第七章 径流调节计算2015.11.19幻灯片.ppt

第一节概述第二节影响年径流的因素第三节具有长期实测资料时设计年径流的计算第四节具有短期实测资料时设计年径流的计算第五节缺乏实测径流资料时设计年径流的计算,第七章设计年径流计算,研究内容：年径流变化及其影响因素；设计年径流量分析计算及其年内分配。研究目的：在研究年径流年际变化和年内分配规律的基础上，预估未来工程运行期间的径流变化情况，为合理确定工程规模和效益提供正确的水文依据-来水资料。年径流分析计算是为水利水电工程的规划设计服务的。,第一节概述,一、年径流的变化特征1.年径流量：一年内通过河流某断面的水量。它可以用年平均流量Q(m3/s)、年径流深R(mm)、年径流总量W(m3)及年径流模数M(m3/s.km2)表示。2.年径流变化特性：年内变化特性:以年为周期的汛期与枯水期交替变化的规律；年际变化特性:年际间变化很大，K丰=2-3，K枯=0.1-0.2;多年变化中具有丰水年组和枯水年组交替出现的现象。平水年：年平均流量接近于多年平均值的那些年份。丰水年：年平均流量大于多年平均值的那些年份。枯水年：年平均流量小于多年平均值的那些年份。,1,10,11,12,6,7,8,9,5,4,3,2,Q来水,q用水,图7-2丰水年来水、用水对照图,图7-3枯水年来水、用水对照图,流量（m3/s),流量（m3/s),月,月,12,11,9,10,8,2,4,5,3,1,6,7,丰水年，来水与用水矛盾不突出，所需工程规模较小；,枯水年，来水与用水矛盾突出，所需工程规模较大。,二、工程规模与来水、用水、保证率的关系为了按时按量地满足用水部门的需水要求，必须兴建水利工程，对天然径流加以人工调节，按用水要求泄放。,1.来水、用水对工程规模的影响,2.年径流量相同，但年内各月分配不同，工程规模大小也不同。,例.某灌区有n年的年径流量和灌溉用水资料，可以求出n个大小不一的库容值v1,v2,vn。用什么样的库容值来设计水库呢？库容选大些，灌溉用水的保证程度就高些，但投资要多；库容选小些，可节省投资，但灌溉用水的保证程度就低些;,当Q来、q用一定时，p，则vP；当p、q用一定时，Q来，则vP；当Q来、p一定时，q用，则vP。,P(%),V,p,VP,在规划设计阶段，水利工程的规模是由来水、用水矛盾的大小和希望解决矛盾的程度（即设计保证率）来决定的。在规划设计阶段要分析工程规模、来水、用水、保证率四者之间的关系，经过技术经济比较来确定工程规模。,3.工程规模与来水、用水、保证率的关系,三、水文计算任务在研究年径流年际变化和年内分配规律的基础上，预估未来工程运行期间的径流变化情况，为合理确定工程规模和效益提供正确的水文依据-来水资料。,计算目的：为确定工程规模大小提供来水资料。计算任务：推求不同保证率下的年径流量及其年内分配过程。,在水利工程的规划设计中，依据设计要求、可利用水文资料系列长度、采用水利计算方法等的不同，要求提供的来水资料也不同，例如：,对于无调节性能的引水工程，要求提供历年（或代表年）逐日流量过程资料；对于有调节性能的蓄水工程，要求提供历年（或代表年）的逐月（旬）流量过程资料，供水利计算应用。,四、确定工程规模思路未来来水量：根据过去的观测资料来预估。-本章节所学内容未来用水量：按照国民经济的发展进行预测。工程规模：来水量与用水量进行水量平衡计算。,过去观测资料,现在规划设计,未来运行管理,日历年度:每年阳历1月1日-12月31日为一个完整的年份。一般用于水文年鉴和水资源公报等。水文年度:以水文现象的循环规律来划分；年径流量计算的起讫时间，即从每年的汛期开始到下一年的枯水期结束为止。一般用于流域流域水文资料整编、水量平衡计算等。水利年度：以来水和用水的情况确定；以水库蓄水开始到供水结束为止。水电工程的规划设计一般是按水利年度进行的。一般用于水利工程的兴利调节计算和优化调度等。