第四节　主要研究方法及其进展

基于水量平衡原理的调节计算方法是水利计算的主要研究方法。按照研究的对象和重点，调节计算可分为洪水调节和枯水调节，洪水调节主要解决防洪问题，枯水调节重点解决兴利问题。调节计算过程中必须兼顾工程或规划方案的经济性、安全性和可靠性要求，在研究方法上有传统方法与近代系统分析方法之分。

对于综合利用水利工程，传统调节计算方法在处理多目标问题时往往选择一个主要目标，例如发电为主、灌溉为主、城镇供水为主等，其他次要目标在兴利调节过程中则简化处理，例如对于水量不大但很重要的需水部门，可选择在来水扣除的方法处理（百分之百地满足）。

兴利调节计算，需要供需两方面的信息，径流系列（来水）资料由水文分析计算提供，需水量必须结合国民经济、社会和生态环境保护规模与发展状况确定，在以需定供的水利系统中，一般水利工程建设在解决供需矛盾时，都要求有一定的预见性，需水量不以现状实际用水为基础，而是采用设计水平年的需水为基础，需水预测精度是影响工程经济性和可靠性的重要因素，预测结果偏小，工程很快达到设计供水能力，因而也很快就不能满足受水区域的需水要求，从而使供水保证率下降，工程丧失供水可靠性；反之，预测结果偏大，工程长时间达不到设计效益，建设资金积压，造成经济损失，经济性下降甚至丧失。需水预测是一项十分复杂和困难的工作，目前大都分类预测，根据不同用户的用水特点和需水影响因素采用不同的预测方法，常用的方法有趋势预测、指标（定额）预测、重复利用率提高法、弹性系数法等。

灌溉、城镇供水等只要求水利工程在特定的时间提供特定数量的水量，属于水量调节的范畴。水量调节计算方法可分为时历法和数理统计法两大类。

时历法是先根据实测流量过程逐年逐时段进行调节计算，然后将各年调节后的水利要素值（例如调节流量、水位或库容等）绘制成频率曲线，最后根据设计保证率得出相应水利要素的设计值，简言之，时历法是先调节计算后频率统计的方法。时历法根据资料情况和计算深度要求又有长系列与典型年法之分，长系列对计算结果作频率分析，得到设计值，其保证率概念明确，在条件许可时，是首选之方法。典型年法以来水的频率代替设计保证率，忽略了供需平衡中“过程”组合，由于来水年内分配影响，往往来水的频率与设计保证率不完全一致。

数理统计法则先对原始流量系列进行数理统计分析，将其概化为几个统计特征值，然后再通过数学分析法或图解法进行调节计算，求得设计保证率与水利要素值之间的关系，也就是先频率统计后调节计算的方法。对于多年调节水库设计，数理统计法可以一定程度上克服径流系列不够长，或即使有较长期的水文资料，多年调节中水库蓄满、放空的次数也不够多的缺陷。根据概率组合理论推求水库的供水保证率、水库多年蓄水量变化和弃水情况等，理论上较为完善；数理统计方法采用相对值计算，便于计算成果处理和概括，以及在不同河流上、不同水库间的计算成果的综合或推广应用。为了得到多年调节所必需的连续枯水年的不同组合，实用中常根据历史资料建立随机模型，通过随机试验的方法人工生成足够长的水文系列，供调节计算使用。

水电站水能计算属于水能调节的范畴。水能调节计算比水量调节计算复杂，水能的大小同时受到水量与水头两个因素的共同影响，水能开发的效益还与开发方式以及设备的效率等密切相关。水能计算全过程围绕水量平衡、电力平衡和电量平衡展开，计算方法上，由于水量平衡方程与出力方程组成的方程组无法得到解析解，所以，试算是水能计算中常用的求解方法，在保证出力计算、调度图绘制、多年平均电能计算等许多方面都需要试算，而且根据问题的性质还有顺时序与逆时序的差别。

洪水调节本质上属于水量调节，与兴利水量调节相比，有两点差别：①计算时段变小，洪水调节时段长一般以小时为量级；②在特定的时段调节计算时必须考虑泄流能力的影响。具体求解方法以水量平衡计算和试算为基础，与兴利计算基本相同。

目前水资源的利用愈来愈趋向多单元、多目标发展，规模、范围日益增大。但水资源又不能无限制地满足需求，许多矛盾需要协调，需要整体、综合地考虑。现代意义的水资源规划与管理，已经牵涉到社会和环境问题，故已经不是作为纯粹工程性质的所谓技术科学的一部分，而是在一定程度上已经从工程技术的水平提高到了环境规划的水平。因此现代意义的水资源的开发、利用或水利系统的规划、设计和管理运用，其内容、意义、目标都比传统更为广泛。

近代水资源开发利用综合、整体的观点和策略，引起了水资源研究方法的3个重要进展，即：①产生了多目标优化、矛盾决策的思想原则和求解技术；②流域库群系统整体优化的原则和方法；③大系统分层和分解协调优化技术。

水资源的综合利用，即如何处理在规划和管理的优化决策中多个目标或多个优化准则的问题，这些目标各式各样，多半是不可公度（如发电量和灌溉的农作物产量间），甚至有些是不能定量而只能定性。于是引入系统科学中的多目标规划的理论和方法应用于水资源系统的规划和管理中。

流域或区域范围的水资源问题，往往是一个庞大复杂的系统。例如流域干支流的梯级库群、兴利除害的各种水利水电开发管理目标、地表地下水各种水源的联合共用等。为了使这样的大系统能易于优化求解，利用大系统的分层和分解协调技术常常是非常有利和必要的。

一个流域或地区水资源开发利用的整体性的概念和特性，导致了系统工程和系统分析方法逐渐在水资源领域得到应用和不断发展。系统分析是一种组织管理“各种类型的系统”的规划、研制和使用的具有普遍意义的科学方法。它能更全面深入地进行水资源利用的分析研究，提高水利系统规划、管理的水平和效益。

随着大型水利系统的形成，水质、土地资源、环境质量等问题愈来愈重要，因此，规划水利系统时不仅要着眼工程和水利经济效益，还要考虑对社会和环境的影响，在决策时应充分顾及或协调各方面的合理要求和意见，因而应用系统分析的方法来研究水资源成为水资源开发利用课题的新方向。