石大水文学及水利计算课件第8章 设计年径流计算

第八章设计年径流计算第一节概述第二节长系列条件下设计年径流计算第三节短缺资料条件下设计年径流计算第四节设计年径流的时程分配第一节概述

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、年径流特性径流的年内变化径流的地区变化

径流的年际变化

径流的多年变化

某河某年流量过程线图

站名

各月分配百分比

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

宜昌

2.62.12.63.86.910.717.417.015.411.86.13.6100

汉口

2.72.64.05.48.610.514.414.813.211.77.84.3100

高场

2.21.92.53.66.311.320.318.414.910.35.23.1100

北碚

2.11.62.03.56.59.119.418.018.511.25.13.0100

长阳

1.91.93.05.16.87.217.516.620.012.34.82.9100

长江干支流主要站径流年内分配表源区源区面积（千平方公里）源区水资源量（亿立方米）源区水资源占流域水资源比重黄河源16.72157.949%长江源15.85180.625%澜沧江源3.74110.010%合计36.31448.521%“三江源”水资源情况

A:黄河源--唐乃亥站

B:长江源--直门达站

黑河流域莺落峡站历年年径流变化过程线

二、年径流分析计算的目的和内容

1、年径流分析计算的目的年径流分析计算是水资源利用工程中最重要的工作之一。设计年径流是衡量工程规模和确定水资源利用程度的重要指标。推求不同保证率的年径流量及其分配过程，就是设计年径流分析计算的主要目的。2、设计保证率与工程规模、来水、用水的关系

设计保证率：水资源利用工程包括水库蓄水工程、供水工程、水力发电工程和航运工程等，其设计标准，用保证率表示，反映对水利资源利用的保证程度。

保证率P＝

设计保证率的确定是政策性很强的问题，定高了，对天然来水调节利用充分，用水保证率高，但需要的工程规模大，投资多，可能造成投资浪费；定低了，工程规模小，投资少，但对天然来水不能充分调节，用水保证程度低，可能造成水资源浪费。在设计中，设计保证率是根据国家规范及用水部分要求合理确定的。三、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复习思考题一、选择题

我国年径流深分布的总趋势基本上是[____]。

a、自东南向西北递减；b、自东南向西北递增；

c、分布基本均匀；d、自西向东递增。径流是由降水形成的，故年径流与年降水量的关系[____]。

a、一定密切；b、一定不密切；

c、在湿润地区密切；d、在干旱地区密切。人类活动对流域多年平均降水量的影响一般[____]。

a、很显著；b、显著；c、不显著；d、根本没影响。流域中的湖泊围垦以后，流域多年平均年径流量一般比围垦前[____]。

a、增大；b、减少；c、不变；d、不肯定。人类活动（例如修建水库、灌溉、水土保持等）通过改变下墊面的性质间接影响年径流量，一般说来，这种影响使得[____]。

a、蒸发量基本不变，从而年径流量增加；

b、蒸发量增加，从而年径流量减少；

c、蒸发量基本不变，从而年径流量减少；

d、蒸发量增加，从而年径流量增加。一般情况下，对于大流域由于下述原因，从而使径流的年际、年内变化减小[____]。

a、调蓄能力弱，各区降水相互补偿作用大

b、调蓄能力强，各区降水相互补偿作用小

c、调蓄能力弱，各区降水相互补偿作用小

d、调蓄能力强，各区降水相互补偿作用大二、填空题2-1、某一年的年径流量与多年平均的年径流量之比称为______。2-2、描述河川径流变化特性时可用______变化和______变化来描述。2-3、下墊面对年径流的影响，一方面______，另一方面______。2-4、流域的大小对年径流的影响主要通过流域的_______而影响年径流的变化。三、是非题湿润地区，降水量多，年径流系数小，从而使年径流量与年降水量关系密切。湿润地区，降水量较多，年径流系数大，从而使年径流量与年降水量关系密切。干旱地区降水量较少，年蒸发系数较大，从而使年径流量与年降水量关系密切。干旱地区，降水量较少，年蒸发系数较大，从而使年径流量与年降水量关系不密切。干旱地区，降水量较少，年径流系数较小，从而使年径流量与年降水量关系不密切。四、问答题何谓年径流？它的表示方法和度量单位是什么？某流域下游有一个较大的湖泊与河流连通，后经人工围垦湖面缩小很多。试定性地分析围垦措施对正常年径流量、径流年际变化和年内变化有何影响？人类活动对年径流有哪些方面的影响？其中间接影响如修建水利工程等措施的实质是什么？如何影响年径流及其变化？何谓保证率？若某水库在运行100年中有85年保证了供水要求，其保证率为多少？破坏率又为多少？简述年径流年内、年际变化的主要特性？

