根據(jù)水文資料使用保證率方法進(jìn)行分析比較，合理地選定各種設(shè)計(jì)水位，供工程設(shè)計(jì)時(shí)作為基本依據(jù)。

船閘設(shè)計(jì)水位船閘設(shè)計(jì)水位是船閘設(shè)計(jì)所采用的上、下游水位和它們的相應(yīng)組合。包括船閘上、下游設(shè)計(jì)最高、最低通航水位；船閘上、下游設(shè)計(jì)最高水位；船閘檢修水位以及這幾種水位中可能的不利組合水位等；是船閘輸水系統(tǒng)布置和選型、船閘高程確定以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的基本數(shù)據(jù)。船閘設(shè)計(jì)最高、最低通航水位一般根據(jù)航運(yùn)要求、航道和船閘的級(jí)別、航道條件和水文特征、兩岸條件和有關(guān)部門的要求等因素進(jìn)行綜合研究，采取相應(yīng)的洪水頻率和低水位的通航保證率標(biāo)準(zhǔn)確定。至于船閘上游設(shè)計(jì)最高水位則按船閘所在樞紐的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)確定6。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)