《水资源量的计算》PPT课件.ppt

第五章水资源量的计算 水资源分析与计算 一般是针对水资源区划确定的的某一特定区域而进行的 它是在收集整理气象 水文资料的基础上 研究区域内降水 蒸发 径流等要素变化规律以及区域地表水 土壤水 地下水的相互转化关系 计算地表水资源 地下水资源及总水资源的数量 分析其水质即时空变化规律 为区域水资源的开发规划提供科学依据 水资源分析计算的主要内容是在水资源分区的基础上 分别进行降水量 地表水资源量 地下水资源量及水资源总量的分析评价 第一节基本资料的收集与整理 一 基本资料的收集 一 降水资料的收集收集资料应注意事项 1 选用的观测站要求资料可靠 系列较长 面上分布比较均匀 2 收集各观测站降水量资料本身的同步性 还要兼顾降水量与径流量资料的同步性 3 认真校对选用资料 对资料来源 质量及相关情况应详细注明 4 收集适当比例尺的地形图 作为工作底图 以进行站点分布图 各种等值线图等图件的绘制 5 收集区域内的土壤 植被 地质 河流水系 气象 流域水利工程 区域社会经济 水资源开发利用状况等资料 以便进行资料的审查 插补延长和径流量的还原计算 二 径流资料的收集收集内容主要有 1 本区域内和邻近区域的水文气象资料 如 降水 蒸发 径流 泥沙等 2 本区域的自然地理特性资料 如 区域面积 地形 地貌 土壤 植被等 3 区域内水利工程概况 如 历年各级水库的有效库容及其灌溉面积 引 提水量及其灌溉面积 灌溉定额 渠系有效利用系数 田间回归系数等 4 区域内水文地质特性资料 如 岩性分布 地下水埋深 地下水开采情况等 5 社会经济资料 如 人口 耕地的数量及其分布 当地经济发展情况 6 水质监测资料 如 主要工矿企业的排污量 排放途径 影响范围 污染后果等 二 资料的可靠性审查 降水资料的可靠性审查 1 与邻近站资料对比 2 与其他水文气象要素比较 径流资料的可靠性审查1 与邻近站资料对比 2 与其他水文气象要素比较 3 上下游水量平衡 径流模数 断面水位流量关系等 三 资料的一致性审查 资料的一致性是指一个序列中不同时期的资料成因是否相同 具体表现在测站的气候条件及周围环境是否发生变化 由于人类活动往往形成观测站周围环境的变化 如伐木 农田灌溉 城市化及兴修水利工程等会导致降水和径流等水文要素的变化 使资料的一致性遭到破坏 因观测方法变化或观测站迁移造成的资料不一致 也应该进行修正 一 单累计曲线法设有年降水量 径流量 系列Xt t 1 2 3 n 则有 二 双累计曲线法当分析站周围有较多雨量站 且认为这些雨量站降水资料一致性较好时 可通过绘制分析站的累积降水量与多站平均累积降水量关系曲线 以分析单站降水资料的一致性 称为双累积曲线法 若降水系列的一致性较好 该曲线为单一直线关系 还可以做累积降水量与累积径流量的双累积曲线 若降水系列的一致性较好 该曲线为单一直线关系 四 资料的代表性审查 资料系列代表性 指样本资料的统计特性能否很好的反映总体的统计特性 如果在一个随机系列中 有一个或几个完整的丰 枯周期 其中又包含长系列中的最大值和最小值 各种统计特征相对稳定 则一般认为这个系列的代表性较好 代表性审查包括 周期分析 稳定期分析 代表性分析 一 资料系列的周期分析我国降水量的年际变化具有丰水年组和枯水年组交替出现的周期性趋势 周期分析的方法较多 通常采用差积曲线法 将每年的降水量 径流量 与多年平均降水量 径流量 的离差依次累加 然后绘制差积值与时间的关系曲线进行周期分析的方法 年降水量模比系数差积曲线的绘制 1 计算系列多年的平均值及各年的模比系数Ki 2 将开始年份至当前年份各年的 Ki 1 依次累加 得到一个系列 Ki 1 3 以t为纵坐标 Ki 1 为横坐标 即可绘制出年降水量模比系数差积曲线 二 