水文第七章-设计年径流

第八章设计年径流计算及其年内分配,第一节概述,第二节年径流的影响因素,第三节有长期实测资料时，设计年径流及年内分配分析计算,第四节有短期实测资料时，设计年径流及年内分配分析计算,第五节缺乏实资料时，设计年径流及年内分配分析计算,第一节概述一、年径流的特性1、定义：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。年度：在水文计算中多指水文年，而不是日历年。所谓水文年是从每年雨季或融雪河水上涨的汛期开始，到次年枯水期终了为止。但水文年鉴中是按日历年统计的。,T：一年的总时间（单位：s）W：一年内的总径流量（单位：m3）,2、水量表示法1）平均流量,2）年径流深：某断面一年内的径流总量平铺到断面以上集水面积上所达到的深度(mm)。Y=W/(1000*F)F：断面以上集水面积(单位：km2),3、年径流变化的特性1）年际之间变化剧烈年径流量年际之间的变化以随机性为主，年与年之间差别较大。一般：K丰=E(Q丰)/Q多年=23K枯=E(Q枯)/Q多年=1/101/5。,2）连续的丰、枯水年组交替出现在多年变化中有丰水年组和枯水年组交替出现的现象，即又表现出长持续性变化的特点。,长江宜昌站年平均流量过程,3）具有以年为周期的汛期和枯季交替变化规律我国的河流，一般都由水量丰的汛期和水量少的枯水期这两种水量组成，与一年之中的气候相对应，但各年汛期的起止时间、历时、水量大小又都具有随机性，并不是各年都一致。,长江宜昌站2001-2002年月平均流量过程,二、设计年径流计算的任务水利工程的规模是由来水与用水矛盾的大小和希望解决矛盾的程度（即设计保证率）决定的。本章的主要任务是分析研究年径流的年际变化和年内分配规律，为工程设计提供“来水”依据。,主要步骤包括：（1）选定保证率；（2）进行时段径流量的频率计算；（3）选择典型，进行径流量的年内分配。按不同工程要求，又分为月分配、旬分配等。,第二节年径流的影响因素,分析年径流的影响因素，可以从流域水量平衡方程着手，以年为时段的水量平衡方程为：y=x-z+u+w,y：年径流深；x：年降水量；z：年蒸发量；u：时段始末流域蓄水量变化量；w：时段内与外流域的交换水量。,一、气候因素的影响年降水量、年蒸发量等二、下垫面因素的影响地形、湖泊、流域大小等三、人类活动的影响跨流域调水、修建水库、土地利用、工农业用水等。,第三节有长期实测资料时，设计年径流及年内分配分析计算一、水文资料的审查（“三性审查”）1、可靠性审查主要审查由于人为或天然原因造成的资料错误或时空不合理现象。审查的具体内容一般包括：,1）水位资料的审查了解水位基准面的情况，水尺零点高程有无变化，检查施测断面有无变动。,2）流量资料的审查,如：水位流量关系审查、水量平衡审查。,2、一致性审查,一致性审查的目的：为了使计算样本服从同一总体。,为什么要进行资料的一致性审查？,要求样本：独立（Independent）同分布（IdenticalDistribution）,目前国内外：水文计算采用纯随机模型！,2、一致性审查（续）,不一致原因上游修建水库蓄水、泄水，改变原天然径流过程；大洪水情况下分洪或发生决口、溃堤。,分析方法水量平衡原理修正；参证序列-设计序列相关法修正。,3、代表性审查代表性是指样本与总体接近的程度。,其它条件相同时，样本容量越小，抽样误差愈大。提高样本代表性的主要途径是增加样本容量。方法：插补延长；历史洪水调查；古洪水探测。,存在“抽样误差”,二、设计代表年年径流及年内分配的计算,将年径流量看作为简单独立随机变量，则实测年径流量系列为年径流量总体的一个随机样本，而未来工程运行期间的年径流量系列也是总体的一部分。因此，可以由以往n年实测年径流系列求得的分布函数（频率曲线）推断总体分布，并作为未来工程运行期间年径流量的分布函数。,设计年径流是指相应于设计频率的年径流量，设计年径流在年内各月(或旬)的分配称设计年径流的年内分配。,计算步骤：(一)设计时段径流量的计算1、计算时段的确定计算时段根据工程要求确定。灌溉工程取作物需水期作为计算时段；发电工程选枯水期和全年作为计算时段。,2、频率计算根据确定的计算时段统计时段径流量(按水利年统计)。对年径流量系列或时段径流量系列进行频率计算，推求指定频率的设计年径流量或设计时段径流量。频率曲线的线型采用P-型。参数采用目估适线法确定。参数初值可用矩法估计。,适线法是目前我国生产实践中广泛采用的方法。,计算步骤由矩法初估参数EX和Cv，Cs通常由地区上Cs/Cv的比值确定。年径流频率计算中Cs/Cv一般采用23。,样本由大到小排列，由期望公式确定的各项经验频率(分开处理方法)。,m从大到小排队的序号；n样本容量。,在海森机率格纸上点绘经验点据。,由P-型理论曲线进行适线。,以矩法计算的EX、Cv和Cs为适线的初值。,将此线画在绘有经验点据的图上，看与经验点据配合的情况，若不理想，则修改参数(主要调整Cv以及Cs),再次进行计算。,根据频率曲线与经验点据的配合情况选定最终的频率曲线。,相应于该曲线的参数便看作是总体参数的估值。