,补充相关概念,1.年度分类：日历年度、水文年度、水利年度,2.保证率：工程运行过程中，达到工程设计规划目标的年数占工程运行总年数的百分比。,3.设计保证率：是水利规划的标准，也是决定工程规模的依据。是根据各用水部门的特征，定出在多年运行期间用水部门正常工作所能得到保证的程度，以百分数计。各个用水部门有各自的设计保证率，如灌溉保证率、发电保证率、通航保证率和供水保证率等。某工程设计保证率为75%，表示就今后长期平均而言，对该工程所能提供的水量（或保持的水位），在一百年中只能保证七十五年，其余二十五年不能满足。就其性质来说，保证率也就是频率。,第二节具有长期实测资料时设计年径流计算,长系列年径流资料是指设计代表站断面或参证流域断面应有不小于30年的实测径流系列。若实测系列小于30年，应设法将系列加以延长；若系列中有缺测资料，应设法予以插补；若有较明显的人类活动影响，应进行径流资料的还原计算。,在水利工程规划设计阶段，当具有长期实测径流资料时，通过水文分析计算预估未来径流量，按设计要求，有三种类型：（1）设计年、月径流系列-长系列法、时历法；（2）实际代表年的年、月径流量-实际代表年法；（3）设计代表年的年、月径流量-设计代表年法。设计年径流的计算步骤：（1）应对实测径流资料进行审查（“三性”审查）；（2）推求设计年径流量（频率计算）；（3）确定设计年径流的年内分配过程（年内分配计算）；（4）成果合理性分析。,一、水文资料的“三性”审查审查包括年径流量系列的可靠性、一致性和代表性。1.可靠性审查水位资料审查审查测验方法和测验成果。包括检查水位和流量资料情况，分析水位过程线形状，了解当时观测质量，分析有无不合理的现象等；水位流量关系曲线审查审查整编方法和整编成果。检查水位流量关系曲线绘制和延长的方法，分析历年水位流量关系曲线的变化情况；水量平衡审查用来评估径流资料的精度。根据水量平衡原理，下游站的径流量等于上游站径流量加区间径流量，如不相等，分析原因。,2.一致性审查一致性是指资料系列所在流域的气候条件和下垫面条件比较稳定，无显著变化。,气候条件审查-变化比较慢，可认为相等稳定。下垫面条件审查-由于人类活动的影响，下垫面条件变化显著。例如流域内水利工程的兴建、灌溉工程、退耕还林等。实测径流的还原计算-如果实测经流量下垫面条件变化显著，一致性受到破坏时，需对实测经流资料进行还原计算。,还原方法：水量平衡法、降雨径流相关法,3.代表性审查样本系列对年径流总体的接近程度。水文计算成果的精度取决于样本对总体的代表性。样本对总体代表性的高低，可通过对二者统计参数的接近程度加以判断。常用的方法：与参证系列的统计参数进行对比分析来衡量其代表性。审查内容：样本的分布参数与总体分布参数的接近程度。,参证变量法（审查方法）参证系列的要求：与设计系列具有相同的成因；设计系列与参证系列的时序变化具有同步性；参证系列本身具有较高的代表性。计算参证变量长、短系列分布参数，参证变量的短系列所处时段与设计变量实测系列的时段相同；如果参证变量长、短系列的分布参数大致相近可认为参证变量的短系列具有代表性，从而认为设计变量系列具有代表性。,历史调查法（成果论证法）调查历史上出现过的旱、涝现象，估计其等级和频率，然后与频率计算成果中同等级的旱、涝频率进行比较，如果比较接近，可认为所选的径流资料具有代表性；分析流域气候特性（周期特性），如果实测径流资料恰好包括用一个水文周期，可认为所选取的径流资料具有代表性。,二、长系列法（设计年、月径流系列）步骤：（1）按水利年度排列为一个新的年、月径流系列实测径流系列经过审查和分析后，再按水利年度排列为一个新的年、月径流系列。（2）从新系列中选代表段代表段必须满足三个条件：包括丰、平、枯水年；有一个或几个完整的调节周期；代表段的年径流量均值、离势系数应与长系列的相近。