第七章设计年径流分析及径流随机模拟

1、 7.1 概述概述一、年径流一、年径流的的变化特性变化特性 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。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。所谓年度：在水文计算中多指水文年，而不是日历年。所谓水文水文年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。了为止。但水文年鉴中是按日历年统计的。 T T：一年的总时间（单位：一年的总时间（单位：s s） W W：一年内的总径流量（单位：一年

2、内的总径流量（单位：m m3 3） 2 2、水量表示法、水量表示法 (1(1）平均流量）平均流量 TWQ QtWT2）年径流深：某断面一年内的径流总量平铺到断面以）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上集水面积上所达到的 深度深度(mm)。 R=W/( (1000.A) ) A：断面以上集水面积：断面以上集水面积(单位：单位：km2) 3 3、年径流变化的特性、年径流变化的特性 （1 1）年际之间变化剧烈）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：较大。一般：0.2-1 . 0Q

3、Q3-2QQ枯丰枯丰丰KK（2 2）具有以年为周期的汛期和枯季交替变化规律）具有以年为周期的汛期和枯季交替变化规律 国内主要河流，一般都由水量丰的汛期和水量少的枯国内主要河流，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。是各年都一致。 0 0500050001000010000150001500020000200002500025000300003000035000350002001年1月200

4、1年1月2001年3月2001年3月2001年5月2001年5月2001年7月2001年7月2001年9月2001年9月2001年11月2001年11月2002年1月2002年1月2002年3月2002年3月2002年5月2002年5月2002年7月2002年7月2002年9月2002年9月2002年11月2002年11月长江宜昌站长江宜昌站2001-20022001-2002年月平均流量过程年月平均流量过程 （3）连续的丰、枯水年组交替出现连续的丰、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，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。

5、即又表现出长持续性变化的特点。0 02000200040004000600060008000800010000100001200012000140001400016000160001800018000200002000018781878188618861894189419021902191019101918191819261926193419341942194219501950195819581966196619741974198219821990199019981998年份年份年平均流量（m年平均流量（m3 3/s）/s）长江宜昌站年平均流量过程长江宜昌站年平均流量过程 3. 影响年径流的因

6、素 分析影响年径流的因素，可以从流域水量平衡方程分析影响年径流的因素，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：着手，以年为时段的水量平衡方程为： R=P- -E+ Q+ W受气象因素影响受气象因素影响受下垫面因素影响受下垫面因素影响 R R：年径流深；：年径流深； P P：年降水量；：年降水量； E E：年蒸发量；：年蒸发量； Q Q：时段始末流域蓄水量变化量；：时段始末流域蓄水量变化量； W W：时段内与外流域的交换水量。时段内与外流域的交换水量。PERW入入W出出 气候因素的影响：气候因素的影响：年降水量、年蒸发量等年降水量、年蒸发量等 下垫面因素的影响：下垫面因素的影响：

7、地形、地貌、土壤、植被、湖泊、地形、地貌、土壤、植被、湖泊、 流域大小及形态等流域大小及形态等 人类活动的影响人类活动的影响 ：跨流域调水、修建水库、土地利用、跨流域调水、修建水库、土地利用、 生产用水、生活用水、生态用水等。生产用水、生活用水、生态用水等。二、工程规模与来水用水及保证率关系二、工程规模与来水用水及保证率关系 水利工程的规模是由来水与用水矛盾的大小和希望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。解决矛盾的程度（即设计保证率）决定的。三、水文设计主要任务三、水文设计主要任务 本章的主要任务是分析研究年径流的年际变化和年本章的主要任务是分析研

8、究年径流的年际变化和年内分配规律，为工程设计提供内分配规律，为工程设计提供“来水来水”依据。依据。 主要步骤包括：主要步骤包括： （1）选定保证率；）选定保证率； （2）进行时段径流量的频率计算；）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。）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。按不同工程要求，又分为月分配、旬分配等。7.27.2 具有长期实测资料时设计年径流计算具有长期实测资料时设计年径流计算一、一、水文资料审查水文资料审查“三性审查三性审查” 1. 资料可靠性审查资料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主要

