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河流的设计水文条件主要包括水位、流速和流量，湖库的设计水文条件主要指水位、库容和湖水流入流出量。一般条件下，水文条件的年际、月际变化较大。本书按照流域综合统筹的原则，针对多类型水文条件及控制性水工程调控情景，按照水体类型特点（河流、湖库、河口等），遵循流域水量过程和化学过程连续的基本要求，提出满足不同水质达标管理要求的容量总量计算水文条件设计原则与方法。断面流速可以采用实际测量数据，但需要转化为设计条件下的流速。因此，合理确定断面的设计流量成为进行水环境容量计算的关键。
动态设计水文条件为连续的数值系列（如10年实测日流量过程），且不明确表达为允许平均期、允许重现期数的情况下使用。在确定的环境风险条件下，动态设计水文条件可用于动态水质模型，进行环境容量计算及污染物总量分配，一般需要根据允许平均期、允许重现期要求，采用规划方法确定可加载的污染负荷。
水体水文过程在地理、气象自然因子的影响下显现出动态变化特征，因此，水体水环境容量并非常数恒定不变。对基于过于保守或过于宽限的水文条件确定的水环境容量均具有局限性，难以反映水体水质随时间和空间变化表现出的多变特性。确定设计水文条件原则是保证后续动态水环境容量计算的前提，也是避免当前计算的水环境容量与水文情势无关、仅靠人为设定数值的有效举措。
（1）设计流量的确定是进行动态水环境容量计算的基础。结合研究区水文数据的监测频次和系列长度，为突出区域水情特点，采用分期（枯水期、平水期、丰水期）代表流量进行设计，同时针对存在冰封期的河流在分期设计流量基础上加以区分冰期和非冰期流量，根据流量外包线或内包线的意义综合确定设计流量。在此过程中一般以月为时间单位进行计算，然后在水分期特点的基础上确定年度水环境容量。在时间允许的条件下，可将计算尺度细化到日。
（2）水文条件确定过程中应注重对极端事件或不利条件的考虑。结合区域极端水文事件的发生概率，在确定典型年、典型时段的基础上分析特枯（极端干旱）、特丰（极端洪涝）、特寒等极端事件对应下的水文现象发生条件。
（3）构建二元模式影响下的设计水文条件，对于受人类活动扰动较小的河流上游或人迹罕至流域，应按照多年水文情势变化规律进行不同水文节律条件的设计；对于受人类活动影响较大的城市河流或被人工化的流域，设计水文条件除应按照水文自然节律方法进行常规项确定外，还应将人类健康、面源负荷估算等相关因素考虑在内，根据污染物特性的差异，结合水文学和生物学方法确定病毒、细菌等相关指标对应的允许平均期和重现期，综合给出面向多种需求的多元化水文特征值。
（4）在条件允许的情况下，结合实测水文系列的参数分析，模拟随机水文过程，动态设计水文条件。
由于水文条件、水体化学物质的季节性变化，水环境容量具有随时间动态变化特性，因此，在单一设计水文条件下单纯计算静态水环境容量稍显欠缺。为避免全年采用单一水环境容量限制污染排放量造成的“丰欠枯超”现象，并为满足北方河流的水环境管理需求，采用分期设计流量实现北方河流水环境容量季节多变这一目标。
典型年法主要适用于流量年内时段变化较大、影响因素众多且相互关系复杂、流量推算难度较大的流域。浑河流域河流具有受人为影响大、流量还原失真性大的特点。本书在站点径流数据有限的情况下，选取90%保证率对应的枯水年流量为设计值，在尽量符合流域水文发展态势的前提下确定典型年（同条件下优先选择近期水文年为典型年），以此进行水文站点流量年内分配计算。
当前对水环境容量的计算基本是以一定保证率下的枯水期流量为基础。对于径流量季节变化大、 C v 值悬殊，枯水期流量低或断流的河流，如果仅以最不利条件下的环境容量为基础制订污染物总量控制方案，势必会造成“丰水容量浪费、枯水容量不足”的现象，给区域水污染治理投入带来很大压力，无法促进社会、经济、水环境闭合系统的可持续发展。
