中国 PMP／PMF估算方法的主要特点

 王 国安 ，王 煜 (黄河勘测规划设计有 限公司，河南郑州 450003) 

       摘 要：中国PMP（可能最大降水）／PMF（可能最大洪水）估算方法的主要特点有二：一是针对具体(特定)工程进行 PMP／PMF估算，其背景是实测 自记暴 雨资料较 少、地形条件 复杂、大型水利水 电工程控制流 域面积 大、PMP／PMF研 究以水文 工作 者 为主；二是 注重 4个方面 的结合 ，即注重分析 计算与工程特点相结合、水文与气象相 结合 、定性与定量相 结合 、成 因分析与数理统计相结合。

       关 键 词：可能最大降水；可能最大洪水；水文气象学；设计洪水 中图分类号 ：TV125 文献标志码 ：A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2013．03．001 M ain CharacteristicsofPM P／PM F Estimation M ethod in China W ANG Guo—an，W ANG Yu (YellowRiverEngineeringConsultingCo．Ltd，Zhengzhou450003，China) Abstract：PMPPMFestimationmethodinChinahastwomaincharacteristics：first，PMP／PMFestimatesforspecificproject，forwhichtheselfrecordingrainfallobservation dataisinsufficient，theterrainconditionsiscomplex，withlargeareacontrolled bylarge—scalewaterconservancyan d hydropowerproject，andhydrelogistsarethemainpeopleforPMP／PMFstudy；second，itfocusesonfouraspects，whichareonthecombinationof analysisandcalculationandengineeringcharacteristics，thecombinationofhydrologyandmeteorology ，thecombinationofqualitativeandquantita— tive，and thecombination ofgeneticanalysisan d mathematical statistics． Key words：ProbableMaximum Precipitation；Probab leM aximum Flood；hydrometeorology；designflood 

       中国 PMP／PMF研究的有关情况 

中国开展可能最大 降水 (PMP)／可能最大洪 水(PMF)的研 究工作始于 1958年 ，由长江流域规划办公室 (现长江水利委员 会)水文局协同有关单位，对长江三峡水利枢纽工程进行 PMP／ PMF研究 。此后 ，几个部属设计院对几座大型水利水 电枢纽工 程开始试用 PMP／PMF进行设计。 1972-1973年，为适应黄河下游防洪的需要，黄河水利委 员会的水文气象工作者与有关单位协作，对黄河三门峡至花园 口区间(简称三花间)开展了 PMP／PMF研究 ，总结了一套思路清晰 、理论系统 、层 次分 明、重 点突出的研 究方 法 ，在水利 部有 关专家的重视和推动下 ，其经验在全国得到迅速推广。 水利部于 1973年在 兰州召开 的“全 国设计洪水经验 交 流 会”上 ，确定将 PMP／PMF列 入正在编制的《水 利水电工程设计洪水计算规范》。该规范附录四《用水文气象法计算可能最大暴 雨》…较全面地反映了当时中国在 PMP分析计算方面的经验。 1975年 8月河南发生 了特大暴雨洪水 (简称“75·8”洪 水)，导致淮河上游板桥和石漫滩两座大型水库 、田岗和竹沟两 座中型水库以及石龙山等 58座小型水库垮坝，造成惨重损失。 为总结这次洪水的教训 ，水利电力部于 1975年 11月 21日至 l2月 1013在郑州召开了全国各省(市、区)水利部门、各流域机构和大型水库管理单位负责人(共 465人)参加的“全国防汛和水库安全会议 ”。这次会议 的总结文件认为 ，水 库垮坝的 主要原因是防洪安全标准偏低，对策是提高防洪标准，一般大中 型水库及重要的小型水库都要 可能最大洪水作为保坝校核标准 。 1975-1981年，全国参与 PMP／PMF研究工作的科技人员数以千计 ，在 PMP／PMF研究方面积累了大量经验。 笔者作为黄河三花间 PMP／PMF研究项目的主持人，经过 27年的努力 ，于 1999年编写了专著《可能最大暴雨和洪水计算原理与方法》 ，此 书 较全面地总结 了中国 40年来 PMP／PMF 研究 的成果和经验 …，介 绍了 1980年 以来 国外在此领域的进展 ，受 到联 合 国教科文织 (UNESCO)和 界气 象组织 (WMO)的重视 。前者表示要将 该书译成英文出版 ，后 者建议笔者主持修订 WMO编制 的《PMP估算手册》(1986年第 二 版 )[I1J。修订小组经过近 3年的辛勤 工作 ，于 2003年 1O月 向 WMO提交了《PMP估算手册》(第三版)送审稿。该送审稿经 WMO组织国际 PMP专家会议进行审查，作少量修改补充后， 英文版 于 2009年正式出版，中文版于 2011年在中国出版， 收稿 日期 ：2012—07-23 

