设计年径流及其年内分配

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 八 章,设计年径流及其年内分配,7.1,概述,7.2,影响年径流的因素,7.3,有长期资料时设计年径流计算,7.4,有短期资料时设计年径流计算,7.5,缺乏资料时设计年径流计算,7.6,设计枯水径流量分析计算,7.7,流量历时曲线,7.1 概 述,7.1.1,年径流的变化特征,年径流量：,在一个年度内，通过河流出口断面的水量，叫做该断面以上流域的年径流量。,年平均流量,Q,（,m,3,/s,）,年径流深,R,（,mm,）,年径流总量,W,（,10,4,m,3,）,年径流模数,M(m,3,/s.km,2,),概念理解,年平均流量,是指河流断面按已有水文系列计算的多年流量平均值。,年径流量,一年内（水文年）流经河道上指定断面的全部水量，称为年径流量。,径流深度,把径流总量均匀地铺在流域面积上所得的水层厚度。,径流模数,单位面积上在单位时间内流动的平均水量。,径流系数与径流模数,径流系数,任意时段内的径流深度,R(,或径流总量,w),与同时段内的降水深度,x(,或降水总量,),的比值，称为径流系数。径流系数,说明在降水量中有多少变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对降水,径流关系的影响。,径流模数,单位流域面积上单位时间所产生的径流量。单位立方米,/,秒*平方千米。在所有计算径流的常用量中，径流模数消除了流域面积大小的影响，最能说明与自然地理条件相联系的径流特征。通常用径流模数对不同流域的径流进行比较。,转化关系,（,1,）地理分布不均,（,2,）年内变化洪水期（汛期）,枯水期,（,3,）年际变化丰水年平水年 枯水年,丰水年组 枯水年组,年径流变化特性,（,1,）根据来水及用水，确定水利水电工程规模大小；,（,2,）推求不同保证率的年径流量及其分配过程，就是设计年径流分析计算的主要目的。,7.1.2,年径流分析计算的目的,设计保证率:反映对水利资源利用的保证程度，即工程规划设计的既定目标不被破坏的年数占运用年数的百分比。,7.1.3,年径流分析计算的内容,(1),基本资料信息的搜集和复查。,(2),年径流量的频率分析计算。,(3),提供设计年径流的时程分配。,(4),根据需要进行年际连续枯水段的分析、径流随机模拟和枯水流量分析计算。,(5),对分析成果进行合理性检查。,7.2影响年径流的因素,湿润地区：降水量较多，其中大部分形成径流，年径流系数较高，降水量与径流量之间关系密切，说明降水量对径流量起着决定性作用，蒸发作用相对较小。,干旱地区：降水量少，且大部分耗于蒸发，年径流系数很低，降水量与径流量之间关系不密切，说明降水量和蒸发都对径流量起着相当大的作用。,7.2.1,气候因素,降水量,蒸发量,流域下垫面因素包括地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流域大小等。这些因素主要从两方面影响年径流量：,（,1,）通过流域蓄水量变化值影响年将流量的变化；,（,2,）通过对气候因素的影响间接地对年径流量发生作用。,7.2.2,下垫面因素,地 形,湖 泊,流域大小,（,1,）山地对气流的抬升和阻滞作用，使迎风坡降水量增大；,（,2,）地形对蒸发也有影响，一般气温随地面高程的增加而降低，因而使蒸发量减少。,地 形,年径流量随高程的增加而增加,（,1,）湖泊增加流域的水面面积，加大蒸发，使年径流量减小。,（,2,）湖泊对流域蓄水量具有调节作用，减小径流年际变化。,湖 泊,流域可看作为一个径流调节器，输入为降水，输出为径流，一般随着流域面积的增大，净流量的变化相应减小。,（,1,）流域面积增大时，地下蓄水量相应加大；,（,2,）随着流域面积的增加，流域内部各地径流的不同期性愈加显著，所起的调节作用就更加明显。,流域大小,直接影响：跨流域引水直接减少（或增加）本流域的年径流量。,间接影响：修水库、塘堰等水利工程，旱地改水田，坡地改梯田，植树造林，种植牧草等措施，改变下垫面性质，增加蒸发，使年径流量减小。,7.2.3,人类活动,直接影响,间接影响,7.3,具有长期实测资料时,设计年径流量及年内,分配的分析计算,所谓较长年径流系列是指设计代表站断面或参证流域断面有实测径流系列，其长度不小于规范规定的年数，即不应小于,20,年。,7.3.1,基本概念,长期资料时设计年径流计算基本步骤如下：,1.,实测年径流资料的审查,2.,设计年径流量的推求及年内分配,7.3.1,计算步骤,(1),资料的可靠性审查,7.3.2,水文资料的审查,水位资料审查,水位流量关系曲线审查,水量平衡审查,检查原始水位资料情况并分析水位过程线形状，了解观测质量，分析有无不合理现象。