资料稳定性和代表性分析稳定性分析的目的是通过降水系列 或径流系列 某种指标或参数达到稳定的历时来确定代表期的方法 稳定期或代表期的分析 常用累积平均曲线法和长短系列统计参数比较法 1 累积平均曲线法 指降水 或径流 资料系列的逆时累积平均值与时间的关系分析降水 或径流 系列稳定期的方法 Xi 1 i X1 X2 Xi 2 长短系列统计参数比较法 五 资料的插补延长 插补是指以某种方式对系列中缺测的值作出估算 使系列连续 延长是指利用不同测站长短系列间的关系 对较短的系列中未观测的一段时间的值作出估算 使其达到与长系列或要求的长度相等的系列 一 降水资料的插补延长主要有四种方法 1 两站距离很近 2 地形气候条件一致的地区 3 个别非汛期月份的站点 4 绘制降水量等值线图 用内插的方法补缺测站点的降水量 二 径流资料的插补延长常用方法有三种 1 流域平均年降水量与年径流量相关分析法 2 相邻流域流量相关分析法 3 上下游站年径流量相关分析法 六 径流量的还原计算 对于实测径流已不能代表天然状况的水文站应进行还原计算 将实测径流还原为天然径流系列 还原时 应按照河系自上而下对各水文站控制断面分段进行 然后进行累加计算 常用的还原计算方法有分项调查法和降水径流关系法 一 分项调查法对于流域中各项影响因素所造成的径流变化逐一调查和计算 就可以得到最终的还原水量 W天然 W实测 W农业 W工业 W生活 W调蓄 二 降水径流关系法建立人类活动影响之前的降水径流模型 然后用人类活动影响后的各种降水资料代入建立的降水径流模型 计算出不受人类活动影响的天然年径流量 主要的模型有1 多元统计分析法2 产汇流模型法 七 统计参数的分析确定 降水系列的统计参数应先根据矩法和极大似然法等得到初值 并绘制经验频率曲线 然后再采用适线法确定统计参数的最终值 第二节降水量的分析计算 一 降水量分析计算的内容 水资源分区确定后 需要对区域降水进行分析与计算 为区域地表水资源 地下水资源评价奠定基础 降水量的分析与计算通常包括 1 确定区域年降水量特征值 2 绘制多年平均降水量及年降水量变差系数等值图 3 研究年降水量的年内分配 年际变化和地区分布规律等 具体的提交成果 雨量站分布图 降水量统计参数及频率计算表 年际及典型年内降水量分配表 连续最大4个月降水量占全年降水量百分比图 多年平均降水量等值线图 年降水量变差系数等值线图 年降水量偏态系数与变差系数比值分区图 二 降水量等值线图的绘制 为了研究年降水量的空间变化规律 估算无资料地区各种指定频率的年降水量 必须绘制年降水量统计参数等值线图 年降水量统计参数有 多年平均降水量 年降水量变差系数 年降水量偏态系数 绘制上述等值线图时 应注意依据下列原则和方法 1 根据选用站点的资料精度情况 将其划分为主要点据 一般点据和参考点据 2 绘图前 要充分分析了解研究区内水汽来源 降水主要成因 冷暖峰面活动规律以及地形对降水的影响等情况 3 选择资料质量好 系列完整 面上分布均匀且能反映地形变化影响的雨量站作为绘制等值线的主要依据 4 选择准确 清晰有经纬度或者投影坐标且能分清高山 丘陵和平原等地形图作为工作底图 5 应进行等值线图合理性检查 主要从气候 地形及其他地理条件等方面进行检查 切忌出现降水量等值线横穿山岭 此外还可将等值线图与以往编制的等值线图进行对比分析 三 降水量的年内分配和年际变化 降水量的时程变化主要表现在降水量的年内分配和年际变化两个方面 一 降水量的年内分配降水量的年内分配主要采用以下三种方法 1 从研究区域内选择出典型站 绘制出典型年降水量年内分配表以反映年内分配特征 2 统计研究区多年平均各月降水量或者多年平均各月降水量占年平均降水量的百分比 以表示降水量年内分配特征 3 统计研究区域连续最大4个月降水量占全年降水量百分比系列 