丁雪松
河北天和咨询有限公司?河北石家庄 050021
摘要：设计洪水是确定水利工程建设规模及制定运行管理策略的重要依据。为更好地提升设计洪水计算效能，有效满足水利工程防洪设计与日常管理的相关要求，文章从实际出发，通过探讨设计洪水计算方法的优化与完善，不断提升设计洪水计算结果的精准性，切实满足现阶段水利工程规划、设计、施工的相关要求。
关键词：设计洪水 ；洪水频率分析 ；多变量概率分布；不确定性
1.背景
设计洪水研究已有近百年历史，从初期简单分析计算发展到目前含有丰富内容的研究与实践，但是仍存在不少需要继续深入探讨的问题。本文在综述比较国内外设计洪水计算方法的基础上，重点回顾我国近年来的主要研究进展，分析讨论存在的主要不足，同时归纳梳理设计洪水研究的几个前沿与热点问题，并展望我国设计洪水研究趋势。
2.设计洪水研究的发展现状
目前国内外与工程设计联系比较紧密的设计洪水研究成果主要包括抽样方法、分布线型、经验频率公式、参数估计、设计洪水过程线、分区设计洪水、PMP/PMF洪水计算等。
2.1洪水抽样
洪水抽样包括年最大法、超定量法两种方式，其中年最大法目前在我国应用范围较广，是主流的设计洪水计算方式之一。但是这种方法对于样本数据的处理成效不佳，发生数据误差的机率较大。超定量法在欧美国家的使用频率较高，其与年最大法相比，可以有效控制洪水信息的使用量，减少数据误差，保证数据的真实性、有效性。但是超定量法对于门限值精准度较高，研究人员需要耗费大量的时间、精力，超定量洪峰数据的分析，但是相关数据记录相对较少，因此往往计算周期较长，影响了实用性。因此，超定量抽样尚未纳入各国的计算规范。
2.2分布线型
分布线型法本质上是对水文频率的评估与分析。在分析过程中，不仅要对设计过程中已经涉及到的数据进行彻底评估，还需要结合防洪需求以及水利工程的类别，对研究数据的范畴进行适当的外延，逐步形成水文频率曲线。研究人员通过生成的水文频率分布曲线，洪水相关数据以更为直观的方式呈现出来。
我国经过多年分析比较，发现P-Ⅲ型分布对于我国大部分河流的水文资料 拟合较好，因此国内频率分析曲线一般选择P-Ⅲ型。
2.3经验频率公式和参数估计方法
现阶段我国采用数学期望公式作为经验频率计算方法至今，该方法理论基础充足，且与其他公式相比，偏于安全。
参数估计方法目前有矩法、权函数法，其中矩法是参数估计最简单的方法，又分为概率权重矩法、线性矩法等。
适线法包括经验(目估)适线法和优化适线法两类。经验适线法虽然能灵活地综合各类信息，但拟合度缺乏客观标准，具有较大的任意性；优化适线法在给定经验频率公式和适线准则的条件下，则可相对客观地给出偏态系数和变差系数的估计值。
2.4设计洪水过程线
现阶段我国在设计洪水计算的过程中，为了更好地实现对区域洪水过程线的计算，往往借助于同倍比、同频率等方式，将典型的洪水过程进行放大，从而进行规律的总结与应用。这种设计洪水的计算方式，可以较为简洁且典型地反映出洪水发生过程中的洪峰、洪水量的情况，但是无法将二者进行同时的计算与评估。这种局限性，无疑影响了设计洪水过程线的使用价值。
2.5区域设计洪水
区域洪水分析法作为一种新的计算路径，其主要目的在于通过相应的算法，来提升计算结果的精确程度。
例如英国在设计洪水计算的过程中，采用区域洪水分析法，开展相应的设计洪水计算，这种计算方式的优势在于，能够充分利用两个临近测算点的相关信息，实现信息的相互佐证，从而避免了单一样本数据对于整个计算结果准确度的影响，提升了设计洪水计算结果的实用性。区域洪水分析法在欧美国家得到了广泛的应用，并取得了较好地实践成效。
此外，对于高风险工程，还采用PMP/PMF方法进行洪水分析比较，但由于笔者从事工程设计实践经验涉足甚少，本次便不细述。
3.设计洪水计算方法研究热点及趋势
近年来，总结国内外设计洪水前沿与热点问题归纳为如下四方面：(1)多变量设计洪水计算；(2)非一致性洪水频率分析；(3)基于水文物理机制的洪水频率分析；(4)设计洪水不确定性研究。现分别叙述如下：
3.1多变量设计洪水计算
从实际情况来看，洪水事件往往是由多种因素共同促成的随机事件，因此在设计洪水计算过程中，需要对多个数据进行联合计算，才能够完整描述洪水因素之间的关系。多变量设计洪水计算方法，在很大程度上，借助于Copula函数，对多变量进行联合分布评估，考虑到多变的信息处理难度以及计算过程中产生的不确定性，在计算过程中，应当对多种洪峰、洪水流量组合进行归集处理，形成一条等值线，这种处理方式，可以有效排除设计洪水计算过程中重现期、条件概率的影响，实现对洪水诱发因素的全面评估。
3.2非一致性洪水频率分析
非一致性洪水频率分析有效的拓宽了洪水频率分析的范围，实现对原有洪水频率计算方法的优化。其核心在于，通过Mann-Kendall等非参数方法，对独立的随机要素进行检验，例如我国谢平教授提出的水文变异诊断系统，其依托的就是非一致性洪水频率分析方法，对洪水诱发因素进行了随机的分布假设，使得整个计算结果更加可靠、准确。
3.3水文物理机制的洪水频率分析
由于环境的变化导致过往实际测得的水文资料难以真正反映出洪水变化规律，为应对这种情况，可以将水文物理机制引入到设计洪水计算活动之中，在这种框架下，能够将洪水频率曲线中的降水模型、气候模型以及环境因素进行客观的分析以及综合，并且借助于解析解推导的方式，实现对洪水频率曲线的科学应用，强化对数据的分析、应用能力，增强了对各类洪水诱发因素的评估能力，为防洪参数的获取提供了支撑。。
3.4洪水不确定研究
单变量推求设计洪水包括样本抽样、线型选取和参数估计等3个方面的内容。前述三者均存在不确定性，因此如何定量评价这些不确定性，并应用到实际工作，具有重要意义。
从已有的研究来看，线型选择和参数估计的不确定性研究主要是基于贝叶斯理论，而样本不确定性一般通过经验安全系数法近似考虑。现有不确定性分析研究主要针对一个或两个方面，急需建立同时考虑三类不确定性的不确定性综合评价方法。多变量情形下除了涉及边缘分布的不确定性外，还要考虑相关性结构(Copula函数)类型及其参数估计的不确定性。边缘分布的不确定性分析本质上就是单变量不确定性问题，因此多变量设计洪水不确定性研究的核心是copula函数的不确定性及其两者不确定性的耦合技术，国外目前基于多变量求解的研究仍处于初级阶段，而相关研究国内暂时没有出现。因此三变量乃至更高维数变量的设计洪水不确定分析方法是难点，也是设计洪水的重要研究方向。
结语
设计洪水计算是优化水利工程规划、设计和施工方案的重要参考。如何在现有洪水计算研究成果上结合实践进一步优化计算方法，提升计算精度是水利研究的重要课题。文章总结现有的设计洪水计算经验，并结合我国的实际，探讨设计洪水计算方法的发展方向，提出设计洪水计算的研究和优化方向。
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