9、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：理现象。审查的具体内容一般包括： （1 1）水位资料的审查）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。测断面有无变动。测站基面（冻结基面）测站基面（冻结基面）绝对基面绝对基面不同的高程系统：黄海、废黄河、吴淞、珠江基面不同的高程系统：黄海、废黄河、吴淞、珠江基面19561956年后，年后，5656黄海基面；黄海基面；19851985年后，年后，8585黄海基面（又称黄海基面（又称8585国家高程基准）。国家高程基准）。水准基面

10、(2) (2) 水位流量关系的审查水位流量关系的审查 水位流量关系的延长方法；历年水位流量关系的变化。水位流量关系的延长方法；历年水位流量关系的变化。 (3) (3) 水量平衡审查水量平衡审查 根据水量平衡原理，上游、区间和下游的水量应平衡。根据水量平衡原理，上游、区间和下游的水量应平衡。原因：经核查发现，江界河浮标系数原因：经核查发现，江界河浮标系数 K Kf f 采用的是采用的是0.850.85， 而应采用而应采用0.9-1.00.9-1.0。 例：贵州乌江渡水量平衡计算发现：例：贵州乌江渡水量平衡计算发现： W WW江江区区乌乌 区间区间W W区区乌江渡乌江渡江界河江界河 2.2.一致性

11、审查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。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？为什么要进行资料的一致性审查？要求样本：要求样本： 独立（独立（Independent） 同分布（同分布（IdenticalDistribution）目前国内外：水文计算采用纯随机模型！目前国内外：水文计算采用纯随机模型！即样本独立随机抽自同一总体。即样本独立随机抽自同一总体。检查资料是否一致？检查资料是否一致？YesOk进行资料一致性修正进行资料一致性修正No不一致原因不一致原因: : 上游修建水库蓄水、泄水，改变了原天然径上游修建水库蓄水、泄水，改变了原

12、天然径流过程；大洪水情况下分洪或发生决口、溃堤。流过程；大洪水情况下分洪或发生决口、溃堤。分析方法分析方法：水量平衡原理修正；降雨径流相关法修正。水量平衡原理修正；降雨径流相关法修正。 3. 3. 代表性审查代表性审查代表性是指样本与总体接近的程度。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。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：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；插补延长； 历史洪水调查；历史洪水调查； 古洪水探测。古洪水探测。 有限样本有限样本x1, x2, , xn无限总体无限总

13、体存在存在 “抽样误差抽样误差” 由于样本总体未知，故样本代表性的分析不能由自身由于样本总体未知，故样本代表性的分析不能由自身来评判。可以根据参证站样本的代表性来间接分析。来评判。可以根据参证站样本的代表性来间接分析。参证站参证站设计站设计站nnN二、设计年、月径流量系列选取二、设计年、月径流量系列选取 实测径流系列经过审查和分析后，再按照水利年构成一个实测径流系列经过审查和分析后，再按照水利年构成一个新的年、月径流系列，并从中选出代表段的年月径流系列。新的年、月径流系列，并从中选出代表段的年月径流系列。丰水年、平水年、枯水年、一个或几个完整的调节周期丰水年、平水年、枯水年、一个或几个完整的调

14、节周期代表段包括代表段包括代表段的年径流均值、离散系数代表段的年径流均值、离散系数三、实际代表年的年、月径流量三、实际代表年的年、月径流量方法形象、简单、方便、在灌溉工程设计中应用广泛。方法形象、简单、方便、在灌溉工程设计中应用广泛。方法优缺点方法优缺点对于水电工程，有时从实际资料中选出能代表丰水年、对于水电工程，有时从实际资料中选出能代表丰水年、平水年、枯水年平水年、枯水年3 3 种分配特性的实际年分别作为种分配特性的实际年分别作为丰水丰水年、平水年、枯水年的设计年、平水年、枯水年的设计代表年。选择的原则是设代表年。选择的原则是设计代表年的各设计时段径流量尽量尽可能接近设计要计代表年的各设计

15、时段径流量尽量尽可能接近设计要求的径流量；若其实段径流量与设计要求相差较大时，求的径流量；若其实段径流量与设计要求相差较大时，不能采用此法。不能采用此法。1)计算时段的确定计算时段的确定 计算时段根据工程要求确定。灌溉计算时段根据工程要求确定。灌溉工工程取作物需水期作程取作物需水期作为计算时段；发电工程选枯水为计算时段；发电工程选枯水期和全年期和全年作为计作为计算算时段。时段。 (2)(2)频率计算频率计算 根据确定的计算时段统计时段径流量根据确定的计算时段统计时段径流量( (按水利年统计按水利年统计) )。对年径流量系列或时段径流量系列进行频率计算，推求指对年径流量系列或时段径流量系列进行频

