区域水资源估算与评价

2区域水资源估算与评价2.1区域水资源估算概述2.1.1区域水资源估算的任务研究区域内降水、蒸发、地表水、地下水之间的转化关系；计算河川径流量及地下水资源量、水质及时空分布特点。2.1.2区域水循环和水平衡对特定区域而言，水循环过程见下图示：水量转换关系区域水循环概念模式区域水量平衡方程某时段内,区域的水量平衡方程为:

P=R+E+Ug

±△V式中,P—降水量

R—河川径流量，R=Rs+Rg其中地表径流Rs为：

Rs

=P–Es-Up±（△V1

＋△V2

）

Up－地下水补给量，Up=Rg

+Eg

+Ug±△V3

E—蒸发量，E=Es+Eg

Ug

—地下水潜流量△V—调蓄量总和，△V＝△V1＋△V2＋△V3在多年均衡的情况下，

以上各式反映了某区域在多年均衡情况下，降水量、地表径流与地下水补给量三者之间的关系。降雨产水量降雨产水量是水分循环中每年可更新或恢复的地表水和地下水的淡水动态水量，即区域的水资源量。降雨产水量为形成河川的径流和地下潜流量之和，其计算公式为：区域水资源量计算式的一般形式为：因此，要进行区域水资源估算，需求出：河川径流量；地下水总补给量；重复水量。2.1.3区域水资源量计算工作内容基本资料的收集、审查及分析；水资源分区；降水、蒸发量的计算；河川径流量的分析计算；地下水补给量的分析计算；区域产水资源量计算。2.2降水量的计算降水是指大气中液态或固态的水汽凝结物从大气降落到地面的现象。主要指降雨。降水量是依据一定范围内多年收集的降水资料进行统计分析得出。2.2.1与降水有关的气象因素1、气温2、气压3、湿度4、云5、风与蒸发2.2.2降雨特性

降雨特性可用降雨量、降雨历时、降雨强度、暴雨中心等表示。降雨量指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总水量，用深度表示，以mm计；降雨历时指一次降雨所经历的时间，以分钟、小时、天为单位；降雨强度是指单位时间内的降雨量，以mm/h或mm/min计。降雨强度反映了一次降雨的强弱程度，可利用降雨强度对降雨分级。等级小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨12h降雨量/mm0.2~5.05~1515~3030~7070~100＞10024h降雨量/mm＜1010~2525~5050~100100~200＞2002.2.3流域面平均降雨量的计算由水文观测站观测到的降雨量称为点雨量。在水文计算中需要计算全流域（或地区）的降雨量，即面雨量。由点雨量推求面雨量的方法有：算术平均法垂直平均法（泰森多边形法）等雨深线法1、算术平均法当计算区域内各雨量取样站点分布比较均匀且密度较大、地形起伏变化不大时，可以用各雨量站同时段降雨量之和除以雨量站总数，即为该时段流域平均降雨量。2、垂直平均法(泰森多边形法)当流域内雨量站分布不均匀时，流域各处的降雨量可以用距离其最近的雨量站观测值代表。首先将各雨量站每相邻两点间用直线连接，并尽量使其构成锐角三角形网，然后分别作各三角形每条边的垂直平分线，并让其彼此相交，这些垂直平分线及其交点将围绕采样点形成相应的多边形封闭区域，而且每个部分面积中正好有一个雨量站。3、等雨深线法若流域内有足够多的雨量站，可以绘制同时段降雨量的等值线图时，可以用等雨深线法计算该时段流域平均降雨量。2.3蒸发量的计算◆蒸发是水循环的基本环节之一，对径流的形成有直接影响，研究流域蒸发对流域水资源的规划、管理和开发利用都有重要意义。◆蒸发是水循环中自降水到达地面后由液态或固态转化为水汽返回大气的阶段。◆蒸发的大小可以用蒸发量或蒸发率表示。蒸发量是指在某一时段内蒸发掉的水层深度，以mm计；蒸发率是指单位时间的蒸发量，或称蒸发速度，以mm/min或者mm/h计。◆流域上的蒸发包括水面蒸发和陆面蒸发，其中陆面蒸发包括土壤蒸发和植物蒸发。◆影响水面蒸发的主要因素有温度、湿度、风速、气压等气象条件；确定水面蒸发量的方法有器测法、经验公式法、水量平衡法和热量平衡法等。◆陆面蒸发情况复杂，影响陆面蒸发的因素有：气象因素、土壤性质、土壤含水量、地下水位的高低、地势和植被状况等条件。◆由于流域内气象条件和下垫面条件复杂，流域总蒸发难以直接测出，实用的方法是先对流域进行综合研究，再用水量平衡法推算流域的总蒸发量。对于多年平均情况，有