单一设计水文条件通常以90%保证率月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量。如果以单一设计流量条件下的水环境容量制约丰水期污染物排放量，造成水环境容量浪费，同时加大污水处理成本。流域水环境容量具有动态变化特征。因此，借鉴动态水环境容量计算相关规定，对于年内水文情势变化较大流域宜采用枯水期、平水期、丰水期进行分期流量设计。
针对浑河流域流量、水质参数受水期、温度变化影响较大的现象，本书分丰（6—9月）、平（3—5月、10月）、枯（11月至翌年2月）水期进行设计流量确定。研究中依据丰、平、枯3个水期内河流污染负荷的来源、降水强度及水质水量相关关系的差异，在划分水期的基础上，针对不同水期月份的径流特点选择典型流量作为分阶段水环境容量的计算依据。
针对北方干旱区河流具有年内分配不均、年际变化大、冰凌期水量明显减少的特点，为最大程度利用水体自净能力对流域污染物的减控功效，考虑到不同时段水化学作用、物理削减程度强弱等的差异，按照冰期和非冰期两个时段确定河流的设计流量。冬季冰封下水流流量减少，速度变缓，污染物稀释扩散活动减弱降低；同时河面被冰层覆盖，水体复氧能力降低；加之低温条件下微生物的降解活性也降低，因此，水体自净能力减弱，冰期水环境容量小于非冰期。以浑河沈阳段2005年的监测数据为依据，冰冻期与非冰期COD水环境容量的比值为38∶62，因此在确保安全余量留足的情况下，应充分利用非冰期水体的自净作用，以求实现环境正效益和经济正增长的双赢。前人研究表明，非冰期与冰期COD、NH 3 -N的降解系数比值约为7∶3。因此，温度变化对水环境容量计算值影响较大。研究中选用长系列实测月平均流量作为设计流量的计算系列。采用水文频率法对控制站点多年月平均流量以及冰期（11月至翌年3月）、非冰期（4—10月）和各月平均流量进行分析。对于径流资料系列缺少的控制断面设计流量采用水文比拟法确定流量。
以全年90%保证率月平均流量计算值作为设计流量全年控制线；以非冰期和冰期90%保证率月均流量作为设计流量分期控制线；以全年90%保证率月平均流量作为设计流量分月控制线。以各月3条控制线中最大值和最小值作为设计流量上、下控制线。设计流量控制外包线的时间动态特性体现出水环境容量具有动态变化性（非冰期值远高于冰期水环境容量）。
设计流量的确定对流速计算、水环境容量确定的影响较大。在设计方案确定中应充分利用水环境容量，合理进行污染物治理成本投入，在考虑天然、人为因素对水体改善、功能维持的影响下，给出设计流量确定方案，见表2-1。
表2-1 设计流量确定方案
对于高流量的中的极高值和低流量中的极低值，可作为特殊水文情势下（如洪水过程或者极枯水文条件）的设计流量，以体现极端不利水文条件对河流水环境容量的影响。对于流域内陆的极端洪涝也可采用洪峰流量作为标准，将洪峰流量排频，使用百分位值进行判定；对于入海口的极端洪涝采用排频水位的百分位值标示极端水位阈值。在资料充足的情况下，可将长系列日流量资料中高于90%频率的流量作为特枯流量，取各月特枯流量值的中值为典型特枯流量值；同时将流量值低于25%日流量频率流量过程定义为高流量过程。
美国环保局（EPA）颁布的各类TMDL指南给出了制订TMDL方案时使用设计水文条件的技术导则。研究者从水环境污染风险最小化的层面考虑，曾将最小生态流量作为设计水文条件。
EPA推荐采用水文学方法（ xQy ）和生物学方法（ xBy ）两种设计流量计算方法。从污染物削减和水质安全层面而言，对传统污染物和毒性污染物存在的流域， xBy 在设计流量确定方面相对于 xQy 更具合理性。两种方法均涉及允许平均期和重现期的概念。允许平均期根据水质指标的毒性特征确定，指必须能适当地限制超标幅度和时间，并且能提供浓度低于水质标准的恢复期，一般以天为时间尺度。如慢性毒理指标采用4天，急性毒理指标为1h。对于毒性较低的BOD 5 、COD和氨氮这类传统污染物，允许平均期一般采用30天。重现期指在一定量级范围内，水文要素平均出现一次的间隔年数，常以多少年一遇表达，即为该水文要素在这一量级出现频率的倒数。根据污染物的风险特征或污染物受体、生物或人类的耐受性，重现期一般以年计。根据EPA的研究，水生生物安全一般取3年，人类健康安全根据污染物类型确定。