,检查水位流量关系曲线的绘制和延长方法，并分析历年水位流量关系曲线的变化情况。,下游站的径流量应等于上游站径流量加区间径流量。通过水量平衡检查即可衡量径流资料的精度。,(2),年径流系列的一致性分析,7.3.2,水文资料的审查,下垫面条件变化,还原计算,水量平衡法、降雨径流相关法,资料是否来自同一气候、下垫面条件和同一测站。,人类活动的影响最显著。,(3),年径流系列的代表性分析,7.3.2,水文资料的审查,周期性分析,与更长系列参证变量进行比较,样本接近总体的程度，即样本系列的大小，一般系列越长，代表性越好。,(1),年径流量的起讫时间,7.3.3,设计年径流量推测,时历年,水文年,以历法规定的时间为准，水文年鉴和水文特征统计提供的年径流量一般以时历年的起讫时间划分。,以水文现象的循环作为年径流量计算的起讫时间，从每年的汛期开始到下一年的枯水期结束为止，对于春汛河流，应以上一年降雪开始月份作为计算年径流的起讫时间。,按不同起讫时间统计的年径流量系列所求得的统计参数（均值、变差系数）值是不同，年径流量均值误差在,1%,左右，变差系数误差约,3%,，因此，以时历年统计的年径流量系列的统计参数一般仍可用。,7.3.3,设计年径流量推测,(2),设计年径流的推求及年内分配,7.3.3,设计年径流量推测,根据审查分析后的长期实测径流量资料，按工程要求确定计算时段，对各种时段径流量进行频率计算，求出,指定频率的各种时段的设计流量值,；,在实测径流资料中，按一定的原则,选取各种代表年,。对灌溉工程只选枯水年做代表年，对水电工程一般选丰水年、平水年、枯水年三个代表年；,求设计时段径流量与代表年的径流量的比值，对代表年的径流过程进行缩放，即得,设计年径流过程线,。,1,步骤：,（,1,）三性审查年径流量系列资料,（,2,）对年径流系列作频率计算，求设计年径流,（,P,Q,P,），（年径流量由大,小排列,计算 、,C,V,，假定,C,S,/,C,V,=,（,2,3,）,C,V,，选配频率曲线）,（,3,） 选代表年，按代表年径流量的分配缩放得到设计年径流年内分配。,设计,代表年法,河川年径流的时程分配，一般按其各月的径流分配比来表示。年径流的时程分配与工程规模和水资源利用程度关系很大。,设计年径流的时程分配,（,1,）选取年径流量接近于设计年径流量的代表年径流量过程线。,（,2,）选取对工程较不利的代表年径流过程线。一般选取枯水期较长，且枯水期径流又较枯的年份。,代表年的选择,径流量的年内分配,同倍比法,同频率法,对设计成果必须进行合理性认证，成果合理性分析主要对参数进行合理性分析（ 、,C,V,、,C,S,）,检查方法,选有长资料的参证流域,地理分布规律,水量平衡理论,成果合理性检查,某水库具有,18,年的年、月径流资料，设计保证率,P=90%,的年最小,3,个月、最小,5,个月的设计径流量见表，求设计年内分配过程。,年份,月平均流量,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,19581959,16.50,22.00,43.00,17.00,4.63,2.46,4.02,4.84,1.98,2.47,1.87,21.60,19591960,7.25,8.69,16.30,26.10,7.15,7.50,6.81,1.86,2.67,2.73,4.20,2.03,19601961,8.21,19.50,26.40,24.60,7.35,9.62,3.20,2.07,1.98,1.90,2.35,13.20,19611962,14.70,17.70,19.80,30.40,5.20,4.87,9.10,3.46,3.42,2.92,2.48,1.62,19621963,12.90,15.70,41.60,50.70,19.40,10.40,7.48,2.97,5.30,2.67,1.79,1.80,19631964,3.20,4.98,7.15,16.20,5.55,2.28,2.13,1.27,2.18,1.54,6.45,3.87,19641965,9.91,12.50,12.90,34.60,6.90,5.55,2.00,3.27,1.62,1.17,0.99,3.06,19651966,3.90,26.60,15.20,13.60,6.12,13.40,4.27,10.50,8.21,9.03,8.35,8.48,19661967,9.52,29.00,13.50,25.40,25.40,3.58,2.67,