       作者简 介：王 国安(193O～ )，男，重庆涪陵人 ，高级 程师 (教授级 )，世 界气象组织水文委员会第11届 PMP／PMF专家，50多年来一直从事设计洪水领域的生产实践和科学研 究工作 。 E-mail：g_ a_ wang@ 163．com - 1 · 

       正文

        人 民 黄 河 2013年第 3期 版 -15。(PMP估算手册》第三版保 留了第二版的大部分 内 容 ，删去 了部 分过时 的 内容 ，新 增 了美 国 、澳 大利 亚 、印度 尤其 是 中国 PMP／PMF研究成果 。 2 中国 PMP／PMF估算方法的主要特点 2．1 针对具体工程对 PMP／PMF进行估算 中国开 展 PMP／PMF估算 工作 ，主要 是针 对设 计流域 某一 具体 (特 定 )工程进行 的 ，其主要原 因如 下。 (1)实测 自记暴雨资料较少 。中国实测暴 雨资料较 少 (自 1950年以后雨量 站 网才逐 步完 善 )，其 中 自记暴 雨 资料更 少 ， 这不利 于 PMP的概化估算 。但 是 ，中国是文明古国 ，数千年来以文字形式保留下来的历史特大暴雨／洪水信息浩如烟 海，这十分有利于从历史长河 中分析和认识特大暴雨／洪水的 时问演变规律和地区分布规律 ，尤其有利于针对具体工程进行 PMP／PMF分析 。 (2)地形条件复杂 。中 国各类 地形 占全 国国土 面积 的 比例 ，山地 为 33％ ，高 原 为 26％ ，丘 陵 为 10％ ，山 间 盆 地 为 19％，平原为 12％ ，这不利于PMP／PMF的概化估算。 (3)大型工程控制流域 面积大。中国的很多 大型水 利水 电 工程控制流域面积在 5万 km 以上 ，如长江三峡 工程控制 面积 达 100万 km ，黄河小浪底工程控 制面积达 69．4万 kTn2，对于如 此巨大面积的PMP／PMF估算，无先例可循 ，只能靠 自己摸索。 (4)PMP／PMF研究者 以水文工作者为主” 。中国从事 PMP／PMF研究 的人员 以水 文设计 人 员为 主 ，因此 将 中 国在工 程 水文分析计算方 面所 积累的丰富工作经验融人 PMP／PMF的 分析计算之中，十分有利于针对具体工程进行 PMP／PMF分析。 2．2 注 重 四方面 结合 中国对 PMP／PMF的估算 ，注重 分析计 算 与工程 特点 相结 合 、水文 与气 象相结合 、定性 与定量相结合 、成 因分析 与数理统 计相结合 l。 2．2．1 分析计算与工程特点相结合 众所周知 ，在一条河流的同一坝址，若工程的规模不同，则 对 PMP／PMF的要求往往也会有所不同。例如 ：若修建高坝大 库，则从防洪上说，影响工程设计的是洪水总量 ，因此要求设计 洪水 的历 时相对较 长 ，其相应 的暴雨可能 由多个暴雨 天气 系统 的叠加与更替所形 成 ；若修 建低 坝小库 ，则从 防洪上说 ，影 响工 程设计 的是洪峰流量 ，因此要 求设计 洪水 历 时相对 较短 ，其 相 应 的暴雨 可能 由单 一 的暴 雨天 气 系统 或 局地 强对 流 所形 成 。 故对 PMP／PMF的分析计算，必须结合特定工程对 PMF的客观 要求来进行，使所得成果尽可能接近实际 。 2．2．2 水文与气象相结合 从科学发展的要求上看，PMP／PMF研究属于水文气象学 的范畴，而水文气象学是水文学和气象学 的边缘科学，需要这 二者相互渗透、相互融合，而且还要突破一些各 自的传统观念。 例如：水文工作者往往只注意研究流域内的暴雨与洪水，而忽 视邻近地区的暴雨 与洪水 ，只重视 统计 计算 ，而 忽视 气象 成 因 分析 ；气象工作者往往只注意从气象角度考虑问题，而忽视水 文特点和工程设计对 PMP的要求等。