第二节年径流的影响因素

1、分析和研究影响年径流的因素的目的当具有短期实测径流资料时，常常需要建立年径流量与有关因素之间的相关关系来展延年径流系列；当缺乏径流资料时，常用水文比拟法或等值线图法来推估年径流量，上述情况都要分析影响年径流的因素。一、影响年径流的因素2、如何确定影响年径流的因素

通常用水量平衡方程来研究影响年径流的因素。对于闭合流域，年水量平衡方程为R=P-E-△W

3、气候因素对年径流的影响气候因素对年径流的影响较大，决定河川径流的基本情态，是主导性影响因素。在气候因素中，年降水量与年蒸发量对年径流量的影响程度，随流域所在地区不同而有差异。4、流域下墊面因素对年径流的影响

流域下墊面因素包括地形、土壤、地质、植被、湖泊、沼泽和流域面积等。这些因素对年径流的影响，一方面表现在流域蓄水能力上，另一方面通过对降水和蒸发等气候条件的改变间接地影响年径流。5、人类活动对年径流的影响直接影响如跨流域引水，将本流域的水量引到另一流域，或将另一流域的水引到本流域，都直接影响河川的年径流量。

间接影响如修建水库、塘堰等水利工程，旱地改水田，坡地该梯田，浅耕改深耕，植树造林等农林措施，主要是通过改造下墊面的性质而影响年径流量。一般地说，这些措施都将使蒸发增加，从而使年径流量减少。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①

水位审查②

水位～流量关系审查③

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

1．年径流系列是否包括了一个比较完整的丰平枯水文周期。

2．与更长系列参证变量比较，设计变量与参证变量是否同步变化，两者同期的统计参数是否相近。代表性审查二、设计年径流的时程分配

河川径流的时程分配，一般是按其各月的径流分配比来表示。径流量月分配实际代表年法长期年法（全系列法）设计代表年法设计代表年法年内分配的原因减少计算量年内分配的计算过程

设计时段径流量——>年内分配1、设计时段径流量的计算（1）计算时段的确定

选择需要的时段（2）频率计算

适线法（3）合理性分析统计参数设计年径流：Q90%=106m3/s，Q50%=152m3/s，Q10%=210m3/s2、设计代表年年径流量的年内分布计算（1）代表年的选择流量相近原则：选择与设计年径流量大小相近的年。对工程不利的原则：比如供水期径流较小的年份。根据丰平枯（如p=20%、50%、80%或p=25%、50%、75%）不同年份，以及不同的任务选择代表年。（2）年内分配代表年的选择代表年：

1961～1962、1967～1968、1972～1973

（枯水年90%）（丰水年10%）（平水年50%）年径流时程分配计算

K=Wp/W实

K=Qp/Q实

用系数K遍乘代表年各月的实测径流过程，即得设计年径流的按月时程分配。同倍比法整个代表年的月径流过程同倍比系数缩放。同频率法各月或时段用水不同时，误差小。缩放系数K：

90%的枯水年：K=106/104=1.0250%的平水年：K=152/150=1.0110%的丰水年：K=210/200=1.05三、讨论同倍比法与同频率法缩放后的分配形状的改变；同频率法缩放受代表年的影响较小；代表年的选择。例题讲解：同频率法求P=90%设计枯水年年内分配。复习思考题一、选择题在年径流系列的代表性审查中，一般将[____]的同名统计参数相比较，当两者大致接近时，则认为设计变量系列具有代表性。

a、参证变量长系列与设计变量系列

b、同期的参证变量系列与设计变量系列

c、参证变量长系列与设计变量同期的参证变量系列

d、参证变量长系列与设计变量非同期的参证变量系列某流域根据实测年径流系列资料，经频率分析计算（配线）确定的频率曲线如图5-1所示，则推求出的二十年一遇的设计枯水年的年径流量为[____]。