（1）在表达式 xQy 中， x 为允许平均期（天）， y 为重现期（年），通常采用7 Q 10（90%保证率下最枯连续7天的平均流量）、30 Q 10、1 Q 10进行设计流量的确定。水文学方法确定的设计流量是通过每年内一个极端水文条件进行跨年度的频率分析，按一定风险率来确定设计流量，作为毒性污染物负荷控制及总量分配的依据。研究中通常采用算术平均值、调和平均和几何平均值进行设计流量的确定，分别为：
在各种方法中，算术平均法应用较为普遍；调和平均方法通常在河流径流远大于污水量的情况下，计算稳态允许纳污量的问题时使用；允许平均期的日平均浓度可按准动态方法进行多日平均，当达标浓度要求为时间的算术平均时，设计流量采用调和平均法计算；在一些细菌指标如大肠菌群的水质达标浓度和长期平均用于生态流量设计过程中时采用几何平均法进行确定。
（2）在表达式 xBy 中， x 为允许平均期（天）， y 为重现期（年）。
1）按水生生物安全要求重金属的允许平均期为4天、重现期为3年或6年，通常采用4 B 3（重现期3年、允许平均期4天的河流稳态设计流量）或4 B 6的形式。
2）短期毒性污染物允许平均期30天，重现期为3年，通常采用30 B 3的形式。
3）对于致癌物质，通常取70年作为允许平均期。
对于生态状况良好河段，通常采用 P =50%频率下的河道径流量的60%确定设计流量；对于生态状况一般河段，通常采用 P =50%频率下河道径流量的30%~60%确定设计流量；为满足生物最小生态需水量要求，一般采用 P =90%频率下最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值。
研究中对于生物大量存在的河段，一般采用几何平均法进行设计流量的确定。
其他国家在设计水文条件时，基本上停留在传统水文学的范畴内考虑枯水流量，并未满足生物安全的流量需求。例如，日本采用10年一遇作为枯水设计流量；北欧国家采用 Q 95（95%保证率日流量）作为设计流量限制排污；南非的一些国家应用 Q 75（75%保证率日流量）进行枯水流量分析；法国依据《乡村法》相关规定，采用不低于多年平均流量的10%作为设计流量，对水量较丰的河流，政府应进行重新确定，但最低流量的下限不应低于多年均值的5%。
依据《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法》（GB 3839—1983）的规定：一般河流的设计流量采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量；对集中生活饮用水源区，采用95%保证率最枯月平均流量；湖泊水库采用90%保证率最低月平均水位或近10年最低月平均水位相应的蓄水量；有水利工程控制的河流采用最小泄流量（坝下保证流量）。在实际应用中，南方河流通常采用90%保证率下最枯 n 天流量的平均值作为设计保证率流量，北方则采用75%保证率下的最枯月平均流量作为设计流量。
依据《全国水环境容量核定技术指南》，流域一般采用30 Q 10（近10年最枯月平均流量）作为设计流量条件，湖库采用30 V 10（近10年最枯月平均库容）作为设计库容条件。
依据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010）相关规定：在计算河流水域纳污能力时，采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量；季节性河流、冰冻河流，宜选取不为零的最小月平均流量作为样本，采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量；流向不定的水网地区和潮汐河段，采用90%保证率流速为零时的低水位相应水量作为设计水量；有水利工程控制的河段，采用最小下泄流量或河道内生态基流作为设计流量；以岸边划分水功能区的河段，采用岸边水域的设计流量进行计算。
