第8章设计年径流

第八章设计年径流合肥工业大学谭炳卿,概述影响年径流量的因素具有长系列资料时设计年径流及年内分配具有短系列资料时设计年径流及年内分配缺乏实测径流资料的设计年径流量及年内分配计算流量历时曲线设计枯水流量分析计算,主要内容,第一节概述,径流：降水所形成沿流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。径流量：一定时段内，通过河流某一断面的累积水量。年径流量：一个年度内，通过河流某一断面的累积水量。,一、年径流的变化特性,年内分配不均匀，以年为周期变化地区分布差异大年际之间变化显著，存在周期性存在连续的丰、枯水年组现象,年平均流量过程线图,某河某年流量过程线图,二、工程规模与来水、用水、保证率间的关系,年内分配均匀，需要调节库容小来水量大、用水量小，库容小年内分配不均匀，用水量，库容大库容与用水量、不均匀程度成正比,三、水文计算的任务,分析研究年径流量的年际变化和年内分配规律，为工程规划、设计提供依据。计算任务：推求不同保证率的年径流量及其分配过程,四、设计年径流计算的内容,基本资料的收集和审核年径流量频率计算确定年径流在年内的分配过程成果合理性检查,第二节影响年径流量的因素,气象因素下垫面因素（地形、流域大小、湖库）人类活动的影响影响年内分配的因素（蒸发、蓄水变量）,以年为时段，流域水量平衡方程Y=X-Z+U+W,对闭合流域而言，W为零，影响因素只有降水Y，蒸发Z和流域蓄水变量S,第三节长系列下设计年径流计算,一、水文资料的三性审查可靠性审查一致性审查代表性审查,水位审查水位流量关系审查水量平衡审查,可靠性审查,人类活动的影响：蓄水、供水、水土保持、引水工程等，改变了天然径流过程。需考虑径流的还原计算，使得全部系列建立在同一基础上。,一致性审查,实测的年径流系列可看成总体的一个随机样本，因此资料（样本）的代表性是指样本的统计特征能否反映总体的统计特征。样本对总体的代表性的好坏反映在样本的统计参数与总体统计参数的接近程度，样本代表性愈高，则设计结果精度愈好。,资料的代表性审查,依据数理统计原理，当样本容量愈大，则抽样误差愈小，说明长系列样本代表性高的可能性要大，故实测样本水文代表性可以通过与有成因联系的更长期的其它系列（视为近似代表总体）的分布参数作比较来衡量。,选择有成因联系（同一气候区和下垫面条件相似）邻近流域具N年(Nn)的测站(参证站)长系列来检验其n年短系列的代表性，从而推断设计站同期n年系列的代表性，分别计算参证站长短两系列的统计参数：,比较以上长短二系列的统计参数，若二者比较接近，一般要求相对误差不超过5-10%，从而推断参证站n年径流系列代表性较高，从而推断设计站的n年径流系列也具较好的代表性。,鉴定设计站n年实测年径流系列代表性的思路：,与设计站n年系列同期,设计站的变量和参证站的变量的时序变化具较好的同步性(如二个径流系列的丰枯随时序变化基本上一致)；参证变量系列较长，本身具较高的代表性。,应用上述的方法的前提条件：,验证：经分析，A和B年径流量的时序变化具较好的同步性，站B可选为参证站。分别算出参证站长短系列的统计参数：,【例】设计站A：20年(1970-1989)径流系列，参证站B：40年(1950-1989)径流系列，验证设计站A的代表性。(例9-1，P176),二者十分接近，说明参证站年径流量短系列在长系列中有代表性，又因A和B年径流量具有同步性，从而推断设计站A的20年径流量系列具有代表性。,推求年月径流系列的任务和目的：年月径流分析计算是研究年径流的年际变化及年内的分配规律，预估未来水资源工程运用期间的径流变化（来水）情况，为合理确定工程规模和确定水资源利用效益提供科学的依据。其设计标准用保证率表示，用以反映水资源利用的保证程度。即水资源工程规划设计的目标不被破坏的年数占运行年数的比值。