E=P-R

其中：E—流域多年平均蒸发量，mm；

P—流域多年平均降水量，mm；

R—流域多年平均径流深，mm。2.4河川径流量计算

河川径流是指降落到地面的雨水，除植物截流、地面填洼、下渗、蒸发等损失外，其余的由地下和地面汇集到河槽中并沿着河槽流动的水流。其中：沿着地面流动的水流称为地面径流或地表径流；沿土壤岩石孔隙流动的水流称为地下径流或河川基流。2.4.1河川径流的形成1、降水阶段；2、流域蓄渗阶段；3、坡面漫流阶段；4、河槽集流阶段。2.4.2河川径流的表示方法流量Q：单位时间内通过某一过水段面的水量。

流量随时间的变化过程可用流量过程线表示。径流总量W：一定时段内通过河流某一过水断面的总水量。W=Q.T(Q—时段平均流量)径流深R：某一时段内的径流总量平铺在全流域面积上所得的水层深度。R=W/1000F(F—流域面积，Km2)径流模数M：单位面积上所产生的流量。M=Q/F径流系数：同一时段内的径流深与降雨量的比值。2.4.3影响年径流量及年内分配的因素一、气候因素对年径流量的影响气候因素中年降雨量与年蒸发量对年径流量的影响程度随地理位置、高程不同而有差异。二、下垫面因素对年径流量的影响地形：通过对降雨、蒸发、气温的影响而间接对年径流量发生作用。湖泊：通过对蒸发的影响间接影响年径流量，还通过对流域蓄水量的调节影响年径流量的变化。流域大小：流域面积增大径流量变化相应减小。河道特性：河道的糙率、坡度、过水断面的大小和形状等会影响到水流输送速度和调蓄能力。土壤、岩石和地质构造：影响下渗量的大小。植被：植被和森林可以增加植物截留量，使汇流速度变慢，增加下渗和削减洪峰。三、人类活动因素：人类活动在一定程度上改变了流域的下垫面条件，从而改变了蒸发与径流的比例、地面径流与地下径流的比例以及径流在时间和空间上的分布。2.4.4河川径流量计算的任务1、计算多年平均年径流量；2、计算年径流量的年际变化特征；

3、计算不同频率的年径流量以及相应的年内分配特征。2.4.5年径流量的基本概念1、年径流量一年内通过河流某控制断面（如取水口或堰坝所在断面）的水量称为这个断面以上流域的年径流量。2、多年平均年径流量利用数理统计方法求出的某河流实测各年径流量的平均值称为多年平均年径流量。3、正常年径流量随着统计实测资料年数的增加，年径流量的均值将趋于一个稳定的数值，此值称为正常年径流量。4、设计年径流量通过河流某指定断面对应于设计频率的年径流量称为设计年径流量。2.4.6有长期径流资料时河川径流量的计算2.4.6.1资料三性的审查用以往长期实测年径流系列来反映未来的年径流变化时，要审查实测系列的可靠性、一致性和代表性。可靠性审查：审查径流资料的合理可靠性。审查测站的集水面积的变动情况；审查水位-流量关系线。一致性审查：审查受影响的径流与天然径流的一致性；代表性分析：分析样本系列分布对总体分布的接近程度。资料年数ｎ越长，样本越具有代表性，用它来估算总体误差就越小；一般用长系列来检验短系列的代表性，从而推估设计站同期系列的代表性。2.4.6.2多年平均年径流量计算1、实测年径流量（由水文站按《水文测验规范》进行测量，分别测量过水断面面积和流速得到）2、计算多年平均年径流量y平均=1/n∑yiy平均——平均年径流量Yi——实测各年年径流量2.4.6.3不同频率年径流量的推求一、水文统计的基本概念1、随机变量：随机试验中事件结果所取的数值称为随机变量。2、系列：由随机变量组成的一系列数值称为随机变量系列。3、总体：在随机试验中，随机变量所有可能不同结果的全体称为总体。4、样本：对随机变量的n次随机试验中所得n个具有独立性的观测值称为容量为n的随机样本。5、机率：随机事件客观上出现的可能性称为机率。它表示随机事件发生可能程度的理论值。6、频率：在具体的随机试验中，随机事件时机出现的次数与试验总数之比称为频率。它表示随机事件发生可能程度的实测值。7、累积频率：在无数次重复随机试验中，等量或超量累计频数与总的试验次数之比称为累积频率。8、重现期：等于或大于某随机变量平均多少年一遇的年距称为重现期。它等于累积频率的倒数。二、河流水文随机变量的统计参数1、均值：指样本系列的算术平均值。2、均方差：总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。它反映组内个体间的离散程度。3、变差系数：指均方差与均值之比。它反映实测系列对平均数的离散程度。4、偏差系数：反映样本系列不对称程度的参数。5、模比系数6、离均系数：离均系数Φ是对随机变量进行标准化处理后得到的随机变量。7、极值比