以反映年降水量集中程度和相应出现的月份 二 降水量的年际变化降水量的年际变化的大小 通常用实测年降水量的最大值和最小值的比值Km 年降水量变差系数Cv值来表示 第三节地表水资源量的分析计算 一 地表水资源量的含义及分析计算的内容 地表水资源量通常用地表水的动态水量即河川径流量表示 地表水资源量计算主要内容包括 1 多年平均年径流量 2 不同频率的年径流量 3 河川径流量的年内分配 4 年际变化和地区分布等 二 地表水资源量的计算方法根据区域的气候及下垫面条件 综合考虑气象站 水文站点的分布 实测资料的年限及质量等情况 河川径流量的计算可选用 一 代表站法在研究区域内 选择一个或几个基本能控制全区 实测径流资料系列较长并且具有足够精确度的代表站 从径流形成的条件的相似性出发 将代表站的年径流量按面积比或综合修正的方法移用到整个研究区域内 从而推求区域多年平均及不同保证率的年径流量 这种方法称为代表站法 1 单一代表站 W设 F设分别表示设计区域的年径流量和面积 W代 F代分别表示代表流域的天然年径流量和集水面积 一个代表站 两个或两个以上代表站 1 若设计区域内气候及下垫面条件差别较大 2 若设计区域内气候及下垫面条件差别不大 代表站法计算区域不同频率年径流量 1 用代表站法求得的设计区域逐年径流量 构成了该区域的年径流系列 2 在此基础上进行频率计算 即可推求设计区域不同频率的年径流量 2 等值线法借用包括该区在内的全区多年平均年径流深等值图 从图上查算出流域内的平均年径流深 乘以流域面积 来计算流域多年平均年径流量 图1多年平均年径流深等值线图 流域多年平均年径流深 两条等年径流量线之间所包围的流域面积 流域面积 流域多年平均年径流量 等年径流量线所代表的年径流量 等值线图计算多年平均年径流量的说明 对于面积不同的区域 应用等值线图计算多年平均年径流量的精度是不同的 大面积区域计算精度较高 但实用意义不大中等面积区域计算误差最小小面积区域值线法计算误差较大 需要结合实地考察资料进行验证 在代表流域内 选择具有充分实测年降水 年径流资料的分析代表站 统计逐年面平均降水量P 年径流深R 建立年降水径流关系 3 年降水 径流函数关系法 通过建立年降水 径流函数关系 用年降水资料来推算年径流量 R AeBP A B为模型的经验参数 图水资源量与降水量相关关系图 代表站法 等值线法 函数关系法 在计算流域内 选择一个或几个代表性水文站 基本能控制本流域大部分面积 实测径流资料系列较长 精度能满足要求 且流域内上 下游自然地理条件比较一致 流域面积不大且缺乏实测径流资料的情况 或是在有实测径流资料但流域面积较大且不能控制全区的情况 研究流域有足够年份的实测降水 径流资料或相邻相似代表流域有足够年份的实测降水 径流资料 三种计算方法比较 三 出境 入境水量计算 一般情况下 入境水量和出境水量并不相等 出境 入境水量也需要进行年内 年际变化分析 一 代表站法 二 水均衡法 四 径流量年内及年际变化 4 1 河川径流量的年内分配 在多年平均及不同频率河川径流量计算的基础上 尚要研究河川径流量的年内分配 并给出正常年或丰 平 枯水等不同典型年的逐月河川径流量 为水资源的开发利用提供必要的依据 一 有充分径流资料时河川径流量年内分配的计算 1 正常年径流量年内分配的计算 正常年河川径流量的年内分配近于多年平均情况 一般可用年径流的月分配过程 连续最大四个月径流量占年径流百分率或枯水期径流量占年径流百分率等来反映 1 年径流的月分配过程各月径流量的多年平均值与多年平均年径流量的比值 即为相应月份的年内分配的相对值 其分配过程可用柱状图或过程线来表示 2 最大四个月径流百分率等值线及其出现月份分区图 