综上所述，我国在水环境评价及保护规划方面采用的设计水文条件基本沿用水文学方法，常用方法主要有3种：①近10年最枯月平均流量[《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法》（GB 3839—1983）]；②90%保证率最枯月平均流量[《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法》（GB 3839—1983）]；③借用美国环保局的7 Q 10及30 Q 10方法。在对长期和短期数据系列的处理方面，从水文学的观点看，方法②更合理，方法①在过丰或过枯的短期时段上进行频率分析时，存在数据缺乏代表性问题。从人类活动干扰的角度来看，方法①更具合理性，在流域耗水量增加造成河流径流量下降的情况下，因近远期水文数据缺乏一致性，因此，采用近期资料更趋于合理。方法②和30 Q 10法在概念的计算过程中具有相通性，所以方法②、方法③在概念上的差别不大，但方法③用年内最枯30天流量更合理些。
在对国内外设计流量适用范围、计算方法可行性进行概述的基础上，结合生物生存状况及水体对污染的削减能力，进行河流设计流量计算指标选取与特征阐述，见表2-2。经验表明，水文学方法计算的大多数河流流量值大于允许出现的最低值，而生物学方法直接采用规定的破坏频率计算设计流量，结果更接近毒理控制的要求。因水文学方法易于计算和理解，因此，美国EPA在慢性毒理控制浓度标准中使用1 Q 5和1 Q 10作为设计流量，在急性毒理控制浓度标准中使用7 Q 5和7 Q 10作为设计流量。虽然在EPA的技术导则中称暂时使用以上流量，但自1986年以来一直未作更改。
表2-2 河流设计流量计算方法及适用性分析
设计流量计算方法的选择与参数的取值主要与流域物种的生境多样性、生存状况有关。在研究区长系列水文资料缺少的情况下，通常选取最小生态流量Tennant法进行流量的确定。国内在分析设计水文条件时主要存在允许平均期选取混乱的问题，即在水质模拟、评价、保护规划等相关研究中，确定设计流量时基本没有考虑污染物的毒理性质、水体功能的特征，即便针对同一污染物，考虑到不同的区域经济社会发展目标和生态保护诉求，所选取的允许平均期也不尽相同。
本书结合流域的来水实际及资料获取的难易程度，在综合均衡各方面需水特征的基础上进行资料缺乏流域的流量设计。
在站点径流资料不足的情况下，采用水文比拟法、流域面积比例法进行推算。借助上、下游水文站或邻近流域水文站的基本信息计算枯季径流产流系数，同位移植到流域下垫面条件相似地区使用，将计算区集水面积与借用的枯季径流产流系数相乘，依此求得资料不足地区设计流量。
此外，还可利用参数回归法进行资料缺少断面的流量设计。通常借助资料丰富流域的模型参数和物理属性间的定量关系，建立回归方程，然后利用资料缺失流域的属性数据推求模型参数，根据零星监测的流量与集水面积，采用拟合函数建立设计流量与集水面积的函数关系式。
研究中以河流源头、水库出口、河流省界断面作为起始断面，入海口、入湖口、入河口等水汇或河流的出省界断面作为终止断面。计算中根据实际需要，也可以水功能区上下界，国控、省控、市控断面为计算断面。当断面比较密集或稀少时，也可根据需要进行适当的删减和添加。
式中： Q i 为 i 断面的设计流量，m 3 /s； Q u 、 Q d 为上、下游水文站的设计流量，m 3 /s； A i 为 i 断面的控制流域面积，km 2 ； A u 、 A d 为上、下游水文站控制流域的面积，km 2 。
式中：Δ L 为上、下游水文站的距离，m；Δ L i 为 i 断面与上断面间距，m。
上述两种常用方法对具有水量（质）监测站点的断面、河段顺直的河流，计算精度较高。但现实中多为不规则的河段，并且河流的深度变化不一，仅用两断面间的平均流量表示整个河段的流量，精度不高。