16、率计算，推求指定频率的设计年径流量或设计时段径流量。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皮尔逊（频率曲线的线型采用皮尔逊（P-P-）型。参数采用目估）型。参数采用目估适线法适线法确定。参数初值可用矩法估计。确定。参数初值可用矩法估计。（3）计算步骤）计算步骤由矩法初估参数由矩法初估参数EX和和Cv，Cs通常由地区上通常由地区上Cs/ Cv的比值确定。的比值确定。 年径流频率计算中年径流频率计算中Cs/ Cv一般采用一般采用23。样本由大到小排列，由期望公式确定的各项经验频率。样本由大到小排列，由期望公式确定的各项经验频率。niiQnQ11)() 1(1112QQKKnCi

17、iniiv1nmP m从大到小排队的序号；从大到小排队的序号； n样本容量。样本容量。 在海森机率格纸上点绘经验点据。在海森机率格纸上点绘经验点据。 1 12 25 5101020203030 4040 5050 6060 70708080909095959898 999999.599.599.999.9-50-500 05050100100150150200200250250300300废黄河杨庄闸年平均流量频率曲线废黄河杨庄闸年平均流量频率曲线年平均流量（m年平均流量（m3 3/s/s)频率（%）频率（%） 以矩法计算的以矩法计算的 EX、 Cv和和 Cs为适线的初值。为适线的初值。)1

18、(PvPCQQ1 12 25 5101020203030 4040 5050 6060 70708080909095959898 999999.599.599.999.9-50-500 05050100100150150200200250250300300EX=63.2 Cv=0.80 Cs=1.80废黄河杨庄闸年平均流量频率曲线废黄河杨庄闸年平均流量频率曲线年平均流量（m年平均流量（m3 3/s/s)频率（%）频率（%） 相应于该曲线的参数便看作是总体参数的估值。该曲线上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指定频率的设计值便

19、是所要求的设计年径流量或设计时段径流量。量。2.2.年径流的年内分配年径流的年内分配 在水文计算中，一般采用在水文计算中，一般采用缩放代表年径流过程线缩放代表年径流过程线的方法来确的方法来确定设计年径流量的年内分配。定设计年径流量的年内分配。（1 1）代表年的选择）代表年的选择 水量相近原则水量相近原则 选年径流量与设计年径流量相近的年份。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。对发电工程：选枯水季长，枯季水少的年份。 （2 2）径流年时分配计算

20、）径流年时分配计算 常用的有常用的有同倍比法同倍比法和和同频率法同频率法两种。两种。 同倍比法同倍比法 用用设计年径流量设计年径流量与与代表年年径流量代表年年径流量的比值的比值或或设计的设计的供水期水量供水期水量与与代表年的供水期水量代表年的供水期水量的比值的比值，对整个代表，对整个代表年的月径流过程进行缩放，得到设计年内分配。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 同频率法的基本思想是使所求的设计年内分配的各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。缩

21、放代表年的逐月径流。根据工程性质选定几个计算时段，如最小根据工程性质选定几个计算时段，如最小3个月、最小个月、最小5个月、全年等；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流量Q3,P、Q5,P 、Q全年全年,P按按水量相近水量相近和和对工程不利对工程不利的原则选取代表年，在代表年的原则选取代表年，在代表年的逐月径流量过程线上，统计最小的逐月径流量过程线上，统计最小3个月、最小个月、最小5个月、个月、最小最小7个月流量个月流量Q3,D、Q5,D 、Q全年全年,D ，并要求短时段，并要求短时段的水量包含在长时段的水量之内的水