逐站逐月推求多年平均月径流量选取连续最大四个月的径流量并推求其占多年平均年径流量的百分率将其数值连同出现月份都标注在流域重心处绘制多年平均连续最大四个月径流量占年径流百分率等值线图 3 不同频率年径流年内分配的计算 设计年径流的年内分配 一般采用典型年的年内分配形式 典型年的划分 丰水年 设计频率p 20 平水年 p 50 枯水年 p 80 选择典型年时 应当考虑到下列原则 典型年年水量或供水期水量 或某时段水量 应与设计频率相应时段的水量相近 选择对工程不利的年内分配年份作为典型年 指定频率年径流年内分配计算方法 年水量控制同倍比缩放法 方法步骤 根据逐年年平均流量系列求得多年平均流量利用适线法得到Cv和Cs从皮尔逊 型曲线模比系数表中查得不同频率的模比系数计算所需频率的年平均流量从实测资料中选择年平均流量最接近该频率的年份 分别进行年 月平均流量缩放计算 确定典型年将典型年缩小后的逐月平均流量及其总和 推求各月平均流量占全年总量百分率 即作为该频率年径流的逐月分配过程 指定频率年径流年内分配计算方法 年水量控制同倍比缩放法 实际操作案例 表4 1某站年 月平均流量系列表单位 m3 s 表4 2某站用水量控制的典型年径流过程计算表 p 90 流量单位 m3 s 表中某年缩放比K 指定频率的年平均流量Q 90 某年平均流量2 83 二 缺乏径流资料时河川径流量年内分配的计算 应用水文比拟法来确定设计年径流的年内分配 选择与特定区域自然地理条件相似的代表流域 将其典型年各月径流量占年径流量的百分比 作为特定区域年径流的年内分配过程 若代表流域难选定 查用各省 市 自治区编制的水文手册 水文图集中典型年径流年内分配分区成果 4 2 河川径流量的年际变化 河川径流多年变化一般指年径流量的年际变化和多年变化两个方面 河川径流量的多年变化一般可用年径流变差系数来反映 也可选择径流资料质量好 实测系列较长的代表站 通过丰 平 枯水年的周期分析和连丰 连枯变化规律分析等途径 深入研究河川径流量的多年变化情况 1 年径流变差系数分析一般说来 年径流变差系数愈大 年径流多年之间变幅也就愈大 反之亦然 以降雨补给为主的河流 年径流变差系数有随着多年平均年径流深的增大而减小的趋势 2 年径流的周期变化规律分析3 年径流连丰 连枯变化规律分析选择实测资料系列较长的代表站 对年径流系列进行频率计算 并将年径流分为丰 p87 5 五级 进而分析年径流丰 枯连续出现的情况 第四节地下水资源概念及类型区划分 一 地下水资源的概念及分类 一 以水均衡为基础的分类分为 补给量 排泄量 存储量 二 普洛特尼克夫分类法分为 静储量 动储量 调节储量 开采储量 静储量 永久储量 一般指储存于地下水最低水位以下含水层中的重力水的体积 亦即当含水层全部疏干后所能获得的地下水量 数值上等于含水层的体积与给水度的乘积 Q静 hF动储量 通过含水层横断面的天然径流量Q动 KJ 普氏分类法只反映了地下水资源在天然条件下的各种数量组成 没有明确在一定时间内各种数量之间的转化关系 指存在于地下水位年变动带 即年最高水位与最低水位之间 内的含水层中重力水的体积 亦即疏干该带时所获得的地下水量 Q调 hF 开采储量 调节储量 指在一定的经济技术条件下 使在整个开采期间不发生明显的水量减少或水质恶化等不良现象 用取水工程从含水层中所能开采出来的地下水量 1 根据区域地形 地貌特征 评价区划分为平原区 山丘区 称一级类型区 2 根据次级地形地貌特征 地层岩性及地下水类型 将山丘区划分为 一般基岩山丘区 岩溶山区 将平原区划分为 一般平原区 内陆闭合盆地平原区 山间盆地平原区和沙漠区 称二级类型区 中华人民共和国行业标准 水资源评价导则 二 地下水资源类型区划分 3 根据地下水的矿化度 将各二级类型区划分为淡水区 微咸水区 咸水区 