该曲线上指定频率的设计值便是所要求的设计年径流量或设计时段径流量。,（二）年径流的年内分配在水文计算中，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、代表年的选择水量相近原则选年径流量与设计年径流量相近的年份。对工程不利原则对灌溉工程：选作物需水季节来水少的年份；对发电工程：选枯水季长，枯季水少的年份。,2、径流年时分配计算常用的有同倍比法和同频率法两种。同倍比法用设计年径流量与代表年年径流量的比值或设计的供水期水量与代表年的供水期水量的比值，对整个代表年的月径流过程进行缩放，得到设计年内分配。同频率法同频率法的基本思想是使所求的设计年内分配的各个时段径流量都符合设计频率，采用各时段不同的倍比缩放代表年的逐月径流。,根据工程性质选定几个计算时段，如最小1个月、最小3个月、最小7个月、全年等；进行各时段水量的频率计算，求得指定频率的各时段径流量Q1,P、Q3,P、Q7,P按水量相近和对工程不利的原则选取代表年，在代表年的逐月径流量过程线上，统计最小1个月、最小3个月、最小7个月流量Q1,D、Q3,D、Q7,D，并要求短时段的水量包含在长时段的水量之内。计算各时段的放大倍比。,按各时段不同的倍比缩放代表年的逐月径流(算例见P163),同频率法推求设计年径流过程的步骤如下：,一般n20为短系列。与长系列资料相比，计算方法相同。但之前必须多做一项工作对资料进行插补延长。,第四节有短期实测资料时，设计年径流及年内分配分析计算,选择参证变量的条件：1）参证变量与设计站的年、月径流在成因上有密切联系；2）参证变量与设计站的年、月径流有一段相当长的平行观测期；3）参证变量必须具有足够长的实测系列。,在水文计算中，常用相关法来展延系列。即选择参证变量，根据设计站年、月径流与参证变量的同期观测资料建立两者之间的相关关系，然后利用较长系列的参证资料通过相关关系来展延设计站的年、月径流资料。,（一）利用径流资料展延系列,1、邻近站径流量相关法以上、下游站建相关关系为例：区间不大，则直接建立y设y参关系,区间面积较大，y设x参关系不好时，可加入区间的因素,区间因素可以用区间年径流量y区间或年降雨量x区间来表示。,（二）利用降雨资料展延系列一般对湿润地区，径流量y与降雨量x的关系较好；而干旱地区，蒸发量z的作用不可忽略，y与x的关系不好。当资料充分时，可直接建立y年x年关系。由于地区的不同，相关图各有所异。如：湿润地区：相关关系较好干旱地区：要把z加入相关图中,三、相关展延的注意事项1、平行观测的资料不可太少n152、辗转相关问题不同站之间的问题,如图，A、B、C、D站之中，仅A站较长，B、C、D站资料短。现欲由A站将D站插补展延。但直接建立A与D的相关关系时，发现相关性太差，因此建立ABCD的关系。这种做法就叫做辗转相关。因为A、D之间实际上或物理成因上关系很小，所以相关性必然较差。若经ABCD，虽在表面上各个子环节关系很好，但误差始终没变，而是分散了到各个中间环节之中。如下图：,同一站不同变量之间的问题如某站Qm资料较长，而W3d、W7d、W15d、W30d资料少，现欲展延W30d，而采用QmW3dW7dW15dW30d，由于相邻短时段资料相关性较好，故造成精度很高的假象；而直接建立的QmW30d关系微弱，这也是辗转相关。注意：研究两个变量之间的相关，首先看两者在物理成因上是否有联系。,3、假相关问题两变量x、y之间关系散乱，有人会采用如下两种方法：1）在x、y之中加入共同成分后再相关如：x+zy+z，x/zy/z等。2）变换后再相关如：lnxlny，x*1/2y*1/2经以上方法处理后，相关关系往往会变好。这样的相关就叫做假相关。,注：假相关的误差很大，应避免；应该用原变量作相关。,4、外延幅度在实测资料范围外进行展延时，误差将增大。当必须展延时，外延幅度不能太大，一般30(xmax-xmin),5、插补的项数问题相关线上的点反映的是平均情况，也即给定一个x，y只是与x对应的无穷多个值中最可能的一个。因此，由相关方程插补展延得到的系列，数据的变幅减小，系列的CV减小，最终影响成果的精度。,第三节缺乏实测径流资料时设计年径流量的分析计算,无资料情况下，一般采用等值线图法或水文比拟法，直接估计年径流量分布的参数均值、CV和CS，然后求某指定频率下的设计年径流量，再移用邻近流域代表年的年径流过程进行时程分配。一、设计年径流的推求1、等值线图法,应用：a.勾出设计断面以上的流域分水线；b.对大多数面积较小的流域，确定流域的形心，通过流域形心处的等值线数值可作为设计流域的多年平均径流量；若无等值线通过，可通过线性内插得到。,c.对大中流域，用面积加权平均法确定。,y设计站多年平均年径流深；,f1,f2,fn两相邻等值线间的部分流域面积,其和全流域总面积；h0,h1,hn等值线代表的多年平均年径流量。,CV可用等值线图法确定，方法与多年平均径流深类似；CS可根据CS/CV的比值来确定。CS/CV查水文手册得到，或取CS=2CV。,（2）年径流变差系数CV及变差系数CS的估算,2、水文比拟法将参证流域的某一水文特征量移用到设计流域的方法