所 以中国在 PMP／PMF 研究工作 中 ，强调 水 文与气 象相 结 合 。黄 河三 花 间 PMP／PMF ． 2 · 研究之 所以能够取得成功 ，原因是研 究过程 中水文工作 者 与气 象工作 者做 到了很好 的结合 。 从 工作方法上看 ，中国 PMP／PMF研究融人 了水文工作 者在 水文分析计算工作 中积累的一系列经验 ，主要强调以下几点 。 (1)充分运用历史特大暴雨／洪水资料。历史上曾经发生 过 的特大暴雨／洪水 ，反映 的特 点更接 近于 PMP／PMF。中 国从 20世 纪 50年代开始 ，在全 国范 围开展 了大规模 的历史 洪水调 查工作 ，取得 了大量宝贵的资料 (全 国共有 11600余 篇原 始调 查 报告 )。为使这些 资料能 全部公 开面世 ，在 水利 部 的组织 和 支持下 ，由骆 承政主编 的《中 国历 史大洪 水调 查 资料汇 编》 叫 已于 2006年正式 出版 ，该 汇编包括 5544个河段约 20000次历 史大洪水资料 ，为开展 PMP／PMF研究工作提供 了宝贵 的资料 。 (2)对流域特征 和暴雨洪 水特 征进行 深入分析 ，深刻认 识 特大暴雨洪水 的基本规律 。流域特征包括地 理 、地形 、地质 、土 壤 、植被 、河 网等 。对地理 条件 的了解 ，主要是认识 设计 流域所 处 的地理位置 ，从而在宏观上对特大 暴雨 的天气 成因有定 性的 认识 。例如 ：沿海地 区 中短 历时特 大暴 雨 多 由台风造 成 ，长历 时特大暴雨 多由锋 面雨(梅雨 )形成 ；而西北 内陆地 区短历 时特 大暴雨 多由雷暴 天气 造 成 ，中 长历 时特 大 暴雨 多 由涡 切 变形 成 。对地形 、地质 、土壤 、植被 、河网的 了解 ，有利 于正确认 识地 形对暴雨 的影响 ，以及 将 PMP转化 为 PMF时产流 和汇流 计算 方法 的正确 选择 与参数的合理定量 。对暴 雨洪水 特性 的分析 ， 主要是 根据 实测和历史调查资料 的分 析 ，总结 归纳 出设 计流域 特 大暴 雨／洪水 的天气 成因和时空分布的主要规律 ’。 (3)用多种 方 法 (方 案 )经 综合 分 析后 ，合理 选 取 计 算结 果 。因为各 种方法都有其优缺点 和适 用条件 ，所 以采 用多种方 法平行计算 ，有助 于发 现问题 、揭露矛盾 ，进 而使最终选 取 的计 算 结果较为合理 。同时 ，这也是解决 “外包”(用 时面深 概化估 算 法估 算 PMP的关键步骤 ” )的有效 办法。在设 计洪水计 算 中 ，坚持 “多种方法 ，综合分 析 ，合理选 定”的原则 ，以确保设 计洪水成果的客观性 ，是 中国水文工作者 根据多年实 践总结 出 来的一条重要经验(最早由胡明思、陈家琦等于 20世纪 70年 代中期提 出)。 (4)对 PMP／PMF计算成果从多 方面进 行合理性 检查 。首 先审视计算过程各个环节 的处理和参数 的定 量是否 适 当，然后 用多种宏观尺度对 PMP／PMF计算成果进行衡量 ，看是否合理 ， 从而把选定成果 的可能误差 减到最小 。所谓 宏观尺 度包括 ：国 内外暴雨／洪水记录的外 包线 ；相 似 流域／地 区 的 PMP／PMF研 究成果 ，历史洪水和古洪水分析成果 ；暴 雨／洪水 频率分 析成果 (但 必须特别 注意 ，决 不能 用 PMP／PMF必须 大 于或 不得 小于 万年一遇暴雨／洪水 的框框来衡量 PMP／PMF的大小 )。从 多方面对水文设计成果进行合理性检查 ，也是中国的一条极其 重要 的经验 (最早 由叶永毅于 20世 纪 50年代 中期提 出 )，通过 这种检查 ，可 以保证分析计算成 果尽可能接 近实 际。