,二、设计年、月径流系列,如：对于年调节的水库，要求提供：历年逐月径流过程；或设计代表年（丰、平、枯）的逐月径流过程，为水利计算之用。对于多年调节综合利用的水库，则需要提供长系列历年逐月径流过程。,【例】：,一项水资源工程，平均在100年运用中有90年可以满足其规划设计的目标，则其保证率为90，以此类推。可见推求不同保证率的年径流量及其分配过程是设计推求年月径流系列的主要任务，为水资源工程规划设计及水资源规划管理等提供来水的基本数据。,1)实测径流资料的“三性”审查水文资料是水文分析计算的重要依据，直接影响到计算成果的精度。因此对所用的资料进行审查，即对实测径流量系列的可靠性、一致性和代表性三个方面进行分析和论证,年月径流分析计算的一般步骤：,2)推算设计年径流量：即用数理统计的方法推求相应于某一设计频率的年径流量，简称为设计年径流3)推求设计年径流的年内分配过程:采用代表年法,设计年、月径流量系列：经前述对径流资料审查分析和插补延长后，得到有一定代表性按水利年划分重新排列的年、月径流量系列，以它来代表未来工程运行期间的年、月径流量变化(来水过程)，即为水利计算所要求的“设计年、月径流量系列”。所谓的“设计”，即以此为依据来进行水利计算。,水利年的起止日期是根据水文循环规律来划分的，如按水库调节库容最低点（即每年汛前某一个月份，各地可具体确定）作为水利年度的起点；或以水库蓄满水开始时刻作为水文年的起点，一般以多年平均情况取固定的日期如每年的3月或6月。,水利年度/水文年度的概念,依据的计算数据有：设计的历年逐月径流过程(来水过程)设计的历年逐月的用水过程;通过水量平衡计算，求得逐年所需的库容值;将库容值由小到大排列，计算各项的经验频率，作出库容频率曲线；按设计要求规定一用水保证率P，查得相应的设计库容值VP，此即设计水库的兴利库容。以上计算方法称为长系列操作法或全系列法,水利计算的例子：水库的调节计算步骤,33,水库调节计算示意图,长系列操作法或全系列法,评价水资源工程的性能和效益，最好的方法就是将全部年月径流资料、按工程运行设计进行全面的操作运算，以检验有多少年份不遭到破坏，从而较准确地评价出工程的保证率或破坏率。因此这种方法较为客观和完善，该法已愈来愈多地引起重视和应用。但该方法要求资料系列较长，而且计算工作量很大。若无条件应用该法，则可采用下述的代表年法。,设计代表年法：求出符合设计频率的代表年的年径流量及其月分配，该法是进行中小型水利工程规划设计时常采用的一种方法。,四、设计代表年径流量及年内月分配,（1）按工程要求来确定计算时段,计算时段长度视工程的主要功能而定；（2）统计历年相应计算时段的径流量，构成径流量系列，进行频率分析计算，求出指定频率（用水保证率）所相应时段径流量值(计算设计时段径流量)；（3）采用缩放典型年径流过程的方法求设计年内的径流过程(求设计年径流量在各月或旬的分配)；（4）按设计年的径流过程和设计用水过程进行水平衡计算，确定出设计库容。,设计代表年法的计算步骤简介：,计算时段的选择与水资源工程的主要功能有关，如：灌溉工程一般取灌溉期或灌溉期内的主要需水期作为计算时段；以发电为主的水电工程一般取枯水期或年作为计算时段。,（1）确定计算时段：,根据历年逐月径流量资料，统计各年的计算时段的径流量，组成一样本系列；进行频率计算，作出时段径流量的频率曲线（一般采用P-III型曲线适线法）；求出设计频率所相应的时段径流量，即为设计时段径流量。,（2）设计时段径流量的计算A.频率计算:,B.成果合理性分析,主要对径流系列的统计参数（均值、离差系数和偏态系数）进行合理性分析，视其是否符合地区的分布规律。常用方法是利用各地区的水文手册中的径流的均值、离差系数和偏态系数等值线图，查到相应的参数值，可进行比较分析，以确定统计参数的合理性。,参照地区综合分析成果。历史枯水年径流的考证和引用。控制频率曲线合理外延。,一般采用缩放典型年径流过程的方法来确定设计代表年径流量的年内分配：A.