22、量包含在长时段的水量之内。计算各时段的放大倍比。计算各时段的放大倍比。按按各时段不同的倍比缩放代表年的逐月径流各时段不同的倍比缩放代表年的逐月径流DDPPDPQQQQKQQK,3,5,3,535,3,33 同频率法推求设计年径流过程的步骤如下：同频率法推求设计年径流过程的步骤如下：K3=1.06K5-3=0.844K12-5=0.858 一般一般n20为短系列。与长系列资料相比，计算方法为短系列。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相同。但之前必须多做一项工作对资料进行插补延长。对资料进行插补延长。7.3 7.3 有短期实测资料时设计年径流计算有短期实测资料时设计年径流计算

23、选择参证变量的条件：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）参证变量与设计站的年、月径流在成因上有密切切联系；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；）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）参证变量必须具有足够长的的实测系列。实测系列。 在水文计算中，常用在水文计算中，常用相关法相关法来展延系列。即选择参证来展延系列。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建立两者之间的相关关

24、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。通过相关关系来展延设计站的年、月径流资料。y参参y设设参证站参证站设计站设计站一、利用径流资料展延系列一、利用径流资料展延系列 1. 邻近站径流量相关法邻近站径流量相关法 以上、下游站建相关关系为例：以上、下游站建相关关系为例： (1)区间不大，则直接建立区间不大，则直接建立y设设y参参关系关系 (2)区间面积较大，区间面积较大， y设设x参参关系不好时，可加入区间的因素关系不好时，可加入区间的因素区间因素可以用区间年径流量区间因素可以用区间年径流量y区间区间或年降雨量或年降雨量x区间区间来表示。来表示。y区间区间y参参y

25、设设y设设y参参x区间区间二、利用降雨资料展延系列二、利用降雨资料展延系列 一般对湿润地区，径流量一般对湿润地区，径流量y与降雨量与降雨量x的关系较好；而的关系较好；而干旱地区，蒸发量干旱地区，蒸发量z的作用不可忽略，的作用不可忽略，y与与x的关系不好。的关系不好。 当资料充分时，可直接建立当资料充分时，可直接建立y年年x年年关系。由于地区的关系。由于地区的不同，相关图各有所异。如：不同，相关图各有所异。如： 湿润地区：相关关系较好湿润地区：相关关系较好 干旱地区：要把干旱地区：要把z加入相关图中加入相关图中 y年年x年年湿润地区湿润地区x年年y年年z干旱地区干旱地区7.4 缺乏实测径流资料时

26、设计年径流计算无资料情况下，一般采用无资料情况下，一般采用等值线图法等值线图法或或水文比拟法水文比拟法，直接估计年径流量分布的参数直接估计年径流量分布的参数:均值、均值、CV和和CS，然后求某，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。径流过程进行时程分配。一、一、 水文比拟法水文比拟法 将参证流域的某一水文特征量移用到设计流域的方法。将参证流域的某一水文特征量移用到设计流域的方法。方法的方法的关键在于选择恰当的参证流域关键在于选择恰当的参证流域。所。所 选参证流域的气选参证流域的气候及下垫面条件要尽可能相

27、似；有较长的资料，以保证计候及下垫面条件要尽可能相似；有较长的资料，以保证计算误差小。算误差小。 1. 直接移置直接移置 年，设年，参月，参月年，设yyyy参设参设参设ssvvCCCCyy参参设设yppy2.2.修正移置修正移置当参证流域与设计流域降水量差异明显时，根据雨量进行当参证流域与设计流域降水量差异明显时，根据雨量进行修正。修正。二、参数等值线图法二、参数等值线图法 1. 1. 多年平均径流深估算多年平均径流深估算 闭合流域的年径流平衡方程为：闭合流域的年径流平衡方程为： ZPYYZP 降水量和蒸发量具有地区分布规律，所以径流深也具有地区分降水量和蒸发量具有地区分布规律，所以径流深也具有地区分 布规律。随地理坐标不同发生连续均匀的变化。布规律。随地理坐标不同发生连续均匀的变化。 2.2.直接将参证流域直接将参证流域年径流量年径流量C Cv v 移用至设计流域移用至设计流域, ,或根据或根据 参证流参证流域年降雨量域年降雨量C Cv v与设计流域年降雨量与设计流域年降雨量C Cv v的比值进行修正。的比值进行修正。，参，参，设，设yvpvpvyvCCCC3. 3. 年径流量年径流量C CS S可根据可根据C Cs s / C/ Cv v的比值来确定。的比值来确定。 C Cs s / C/ Cv v