三、某一频率下设计年径流量的计算1、选样，分析实测资料的三性；2、计算经验频率，绘制经验频率曲线；3、计算径流量均值、偏差系数、变差系数等统计参数4、用适线法调整参数确定理论频率曲线；5、推求不同设计频率的年径流量。例：已收集到某站1950~1984年的实测最大流量记录，见表1.试用试错适线法确定P=1%设计最大流量。表1记录年份Qi(m3/s)记录年份Qi(m3/s)记录年份Qi(m3/s)195011200196217700197453401951815019631200019751150019529690196459601976424019531280019651060019775590195418500196632201978365019558220196761601979522019561330019688020198078501957850019691080019814520195810500197080001982595019591070019717290198351001960121001972549019847450196113900197310798解：1、计算经验累积频率曲线先将实测值不论年序按流量由大到小排列，统计各流量的发生频数f、累积频数m及经验累积频率P=m/n+1，计入表2中（三）（七）栏，绘制经验频率曲线。

2、计算实测系列统计参数

Q平均=∑Q/n=310098/35=8860(m3/s)

Ki=Qi/Q平均（见（四）栏）

Cv=(∑(Ki-1)2/n-1)1/2=(6.0452/35-1)1/2=0.423、取Cs=2Cv，Cs=3Cv，Cs=4Cv，列表试算合适理论累积频率曲线的统计参数，见表3，绘制理论累积频率曲线，选择合适的理论曲线。比较可知Cs=3Cv时的理论曲线较合适。

4、Q平均=8860m3/s，Cs,1.26，Cv=0.42得

Qp=20700m3/s.

表2某站实测最大流量经验累积频率计算表

序号记录年份

Qi

KiKi-1(Ki-1)2P=m/n+1%(一)（二）（三）（四）（五）（六）（七）11954185002.091.091.18812.821962177002.001.001.00005.631961139001.570.570.32498.341956133001.500.500.250011.151953128001.440.440.193613.961960121001.370.370.136916.771963120001.350.350.122519.481975115001.300.300.090022.291950112001.260.260.067625101969108001.220.220.048427.8111973107981.220.220.048430.6121959107001.210.210.044133.3序号记录年份

Qi

KiKi-1(Ki-1)2P=m/n+1%(一)（二）（三）（四）（五）（六）（七）131965106001.200.200.040036.1141958105001.180.180.032438.915195296901.090.090.008141.716195785000.96-0.040.001644.417195582200.93-0.070.004947.218195181500.92-0.080.006450.019196880200.91-0.090.008152.820197080000.90-0.100.010055.621198078500.89-0.110.012158.322198474500.84-0.160.025661.123197172900.82-0.180.032463.924196761600.70-0.300.090066.725196459600.67-0.330.108969.4序号记录年份

Qi

KiKi-1(Ki-1)2P=m/n+1%(一)（二）（三）（四）（五）（六）（七）26198259500.67-0.330.108972.227197755900.63-0.370.136975.028197254900.62-0.380.144477.829197453400.60-0.400.160080.630197952200.59-0.410.168183.331198351000.58-0.420.176486.132198145200.51-0.490.240188.933197642400.48-0.520.270491.734197836500.41-0.590.348194.435196632200.37-0.630.396997.2总计——31009835.000.006.0452——