a、Q1

b、Q2

c、Q3

d、Q4

设计年径流量随设计频率[____]。

a、增大而减小；b、增大而增大；

c、增大而不变；d、减小而不变。

衡量径流的年际变化常用[c]。

a、年径流偏态系数；

b、多年平均径流量；

c、年径流变差系数（离势系数）；

d、年径流模数。

二、填空题为方便水文分析计算而划分的年度称为______。为方便兴利调节计算而划分的年度称为______。在一定的兴利目标下，设计年径流的设计频率愈大，则相应的设计年径流量就愈______，要求的水库兴利库容就愈______。水文资料的三性审查是指对资料的______、______和______进行审查。对年径流系列一致性审查是建立在气候条件和下墊面条件稳定性上的，一般认为______是相对稳定的，主要由于_______受到明显的改变使资料一致性受到破坏。当年径流系列一致性遭到破坏时，必须对受到人类活动影响时期的水文资料进行______计算，使之-______状态。三、是非题设计年径流的计算中，设计频率愈大其相应的设计年径流量就愈大。年径流系列的代表性，是指该样本对年径流总体的接近程度。四、问答题水文资料的“三性”审查指的是什么？如何审查资料的代表性？如何分析判断年径流系列代表性的好坏？怎样提高系列的代表性？第四节短缺资料下设计年径流计算两种情况：实测资料长度不足—展延

完全无实测资料—间接估算参证变量应具备下列几个条件：参证变量与设计变量在成因上有密切联系；参证变量与设计变量有较长的同期观测资料，以便建立相关关系；参证变量应有长期的实测资料，以便用其插补延长设计站资料。在水文计算中，通常作为参证变量的有径流量资料或降水量资料。

一、较短系列时设计年径流计算

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利用本站的水位资料延长年径流系列

利用上下游站或邻近河流测站实测径流资料

利用年降水资料延长设计断面的年径流系列

年径流系列的展延

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（一）利用径流量资料展延系列利用上、下游站的年径流量资料来展延设计站的年径流量系列。利用自然地理条件相似的临近流域的年径流量作为参证变量。利用设计站与参证站月（季）径流量之间的相关关系来展延系列。。（二）利用降水量资料展延系列以年降雨径流相关法展延径流量系列。当实测年径流量系列与年降水量系列同期资料较短时，也可用月降水量与月径流量之间的相关关系来展延年径流系列。利用确定性的降雨径流模型插补年、月径流三、注意事项平行观测资料不能太少避免辗转相关和假相关系列外延的幅度不宜过大插补项数不能太多

第五节无资料时设计年径流计算

前提：设计流域所在的区域内有水文特征值的综合分析成果，或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可以利用。直接移置径流深（1）两流域年降雨量基本相等；（2）自然地理情况十分相近；（3）流域面积相差不大。（一）水文比拟法考虑雨量修正当自然地理情况十分相近，但是降雨量差别较大时，假定径流系数相等：

y年，设=（x年，设/x年，参）y年，参

y月，设=（y年，设/y年，参）y月，参移置参证流域的年降雨径流相关图消除个别资料的偶然因素影响。移置参证流域的降雨径流模型及其参数干旱年逐日P、E--->模型模拟径流量分配缺点：枯季径流量主要来自流域蓄水，误差大，加入地下水模型。参数等值线的作用：1、对比分析和检查修正；2、无资料时，直接用于插值求算统计参数。（二）参数等值线图法年径流深等直线图绘制水文特征值等值线图的依据和条件（1）分区性因素（气候因素）是地理坐标的函数，具有渐变规律，可以绘制；（2）非分区性因素（下垫面因素）是突变的，无法绘制。多年平均年径流深等值线的绘制和使用（1）绘制水文特征值（降水量、蒸发等），根据相同数值连接成线；径流深应标在形心（或平均高程）。（2）使用（小流域和山区注意修正）描出设计断面以上流域范围定出行心流域面积小->等值线内插流域面积大->加权平均法地下水埋深散点分布图（m）在等值线图上绘出待求流域分水线，定出流域形心。分两种情况计算：(1)流域面积F较小，且等值线在流域内分布均匀，形心处的值即为所求。(2)F较大或等值线在流域内分布不均匀时，由面积加权法计算。年径流均值的估算根据年径流深均值等值线图，可以查得设计流域年径流深的均值，然后乘以流域面积，即得设计流域的年径流量。

在小流域中，流域内通过的等值线很少，甚至没有一条等值线通过，可按通过流域重心的直线距离比例内插法，计算流域平均径流深。W＝KRA

式中W--年径流量，m3；

R--年径流深，mm；

A--流域面积，km2；

K--单位换算系数，采用上述各单位时，K＝1000。

年径流量变差系数Cv等值线图年径流量变主要受气候因素影响，具有渐变规律。设计年径流量及其年内分布等值线->统计参数（均值和变差系数，Cs=2Cv）->皮尔逊Ⅲ型分布->设计流量（三）经验公式法

