設計水位

設計水位相應於設計洪水頻率的洪峯流量水位，即設計流量的水位。用標高表示設計水位的高低，以米（m）計。河流的流量隨水位而變化，表明水位與流量之間有密切關係，在橋涵水文計算中，常利用它們的關係來推求某一設計水位相應的設計流量。為此，可在橋位附近選定河牀形態斷面進行歷史洪水情況的調查，調查歷史洪痕位置、發生年份，以便確定歷史洪水位和歷史洪水重現期。根據測繪的形態斷面和洪水比降、河牀狀況等資料，利用水力學有關公式計算該歷史水位的洪峯流量，以便最後確定所採用的設計水位相應的橋涵設計流量 ^[1]  。

潮位是防波堤工程設計中一個重要的水文條件，它不僅直接影響防波堤標高的確定，而且也影響防波堤結構的計算。防波堤工程的設計水位一般包括：設計高水位、設計低水位、校核高水位和校核低水位四種。

設計水位是指建築物在正常使用條件下的高、低水位。對於海港的設計高、低水位，歐美和日本常採用大潮平均高、低潮位；前蘇聯通常採用潮位歷時累積頻率（一般稱為保證率）1%和99%的水位；我國海港水文規範規定採用高潮（即潮峯）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）。

校核水位是指建築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，而是由於寒潮或颱風造成的增減水（氣象潮）與天文潮組合而成的。校核高、低水位的出現週期是以幾十年計的，因此，在這種水位條件下，要求建築物在各種校核荷載作用下，斷面結構及地基仍具有必要的安全度。防波堤的校核水位，可採用重現期為五十年一遇的高、低潮位。

在防波堤設計中，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，故無統一標準，可大致採用平均水位 ^[2]  。

歷時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，分級統計各級天數累積的曲線，根據保證率要求，求出相應水位即為保證率水位值；綜合歷時曲線則以多年的日平均水位或流量分級統計各級天數累積曲線，根據保證率要求，求出相應水位即為保證率水位值。現將具體繪製綜合歷時曲線步驟列出如下：

（1）根據統計資料的年份內日平均水位最高最低值的變幅，將水位分為若干級，航道等級高則分的細些，如水位差5、10、20cm為一級，長江干流以5cm為一級，一般河流以10cm為一級，若採用計算機統計水位分級可細分到1cm一級，統計逐日平均水位不同級各出現的次數。

（2）由高至低逐級進行累積出現天數的統計，進行各級的保證率累積頻率計算，保證率為多年逐日平均水位總次數除各水位級相應的累積出現次數（以%表示）。

（3）以水位為縱座標，保證率為橫座標，在方格紙上把各保證率值點於相應於水位級的下限處，連接各點即成水位歷時曲線，歷時曲線統計可列表計算 ^[3]  。

由歷時曲線法及頻率分析兩部分構成。計算步驟如下：

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

（2）根據航道等級的設計標準，確定保證率和頻率；

（3）根據航道等級的設計標準，分別從各年的歷時曲線上，選取各年相應的保證率的水位或流量；

（4）用經驗頻率公式繪製經驗頻率曲線；

（5）將選取的水位（流量）作樣本，按頻率分析方法進行理論頻率計算，繪製理論頻率曲線，並與經驗頻率曲線適線；

（6）根據航道等級標準要求的重現期，從頻率曲線中查得相應的設計水位（流量） ^[3]  。

1.由於河牀演變以及長期的水文氣象變化，或者使同流量條件下的水位產生變化，或者使流量同時發生變化，因此，隔一定年限要重新計算調整設計水位值。

2.人類活動，如築壩、渠化、整治、裁彎取直、挖沙等，均會引起設計水位產生較大變化，要做相應調整。尤其上游大壩蓄水後改變了水沙過程，影響更大，一般情況下是壩上淤積、水位抬高，壩下衝刷下切，不斷改變水位流量關係。由於水電站泄水影響，設計水位往往需根據電站下泄基荷流量來確定設計流量，再推求相應的設計水位。