用这个代表段的年、月径流量过程来代表未来工程运行期间的年、月径流量变化。这个代表段就是水利计算所要求的“设计年、月径流系列”。,（3）推求设计库容根据来水与用水进行水量平衡计算，求得逐年所需库容值（v1,v2vn);将库容从小到大排列，计算各经验频率，点绘于频率格纸上，绘出频率曲线；在频率曲线上查得相应的设计库容值。,P(%),v,p,vp,优点：保证率概念比较明确缺点：对水文资料要求较高、计算量大,一般应用于大型水利工程的规划设计,三、实际代表年法实际代表年法就是从实测年、月径流量系列中，选出一个和几个实际的干旱年作为代表年，用其年径流分配过程直接与该年的用水过程相结合而进行调节计算，求出调节库容，确定工程规模。选出的年份就称为实际代表年，其年、月径流量，就是实际代表年年、月径流量。,优点：操作简单、直观明晰缺点：不一定符合设计保证率,一般用于灌溉工程的设计,四、设计代表年法实测年径流系列是年径流总体的一个随机样本，可用实测的n年径流资料推求总体的分布函数，并作为未来工程运行期间年径流的分布函数。（一）设计时段径流量的计算(1)确定计算时段计算时段按工程的要求来考虑。对多年调节水库，计算时段为年；对年调节水库，计算时段为3个月、5个月等。水电工程取枯水期或年，灌溉工程取灌溉期(2)频率计算根据历年逐月径流资料，统计时段径流量，按从大至小次序排列，构成径流计算系列，计算频率。(3)推求设计径流量适线法推求指定频率的各种时段的设计径流量。注:适线时要考虑全部经验点据，如果点据与曲线拟合不佳时，应考虑中、下部点据，适当照顾上部点据。年径流频率计算中，可采用Cs/Cv2-3。,(4)成果合理性分析成果分析主要对径流系列均值、变差系数及偏态系数进行合理性审查，可借助于水量平衡原理和径流的地理分布规律进行。多年平均年径流量的检查：通过上、下游站，邻近流域的值进行对比。一般x上x设x下；x小x设x大年径流离势系数Cv的检查：通过上、下游站，邻近流域的值进行对比。一般Cv下Cv设Cv上；Cv大Cv设Cv小年径流编态系数Cs的检查：一般情况下，Cs=2Cv，如果偏离该值，要从年雨量变化特征、下垫面条件、原始资料进行全面分析。,（二）年内分配计算一般采用缩放代表年径流过程线的方法来确定设计年径流量的年内分配。1.代表年的选择选择原则：（1）年径流相似原则：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）对工程不利原则：选取对工程较不利的代表年径流过程线。,2.径流年内分配计算（1）同倍比法按年水量控制和按供水期水量控制的两种同倍比法。同倍比计算式为：或用同一倍比对整个代表年的月径流过程进行缩放，即得设计年内过程。,（2）同频率法同频率法：按不同时段不同倍比缩放代表年的逐月径流，使所求的设计年内分配的各个时段径流量都能符合设计频率。具体计算步骤如下：根据要求选定几个时段，如最小1个月、最小3个月、最小7个月等；在代表年的逐月径流过程上，统计最小1个月的流量，连续最小3个月的流量，并要求长时段的水量包含短时段的水量在内。作各个时段的频率曲线，并求得设计频率的各个时段径流量，如最小1个月的设计流量，最小3个月的设计流量等。,计算缩放倍比用各自的缩放倍比乘对应的代表年的各月流量，即得设计年径流年内分配过程。,优点：对水文资料长度要求不高，保证率的概念明确，可提供不同保证率下的来水资料。缺点：同倍比法在计算时段和代表年的确定上存在困难；同频率法的年内分配会改变实际代表年的年内分配过程。,广泛用于水电工程的设计,五、实例某水库坝址处已得18年的年、月径流资料如下表，用水流量q=3m3/s.试求P=90%各种时段的设计流量及设计年内分配过程。,1.设计时段径流量计算（1）统计各种时段径流量，成果见表1.（2）计算各时段经验频率(3)绘经验点据。