2.23,1.93,2.76,1.41,5.30,19671968,13.00,17.90,33.20,43.00,10.50,3.58,1.67,1.57,1.82,1.42,1.21,2.36,19681969,9.45,15.60,15.50,37.80,42.70,6.55,3.52,2.54,1.84,2.68,4.25,9.00,19691970,12.20,11.50,33.90,25.00,12.00,7.30,3.65,4.96,3.18,2.35,3.88,3.57,19701971,16.30,24.80,41.00,30.70,24.20,8.30,6.50,8.75,4.52,7.96,4.10,3.80,19711972,5.08,6.10,24.30,22.80,3.40,3.45,4.92,2.79,1.76,1.30,2.23,8.76,19721973,3.28,11.70,37.10,16.40,10.20,19.20,5.75,4.41,4.53,5.59,8.47,8.89,19731974,15.40,38.50,41.60,57.40,31.70,5.86,6.56,4.55,2.59,1.63,1.76,5.21,19741975,3.28,5.48,11.80,17.10,14.40,14.30,3.84,3.69,4.67,5.16,6.26,11.10,19751976,22.40,37.10,58.00,23.90,10.60,12.40,6.26,8.51,7.30,7.54,3.12,5.56,频率计算成果（,P=90%,）,时段,均值,Cv,Cs/Cv,Qp,12,个月,131,0.32,2,81.8,最小,5,个月,18,0.47,2,8.45,最小,3,个月,9.1,0.5,2,4,7.4,具有短期实测资料时,设计年径流量及年内,分配的分析计算,短缺径流资料的情况可分为两种：,一种是设计代表站只有短系列径流实测资料,(n,20,年,),，其长度不能满足规范的要求；一种是设计断面附近完全没有径流实测资料。,对于前一种情况，工作重点是设法展延径流系列的长度；对于后一种情况，主要是利用年径流统计参数的地理分布规律，间接地进行年径流估算。,参证变量,7.4.1,参证变量选择,选择条件：,(1),参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系，以保证相关关系有足够的精度。,(2),参证变量与设计断面径流量有较多的同步观测资料，以便建立可靠的相关关系。,(3),参证变量的系列较长，并有较好的代表性。,(1),利用径流量或降雨量作为参证资料展演设计站的年、月径流量系列；,(2),利用本站的水位资料延长年径流系列；,有些测站开始只观测水位，后来增加了流量测验。可根据其水位,流量关系，将水位资料转化成径流资料。,选择参证变量的方法,当设计站实测年径流量资料不足时，往往利用上下游、干支流或邻近流域测站的实测长系列年径流量资料来展延系列。,利用径流资料展延系列,径流与降雨、蒸发、流域蓄水变化量之间存在水量平衡方程,利用降雨资料展延系列,关系较好,关系不好,（,1,）平行观测项数的多少问题,（,2,）辗转相关问题,（,3,）假相关问题,（,4,）外延幅度问题,相关展延系列时必须注意的问题,设计变量与参证变量平行观测项数不得过少，一般应在1520项之上。,外延一般不宜超出实测资料范围以外太远，一般要求外延幅度小于,10%,。,7.5,缺乏实测资料时,设计年径流量及年内,分配的分析计算,在部分中小设计流域内，有时只有零星的径流观测资料，且无法延长其系列，甚至完全没有径流观测资料，则只能利用一些间接的方法，对其设计径流量进行估算。采用这类方法的前提是设计流域所在的区域内，有水文特征值的综合分析成果，或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用。,我国已绘制了全国和分省,(,区,),的水文特征值等值线图和表，其中年径流深等值线图及,Cv,等值线图，可供中小流域设计年径流量估算时直接采用。,参数等值线图法,根据年径流深均值等值线图，可以查得设计流域年径流深的均值，然后乘以流域面积，即得设计流域的年径流量。,如果设计流域内通过多条年径流深等值线，可以用面积加权法推求流域的平均径流深，计算公式为：,年径流均值的估算,年径流深的,Cv,值，也有等值线图可供查算，方法与年径流均值估算方法类似，但可更简单一点，即按比例内插出流域重心的,Cv,值就可以了。,年径流的,Cs,值，一般采用,Cv,的倍比。按照规范规定，一般可采用,Cs,2,3Cv,。