如何进行 合理性检 查 ，文献 [21]作 了较系统 的总结 。 2．2．3 定性与定量相结合 中国推求PMP／PMF的基本方法 ’” 。I。是e暴雨模式{ 一 l极大化l—lPMPl—IPMFl。所渭定性与定量相结合，主要表 现在暴雨模式拟定环节对暴雨模 式的定性特 征作 出推 断 ，定性 人 民 黄 河 2013年第 3期 特征的 内容包 括暴 雨 类 型 、出现 季 节 、天气 成 因 、雨 带分 布 形 式 、暴雨 中心位置 、暴雨历时等 。这种 推断的 目的是 ：保 证求 得 的 PMP／PMF能够满足特定 工程设计 对 PMF的要 求 ，同时也使 整个 PMP／PMF的分析计算工作有一个可靠的物理基础，从而 在宏观上保证 PMP／PMF估算成果的可靠性。 暴雨模 式定性特征推断的方法 ：根据设计 流域及 相邻地 区实测 、调查和历史文献记载的特大暴雨／洪水资料与相关信 息 ，结合形成特大暴雨的气象条件及设计流域的形状 、地形地 貌和产流、汇流特性 ，从物理成因上进行综合分析 ，然后通过归 纳 ，并考虑设计工程对 PMF的要求 ，作出推断。黄河三花间暴 雨模式 的定性 特征 ’ 见表 l。 表 1 黄河三花 间暴雨模式的定性特征 项 目 特 征 暴雨模式定性特征推断的理论依据是特定流域尤其是大 流域特定工程 PMP／PMF的天气成 因类型是唯一 的。这 可以看 作是一条定律(至少可看作是一条假说 )。针对特定工程推 求 PMP／PMF时，首先要对暴雨模式的定性特征作出推断，这一 认识可以说是中国水文气象工作者对 PMP／PMF理论的重要贡 献 。 2．2．4 成 因分析 与数 理统 计相 结合 成因分析与数理统计相结合表现在以下4个方面。 (1)在认识暴雨／洪水规律上 ，先从数理统计人手进 行归类 ， 再从物理成因的角度进行分析 ，找出共性 ，使认识得到深化 。 (2)在推求 PMP的“极大化”这一环节上 ，对“非高效暴 雨”进行水 汽因子和动力 因子联 合放大 时 ，一方 面从成 因分 析 的角度得到定性的认识，另一方面通过频率分析来确定可能最 大水汽因子和可能最大动力因子 ，避免取值的任意性。 (3)在 PMF的地区组成上，依照数理统计法推求设计洪水 地 区组成 所使用的“同频率控 制”的概念来解 决 PMF的地 区组 成问题 ，符合工程水 文界的思想认 识 。 (4)在对赫希费尔德 统计估 算法 (20世纪 60年代 初 HershfieldDM提 出的推求 中小 面积 PMP的方法 )的认 识 上 ，以往 人们 一般 把它归类为频率分析法 ，但是 中国水文工作 者认 为统 计估算法不应归人频率分析之列 ，而应归类为水文气象法中的 暴雨移置法，只不过移置的不是一场具体的暴雨，而是一个经 过数学处理的统计量，其移置改正不像水文气象法那样要进行 地理 、地形 等改正 ，而是用设计流域暴雨 的均值和 c 来改 正 。这样 ，就使人们对统计估算法的认识得到深化，也使 该方法的科学性得到提高 。应 当注意 的是 ，赫希费尔德提 出的 一 套查算图表只能在美国和相似地区(气象一致区)使用，并不 适用 于世界所有地 区。中 国水 文学 的奠 基人之 一谢 家泽教 授 十分 赞赏统计估算 法 ：暴 雨移 置 ，愈具 体地 移 ，愈是 限制 条 件多 ，但如果提 出几个参数来 移 ，那么就简便得多 。 致谢 ：本文承高治定教授 提 出宝贵意见 ，特 此致谢 

        参考文献 ：

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