(4)初步参数估计以设计年径流量为例，计算年径流均值、离势系数：,12.216.2,表1某站各种时段径流量统计表,表2某站年径流频率计算表,取，利用皮尔逊III型分布离均系数表。（如下表3）表3年径流量频率曲线计算表备注：,(5)绘制理论频率曲线,将经验频率点据与理论频率曲线绘于同一张概率格纸上如图。由图可知，理论频率曲线与经验频率点配合较好，不用再配线，此皮尔逊III型曲线可作为该站年径流量的分布曲线。,其它时段径流量的频率计算步骤与设计年径流量计算完全相同。现将成果一并列于表（表4）.2.设计年径流年内分配P=90%的设计年平均流量为6.82m3/s，与之相近的实际枯水年有19711972、19641965、19591960年。其中，19641965年枯水期来水量较枯，选作枯水年的代表。,最小3个月的缩放比：,最小5个月其余2个月的缩放比：,全年其余7个月的缩放比：,（1）计算各时段的缩放比,同频率法,（2）计算设计枯水年的年内分配利用各时段的缩放比乘以对应的代表年的各月流量即得。（见下表）,（2）以19711972为代表年,计算年内分配利用各时段的缩放比乘以对应的代表年的各月流量即得。（见下表）,V兴=6.55m3/s.月,（3）同频率法的特点各控制时段都符合相同频率；由于各控制时段缩放比不同，求得的设计年内分配有可能不同于原代表年的分配形状；因此计算时段不宜取得过多，一般选取23个时段。同频率法求得的设计年内分配受代表年的影响较小，求得的兴利库容变动较小。,（1）按年作为控制时段计算缩放比：（2）同倍比缩放法推求设计年径流过程表5设计代表年年内分配（P=90%),同倍比法,（3）若按最小3个月供水期水量控制,=(3-2.12)+(3-1.71+3-1.24+3-1.05)-(3.46-3)=5.41m3/s.月,（4）按不同控制时段计算得到库容值,（5）同倍比法特点同倍比法按同一比缩放代表年的月径流过程，求得的设计年内分配仍保持原代表年分配形状；同倍比法缩放求得的设计年内分配随控制时段的不同、代表年的不同而有很大的差异，因此，求得的兴利库容有很大的变动。计算时段的确定比较困难。,第四节具有短期实测径流资料时设计年径流计算,短期实测径流资料:设计代表站只有短系列径流实测资料（n30年），其长度不能满足规范的要求。为了提高计算精度，保证成果的可靠性，必须设法展延年、月径流系列。在水文计算中，常用相关法来展延系列。,一、参证站的选择（1）参证站径流要与设计站径流在成因上有密切联系，才能保证相关关系有足够的精度。（2）参证站径流资料与设计站的径流资料要有一段相当长的平行观测期，以便建立可靠的相关关系。（3）参证站必须具有足够长的实测系列，除用以建立相关关系的同期资料外，还要有用来展延设计站缺测年份的径流资料。在实际工作中，通常利用参证站的径流量或降雨量作为参证资料来展延设计站的年、月径流量系列。,二、利用径流资料展延1.以邻近站年径流量展延年径流量利用上、下游站或邻近流域测站的实测径流资料，与设计站建立相关关系，延长设计断面的径流系列；,2.以邻近站月径流量展延年、月径流量月径流量之间相关关系不如年径流量相关关系好。用月径流量插补延长径流时，对成果要多作合理性分析。,三、利用降雨资料展延1.以年降雨径流相关展延年径流量湿润地区，流域的年径流量与流域的年降水量往往有良好的相关关系，插补资料精度较高。干旱地区，年径流量与年降雨量之间关系微弱，难定出相关线，插补资料精度较低。,2.以月降雨径流相关展延年、月径流系列,四、展延系列时必须注意的问题1.平行观测项数的多寡问题平行观测项数愈多，则其相关关系愈可靠。展延系列时，一般要求在1215项以上。2.辗转相关问题辗转相关常隐匿实际上积累的巨大误差，因此，最好不用辗转相关展延系列。3.假相关问题在建立相关关系时，应直接用原始变量之间建立关系。当用标准化量、无因次量或含有相同变量时，最容易出现