,在确定了年径流的均值、,Cv,，,Cs,后，便可借助于查用,P,型频率曲线表，绘制出年径流的频率曲线，确定设计频率的年径流值。,年径流,Cv,、,Cs,值的估算,水文比拟法是将参证流域的某一水文特征量移用到设计流域上来的一种方法，该法特别适用于年径流的分析估算。当设计断面缺乏实测径流资料，但其上下游或水文相似区内有实测水文资料可以选作参证站时，可采用本法估算设计年径流。,水文比拟法,参证流域,7.6,年际连续枯水段径流分析,连续枯水段径流分析的目的,前面介绍的年径流分析计算，是以年为设计时段的，但有些大型蓄水工程，特别是具有多年调节性能的大型水库工程，在规划、设计和运行中，不仅要考虑年径流设计值，而且还要考虑年际连续枯水段出现的情况。,年际连续枯水段是设计断面连续多年发生年径流偏枯的现象，为河川径流的一种特性，在我国许多河流上均有发现，见下表。,水资源利用工程中需要考虑的问题,水资源利用工程中需要考虑的问题：,（,1,）对已出现的某一连续枯水段的重现期如何确定,?,（,2,）连续枯水段的频率曲线如何分析计算,?,连续枯水段的定义与选样,1,连续枯水段定义：,描述年径流丰枯程度的指标很多，其中较常用的一种指标是以年径流系列均值进行界定的：凡低于年径流均值的年份，均作为枯水年份。连续发生几个枯水年份，称枯水段。国际上在进行水文干旱持续性分析时，也常采用这一指标。,2,连续枯水段选样,根据上述定义，可将全部年径流系列,N,年中长度为,n(n,2,、,3,、,4,年、,，根据工程设计需要而定,),的连续枯水段一一选出组成一个新的系列（注意各年的径流资料，只能统计到一个枯水段中，不要重复使用）。其中径流变量可采用,n,年中的平均年径流量,显然这个新的系列的长度,N N,，因为有些年份并不属于枯水年份，而属于枯水范围的，又不一定是连续出现的。只有在年径流系列长度,N,很大时，才有可能选出可供频率分析的连续枯水段样本。因此，往往需要设法延长年径流系列的长度。,连续枯水段的定义与选样,连续枯水段的重现期考证,当选出的连续枯水段系列的最小项在量级上比较突出，为连续特枯段时，就需对其出现的重现期进行考证。下面介绍一些可以试用的方法。,1,历史资料考证法,在我国的历史文献中，关于旱情的记载很多，特别是对连续数年大旱记载尤详。目前我国已出版或正在出版全国、各大流域和各省,(,区,),的历史水旱灾害专著，其中有系统整理的大量历史旱情资料，是考证历史连续枯水段重现期的重要文献，可资参考。,连续枯水段的重现期考证,2,树木年轮法,树木年轮的疏密，与年降水的丰枯往往有较好的对应性，在干旱、半干旱地区尤为明显。国内外均有利用树木年轮的变化重建降雨系列的经验，有的可将系列延长至,200300,年。从而可进一步对连续枯水段的重现期作出判断。,3,随机模拟法,利用随机模拟技术，生成超长年径流系列，是另一种新的尝试，有的已初步应用于实践。此法弥补了年径流系列一般较短的缺陷，为连续枯水段的分析研究，提供了另一种有用途径。,连续枯水段的频率分析,当连续枯水段径流系列组成以后，亦可仿年径流频率分析方法进行，但系列的排序，习惯上按由小到大。经验点据的绘点位置，仍按数学期望公式计算，即,Pn,连续,n,年枯水段平均流量的频率，；,M,系列中事件的排位序数；,N,年径流系列的总长度，年。,7.7,设计枯水径流量分析计算,枯水流量亦称最小流量，是河川径流的一种特殊形态。枯水流量往往制约着城市的发展规模、灌溉面积、通航的容量和时间，同时，也是决定水电站保证出力的重要因素。,按设计时段的长短，枯水流量又可分为瞬时、日、旬、,最小流量。其中又以日、旬、月最小流量对水资源利用工程的规划设计关系最大。,相关概念,有实测水文资料时的枯水流量计算,当设计代表站有长系列实测径流资料时，可按年最小选样原则选取一年中最小的时段径流量，组成样本系列。,枯水流量常采用不足概率,q,，即以小于和等于该径流的概率来表示，它和年最大选择的概率,P,有,q,l,一,P,的关系。,某水文站不同天数的枯水流量频率曲线,年枯水流量频率由线,年枯水流量频率曲线，在某些河流上，特别是在干旱半干旱地区的中小河流上，还会出现时段径流量为零的现象，可参阅含零系列的频率分析方法。此处只介绍一种简易的实用方法。,设系列的全部项数为,n,，其中非零项数为,k,，零值项数为,nk,。首先把,k,项非零资料视作一个独立系列，按一般方法求出其频率曲线。然后通过下列转换。即可求得全部系列的频率曲线。其转换关系为：,P,设,全系列的设计频率；,P,非,非零系列的相应频率。,短缺水文资料时的枯水流量估算,当设计断面短缺径流资料时，设计枯水量主要借助于参证站延长系列或成果移置。,