表3理论累积频率曲线计算表（Q=8860，Cv=0.42）0.010.1151025507590959999.92∮5.594.302.921.851.340.58-0.14-0.73-1.16-1.37-1.71-1.972∮Cv2.351.811.230.780.560.24-0.06-0.31-0.49-0.58-0.72-0.832Kp3.352.812.231.781.561.240.940.690.510.420.280.172Qp2970024900198001580013800110008330611045203720248015103Kp3.753.062.341.801.561.220.910.690.550.490.410.363Qp3320027100207001600013800108008060611048704340364031904Kp4.153.312.451.821.551.180.890.700.590.550.520.504Qp368002940021700161001370010500789062005230487046004430四、年径流量变化特征1、河流径流多年变化和年内分配主要取决于补给水源。2、我国河流主要靠降雨补给，只有新疆、青海等地的部分河流靠冰川或融雪补给。3、反映年径流量多年变化的统计特征，可用：

1）、年径流变差系数；

2）、极值比；

3）、丰、平、枯水年的周期性和连丰、连枯年的持续性。4、靠降雨补给的河流Cv值大于靠冰川、融雪和降雨混合补给的河流Cv值，而后者的Cv值又大于靠地下水补给的河流Cv值。2.4.6.4河川径流量的年内分配计算一、正常年径流年内分配的计算◆正常年河川径流量的年内分布接近于多年平均情况；◆用历年各月径流量的多年平均值或用历年各月径流量的多年平均值占多年平均年径流量的百分比表示。二、设计年径流量的年内分配计算1、典型年的选择◆典型枯水年：年径流量接近于设计年径流量。设计频率P=90%~97%；枯水期最长、枯水流量最小，对工程不利。◆典型平水年：年径流量接近于设计年径流量。设计频率P=50%；径流年内逐月分配接近于历年逐月平均流量分配；对工程不利。◆典型丰水年：年径流量接近于设计年径流量。设计频率P＜10%；洪水期径流总量最大；年径流总量最大；对工程不利。2、计算方法：◆同倍比缩放法◆同频率缩放法2.5地下水资源估算2.5.1概述区域地下水资源分析计算的对象为浅层地下水；区域地下水资源分析计算的任务是掌握在当地降水补给条件下，经水循环后的产水量，了解地下水与地表水之间的转化关系，从而估算区域水资源量。地下水补给量的计算方法：根据地下水动态观测的资料直接计算补给量；按照补、排相等原理，计算地下水排泄量用以替代地下水补给量。2.5.2地下水的循环地下水的循环是指地下水的补给、径流与排泄过程。地下水的补给：大气降水的补给；地表水的补给；凝结水的补给；含水层之间的补给；人工补给。地下水的排泄含水层失去水量的过程叫做排泄。地下水的排泄方式：泉水排泄向地表水排泄蒸发排泄上、下含水层之间的排泄地下水的径流地下水由补给区流向排泄区的过程叫做径流；地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量；地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的方向与径流速度；补给条件、排泄条件好的含水层，径流条件好；含水层透水性越强径流条件越好。山丘区地下水的补给量用地下水的排泄量近似替代，包括：河川基流量；河床潜流量、山前侧向流出量、山前泉水出露量；浅层地下水开采的净耗量；潜水蒸发量。平原区地下水的计算可直接计算总补给量，也可用总排泄量替代：其总补给量包括：降水入渗量、山前侧向流入补给量、河道渗漏量、水库蓄水渗漏量、渠系渗漏量、田间入渗量、人工回灌量、越流补给量等。其总排泄量包括：向河道的排泄量、侧向流出量、越流排泄量、人工开采净耗量、潜水蒸发量等。◆主要的水文地质参数●水文地质参数是表征含水层性质特征的重要参数，其数值的大小是含水层各种性能的综合反映。●水文地质参数是进行水文地质计算和合理开发利用地下水的重要依据，同时关系到水量评价结果的正确与否。●常采用的水文地质参数有：渗透系数、导水系数、释水系数、给水度、降雨入渗系数、影响半径、压力传导系数、越流系数等。1、降水入渗系数a●

降水入渗系数a是指某时段降水入渗补给地下水的那部分水量与降水量的比值。●a值的大小取决于地表土层的岩性、土层结构、地形坡度、植物覆盖、降水量的大小以及降水形式等，其中地表土层的岩性的影响最显著。●确定a值的方法有：动态观测法、经验数值法等。2、给水度●给水度是指饱和含水层在重力作用下排出水的体积与整个含水层的总体积之比。●给水度是反映潜水含水层出水能力的参数。●给水度的确定方法有：实验室法、野外现场试验法、经验数值法等。2.5.3地下水允许开采量的确定允许开采量是指