年径流的地区综合，也常以经验公式表示。这类公式主要是与年径流影响因素建立关系。例如，多年径流均值的经验公式有如下类型：复习思考题

一、选择题用多年平均径流深等值线图，求图5-10所示的设计小流域的多年平均径流深y0为[____]。

a、y0=y1b、y0=y3

c、y0=y5d、y0=(y1+y5)/2

在设计年径流的分析计算中，把短系列资料展延成长系列资料的目的是[____]。

a、增加系列的可靠性；

b、增加系列的一致性；

c、增加系列的代表性；

d、考虑安全。某流域多年平均径流深等值线图如图所示，该流域的多年平均年径流深y0为[____]。

a、y0=y03；b、y0=y02；

c、y0=y01；d、y0=(y01+y02+y03)/3二、填空题当缺乏实测径流资料时，可以基于参证流域用______法来推求设计流域的年、月径流系列。年径流设计成果合理性分析，主要是对______进行合理性分析。在干旱半干旱地区，年雨量与年径流量之间的关系不密切，若引入______为参数，可望改善年雨量与年径流量的关系。三、是非题利用相关分析展延得到的年径流资料不宜过多，否则有使设计站设计年径流量减小的趋势。参证变量与设计断面径流量的相关系数愈大，说明两者在成因上的关系愈密切。

四、问答题若年径流量与年降水量之间的回归线近似为幂函数，试以分析法为例说明推求其回归方程的方法步骤？缺乏实测资料时，怎样推求设计年径流量？为什么年径流的CV值可以绘制等值线图？从图上查出小流域的CV值一般较其实际值偏大还是偏小？为什么？某水库某站具有17年年平均流量资料，如下（单位m3/s）：

665750540695810430643516664594

559464400505528614603

推求该站设计频率为95%的年径流量及其分配过程。枯水典型过程如下：

1970.5-1971.4483893733621414360259329103106129321

396（年平均流量）1976.5-1977.4604681782710637449279188141138257389

436（年平均流量）1977.5-1978.4450504851520739442231183124109172200

377（年平均流量）第六节流量历时曲线流量历时曲线的应用表述径流分配过程；应用于工程水利计算——取决于流域的时序更替和流量的持续历时。

一、多年综合日流量历时曲线

多年实测日平均值绘成；

丰水年综合日流量历时曲线丰水期综合日流量历时曲线二、典型年日流量历时曲线

某一年份的日平均流量资料绘成。三、平均日流量历时曲线

各年同历时的日平均流量的平均值为纵坐标，相应历时为横坐标。应用实例——利用区域流量历时曲线模拟东江流域无资料地区的日径流过程背景：无资料地区的水文预测问题(PredictionsinUngaugedBasins，PUB)一直是水文学研究的重点和难点问题之一，得到了国内外众多学者的广泛关注。解决途径：一种是建立只包含具有物理意义的参数的流域水文模型；另一种是建立包含需要率定的参数的流域水文模型实例：用水文比拟法来移置优化确定的模型参数，也就是从流域地形、地貌特征上定性地进行判断，往往缺乏客观标准，主观性较大。台湾地区的Yu等人避开建立模型参数与流域特征值之间的相关关系，而以流量历时曲线(FDC)为工具有效地解决了中国台湾省台南地区的径流模拟问题。1、区域化流量历时曲线（FDC)（1）先利用用于“率定”的11个子流域的日平均流量资料分别构建各自的FDC曲线，用线性插值法分别求出各个子流域在指定频率下的13个流量值Q(P：1，5，10，20，30，40，50，6o，70，80，90，95，99)，这些指定频率下的流量值基本涵盖了完整的FDC曲线。（2）建立Qp%与流域面积和流域坡度的相关关系（3）模拟研究区的FDC2、基于FDC的径流过程模拟TOPMODEL模型的基本原理一个以地形为基础的半分布式流域水文模型，TOPMODEL，该模型的主要特征是利用DEM计算地形指数ln(a／tanB)，用地形指数来反映流域下垫面的空间变化对产流区域形成和变化的影响。模型模拟第七节设计枯水流量分析计算

枯水流量亦称最小流量，是河川径流的一种特殊形态。枯水流量往往制约着城市的发展规模、灌溉面积、通航的容量和时间，同时也是决定水电站保证出力的重要因素。

按设计时