典型年选取的条件(从实测资料中选取)：a选取典型年的年径流量(或时段径流量)应接近于所计算的设计年的年径流量(或同期时段径流量)b选取典型年的年径流过程线对工程较为不利，以使得工程设计偏于安全。如：灌溉工程：选灌溉期内径流比较枯的年份水电工程：选枯水期较长而径流又较小的年份,（3）设计典型年径流量的年内分配,按同倍比缩放法求设计年的径流分配：a.计算缩放倍比Ky:,B.径流年内分配计算:,b.设计年的径流量过程线等于缩放倍比Ky乘以典型年的逐月的平均流量(为已知)，即得设计年径流量过程线。,式中，WP：计算设计年径流量或设计时段径流量Wm：典型年径流量或典型年相应时段径流量,（2）缩放倍比：KWP/Wm460/4800.958,例已知保证率80%的设计年径流总量为460万m3，推求设计年径流过程。,（1）典型年逐月径流量过程：,（3）设计代表年年逐月径流量过程：WPiKWmii1,2,12,由于年内各月均采用同一倍比，故该方法计算的设计年径流过程线可保持所选典型年的径流年内分配比例，可保证计算时段内的径流量符合设计频率的要求，但不能保证年内各时段均同时满足同一设计频率的要求。例如，设计频率为75的年径流量经缩放后，年内的各月径流量则不一定会满足P=75%的要求。如果年及年内各时段均同时满足同一频率的要求，则需按同频率缩放法。,说明：,由于年内各月均采用同一倍比，故该方法计算的设计年径流过程线可保持所选典型年的径流年内分配比例，可保证计算时段内的径流量符合设计频率的要求，但不能保证年内各时段均同时满足同一设计频率的要求。例如，设计频率为75的年径流量经缩放后，年内的各月径流量则不一定会满足P=75%的要求。如果年及年内各时段均同时满足同一频率的要求，则需按同频率缩放法。,说明：,第四节较短系列时设计年径流,思路：寻求与设计断面径流有密切关系并有较长观测系列的参证变量，建立二者的相关关系，将设计断面年径流系列插补延长至规范要求的长度,a参证资料要与设计站的径流资料在成因上有密切的联系(同一气候区，下垫面条件相近)，以保证展延成果的可靠性；b参证资料要与设计站的径流资料要有一段足够长的同期的观测资料(不少于10年)，用以建立可靠的相关关系；c参证资料必须有足够长的实测系列(具有较好的代表性），除用以建立相关关系的同期资料外，还应有用以展延设计站缺测年份的年/月径流系列。,进行相关分析的参证资料的选用条件,在成因上有密切关系有同步观测资料系列较长，有较好的代表性,选择参证变量要求,设计断面水位上下游或邻近河流测站的径流量流域的年降水量,常用参证变量,利用本站的水位资料展延（水位流量关系曲线）利用上下游或邻近河流测站资料展延（建立相关关系）利用年降水资料展延（建立相关关系）,年径流系列插补展延,当设计需要提供月径流量系列;当设计站的年径流量系列太短(如小于10年)，不足以建立年径流量的关系;可建立二系列月径流量的相关关系。但要注意：两者的关系不如年径流量相关关系密切。,b.利用月径流量资料展延系列：,a利用本流域年降雨量来展延年径流量进行R年P年的相关分析时，为便于比较，一般采用同一单位，均以mm表示。对于潮湿地区：根据流域水量平衡方程：R年=P年-E年-W年年径流系数=R/P较大，流域年蒸发量和年蓄水量变幅较小，故R年P年的相关关系较好，则利用年降雨径流相关法来展延年径流量可望得到较好结果。,2)利用降雨量资料来延展系列,对于干旱地区：E很大，年径流系数=R/P很小，R年P年的相关关系不密切，一般可引入年蒸发量E作为参变量，二者关系可得到改善。,b利用月降雨径流相关法来展延月径流量：,月径流量和月降雨量关系一般不密切，主要原因：在枯水月份P和R相关关系较差。根据流域月水量平衡方程R月=P月-E月-W月可知：在枯水月份，P很小，故月径流量主要受月蒸发E和流域月蓄水变化量W的影响，故P和R相关关系较差。