称二级类型亚区 4 根据水文地质条件将各二级类型区或二级类型亚区划分为若干水文地质单元 称三级区 中华人民共和国行业标准 水资源评价导则 一 降水入渗补给系数 二 给水度 三 渗透系数K四 潜水蒸发系数C五 河道渗漏补给系数m河六 渠系渗漏补给系数七 田间灌溉入渗补给系数八 导水系数 弹性释水系数 压力传导系数及越流补给系数 第五节水文地质参数计算 第六节平原区地下水资源量Qp Pr Q表补 Qk Qe式中 Pr为降水入渗补给量 Qe为越流补给量 Qk为侧向补给量 其他符号意义同前 降雨入渗补给量是平原区地下水的重要来源 2 用降水入渗补给量与总补给量之比值 乘以河道排泄量 排入河道的地下水量 来估算平原区的河川基流量Rgp 式中 QR为排入河道的地下水量 U为地下水总补给量 其他符号意义同前 3 在侧渗流入补给量很多小的情况下 可用下式估算 第七节山丘区地下水资源量通常采用排泄量近似作为补给量来计算地下水资源量Qm 即Q Rgm Ugm Qkm Qsm Fgm式中 Rgm为河川基流量 Ugm为河床潜流量 Qkm为山前侧向流出量 Qsm为未计入河川径流的山前泉水出露量 Fgm为山区潜水蒸发量 山丘区河川基流量河川基流量的确定方法有直线平割法 图3 和直线斜割法 图4 以直线斜割法为例 对于某河流流量年过程线 如图3 自起涨点a至峰后无雨情况下退水段的转折点c处 以直线相连 直线以下部分即为河川基流量 退水转折点c可用综合退水曲线法确定 图3直线平割法示意图 图4直线斜割法示意图 第八节水资源总量分析计算 一 水资源的概念 自学 在分析计算降水量 河川径流量和地下水补给量的基础上 需要对水资源总量计算 多数情况下 水资源总量的计算项目包括 多年平均水资源总量 不同频率水资源总量 水资源总量的年内分配过程 二 水资源总量的计算 水资源总量可以利用下面计算 W P Es 5 45 P 降水量 Es 地表蒸发量W R Ug Eg 5 46 Ug 地下潜流量 Eg潜水蒸发量 一 单一山丘地Wm Rm Qm RgmRm 山丘区河川径流量Qm 山丘区地下水资源量Rgm 山丘区的河川基流量 一般情况下 Rgm在山丘区地下水资源中占有相当大比例 据此 在山丘区地水资源评价中可以近似地用多年平均年河川基流量表示 因此 单一山丘区的水资源总量可以用多年平均年河川径流量代替 二 单一平原区Wp Rp Qp DrgpRp 平原区河川径流量Qp 平原区地下水资源量Drgp 重复计算两 三 混合地貌类型区大多数水资源分区内 往往存在两种以上的地貌类型区 如上游为山丘区 下游为平原区 W R Q Rgm Rgp 1 K Qs R 全区河川径流量Q 全区地下水资源量Rgm 山丘区河川基流量Rgp 平原区河川基流量K 山丘区河川基流量与河川径流量比值Qs 地表水对平原地下水的补给量 三 不同保证频率水资源总量的计算 利用组成地表 地下水资源的各分项水量以及组成特定流域 或区域 水资源总量的分项水量推求设计流域 或区域 不同保证频率水资源总量时 不能采用相应同一保证频率的各分项水量相加的方法 简称频率相加法 同频率相加法推求的水资源总量与相应频率的实际水资源总量往往不等 这是因为在整个研究区内 水资源的总量不可能同时出现同一频率的偏丰 偏枯状况 这存在着整体概率与部分概率的组合问题 设计流域不同保证频率水资源总量计算的正确途径是按地貌类型区 采用相应的水资源总量计算公式 依据区域内逐年的各分项水量 先求出逐年的水资源总量 然后对水资源总量系列进行频率分析 推求多年平均和不同保证频率的水资源总量 我国大多数地区虽具有较充分的河川径流资料和降水资料 但地下水资料往往不充分 且难以插补延长 推求不同频率水资源总量时受到限制 这种情况下 可利用逐年河川径流量和逐年降水量近似估算逐年水资源总量