3.全河整治，各灘、站的設計水位必須同步，以滿足全線暢通，設計水位如有出入也要進行調整 ^[3]  。

河流中規定可以正常通航的最低水位，即航道標準尺度的起算水位，稱為設計最低通航水位；規定可以正常通航的最高水位，控制橋、閘跨河建築物淨高的水位，稱為設計最高通航水位。設計最低通航水位，一般簡稱設計水位，有的河流常稱航行基準面或航行零水位。確定各淺灘的設計水位，首先必須確定基本水位站及其控制的河段，其次推求基本站設計水位，最後相關到各淺灘上求出淺灘的設計水位。

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.具有連續多年實測可靠的水位（流量）資料並能換算為統一的水準基面，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。

通過設計排澇流量時相應排水溝的水位。是排水工程設計的重要依據。在排澇區內選擇位置較低的地點作為參考點（又稱控制點），根據參考點的地面高程和排水溝的比降由田間向容泄區逐級推算而得。在自流排水條件下，排水乾溝出口處的排澇水位應高於容泄區的水位 ^[4]  。

航道設計水位是設計航道尺度的基準水面高程。它是航道建設規劃、工程設計、施工的基本依據。根據需要，有各種不同用途的設計水位，但主要有設計高水位和設計低水位兩種，前者主要控制水面以上建築物高程如淨空、堤岸頂高等；後者主要控制水面以下尺度如航道水深、航道底寬等。某一設計水位的取值，是在綜合考慮了航道等級、運輸任務、當地自然條件、水流情況和工程量等因素後，經水文分析、計算而得出的 ^[5]  。

航道設計水位是在某一航道上保證船舶正常通航的水位。分為設計最高通航水位和設計最低通航水位。它是航道工程規劃、設計和施工的基本依據，關係到航道尺度的保證程度、航道工程的規模大小以及航道維護的方法和維護工程量，而且對公路、鐵路、橋樑等工程的建設有一定的影響 ^[6]  。

渠道輸送設計流量時相應的水位。根據灌溉面積的地面高程、渠道的比降和長度、建築物水頭損失等因素計算確定。是設計渠道和渠道建築物的重要依據 ^[7]  。

灌溉渠道設計水位：保證渠道所控制的灌溉面積都能進行自流灌溉的水位。各級渠道在分水點處都應具有足夠的水位高程。各分水口的水位控制高程是根據灌區地面高程加上渠道沿程水頭損失以及渠水通過各種建築物的局部水頭損失，由下而上逐級推算得出 ^[8]  。

堤防設計水位是決定堤頂高程的設計水位。與洪水流量、河道斷面、設計標準有關。堤頂高程等於設計洪水位、安全超高及風浪爬高的總和 ^[8]  。

河道整治設計水位是為實現河道治理目標而選定的特徵水面高程。如為築堤防洪選定堤頂高程，有堤防設計水位；為確保最小通航水深選定最低通航水位；為限定跨河建築物的最低高度，選定最高通航水位，以確保過船安全的最小水上淨空。所有這些選擇都必須根據水文資料使用保證率方法進行分析比較，合理地選定各種設計水位，供工程設計時作為基本依據。

船閘設計水位是船閘設計所採用的上、下游水位和它們的相應組合。包括船閘上、下游設計最高、最低通航水位；船閘上、下游設計最高水位；船閘檢修水位以及這幾種水位中可能的不利組合水位等；是船閘輸水系統佈置和選型、船閘高程確定以及結構設計等的基本數據。船閘設計最高、最低通航水位一般根據航運要求、航道和船閘的級別、航道條件和水文特徵、兩岸條件和有關部門的要求等因素進行綜合研究，採取相應的洪水頻率和低水位的通航保證率標準確定。至於船閘上游設計最高水位則按船閘所在樞紐的校核洪水標準確定 ^[6]  。