在该情况下，为保证相关展延的精度，对非枯水期和枯水期的月份分别进行处理：,对非枯水期，可建立月降雨量和月径流深相关关系进行插补延长；对枯水月份，则建立上月平均径流深和本月平均径流深的相关关系(即前后期径流相关法，第七章的内容)，进行插补延长；二种相关关系联合应用，即可将一年内各月的径流深插补延长出来。,月降雨量与月径流量在时间上不对应如降雨在本月末，而径流大部分在下月初形成；使得二者相关点据较散乱，因此需要根据具体情况进行修正，以使获得较好的相关关系，如：,建立本月的P1+P2与R1+R21相关关系,P1+P2与R1+R21+R22的相关关系密切。,c利用其它水文气象要素展延系列：如高寒地区，河川径流主要来自溶雪水的补给，可建立月平均气温和月径流量的相关关系。,注意事项,1、平行观测资料不能太少（n15）2、避免远距离资料的辗转相关问题(1)不同站之间的问题(2)同一个站不同量之间的问题一定要在设计变量与参证变量之间直接建立相关关系,注意事项,3、假相关问题X、Y关系散乱采用：(1)资料组合xy/x，x/yy，xyy，x/zy/z关系较好假相关，未降低误差(2)作变换（函数）lnxlny等必须是原始变量直接相关,注意事项,4、外延幅度问题系列外延的幅度不宜过大，一般不超过实测系列的50为宜外延幅度|Xmax-Xmin|*50%,注意事项,5、插补项数问题减缓了变化使得Cv偏小插补项数不能太多n/2,可采用间接的方法推求设计年径流量系列的三个统计参数以及径流量年内分配。常采用：,第五节缺乏实测径流资料情况下设计年径流量,水文比拟法参数等值线图法经验公式法,该法是将气候和自然地理条件一致的参证站流域的实测资料移植到缺实测资料的设计流域，以此来估算设计流域多年平均年径流量的一种方法。该法的关键是选取合适的参证流域。参证站流域选择的条件：参证流域应具有较长的实测径流资料系列；主要的影响因素(气候条件及下垫面条件等)应与设计流域相近；二者流域的面积不要相差太大(小于15%),（1）水文比拟法,移植有二种方法：,修正移植：当设计流域与参证流域的多年平均降雨量差别较大时，可按二者年平均降雨量的比值进行修正：式中，P设计：设计流域的多年平均年降雨量(mm)P参证：参证流域的多年平均年降雨量(mm),直接移植：R设计R参证式中，R参证：参证站流域多年平均年径流深(mm),例已知保证率80%的设计年径流总量为460万m3，推求设计年径流过程。,参证站逐月径流量分配比：iWci/480i1,2,12,设计代表年年逐月径流量过程：WPiiWPi1,2,12,流域平均年径流量主要受降雨和蒸发的影响，降雨和蒸发具地理分布规律，故平均年径流量也具地理分布规律，可应用该等值线图进行内插法来求无资料地区的年平均径流量。,参数等值线图法,绘制平均年径流量等值线图时要注意的几个问题：,流域下垫面条件如流域面积大小对径流量亦有影响，为消除这种非分区性因素的影响，绘制等值线图采用径流深R(mm)；多年平均年径流深等值线点应绘在流域面积的形心处，而不是绘在流域出口断面处。,在图上描绘出设计断面B以上流域的范围，并定出形心A的位置；当流域面积较小时，径流深等值线分布均匀时，根据等值线图采用直线内插法求流域形心多年平均径流深R；如流域面积较大或等值线分布不均时，可采用加权平均法：,用等值线图法求多年平均径流深R的步骤：,1,2,流域形心A位于等值线800750mm之间，与800mm等值线的距离相当于二等值线间距的1/5，故按内插法可求到流域形心A处的年径流深,【例】,径流深等值线图,加权平均法推求多年平均年径流深示意图,式中，R设计：设计站流域的多年平均年径流深(mm)R1,R2,Rn：等值线所代表的多年平均径流深(mm)f1,f2,fn：两相邻等值线间的部分流域面积(km2)F：流域总面积(km2),年径流深变差系数CV的估算CV的估算亦可用等值线图法和水文比拟法，其方法与年径流深推求法相似。,年径流量偏态系数CS的估算年径流深