水文学第4章年径流及洪、枯径流

'第4章年径流及洪、枯径流第一节概述河川径流的变化周期：年(第二章作业6？）年径流的表示方法：各种特征值(QRMW)日历年水文年：水库开始蓄水的时间为水文年度的起点多年平均径流量：表明河流在天然情况下所蕴藏的水资源数量年径流量是由洪水期和枯水期的水量所组成(年际年内）工程中，根据需要需对径流量的年际变化和年内分配，设计洪、枯流量（水位）进行分析计算 第4章年径流及洪、枯径流第二节设计年径流量在一定时段内，通过河流某断面的累积水量称为径流量W（m3）；也可以用时段平均流量Q（m3/s）或流域径流深R（mm）来表示。径流量与流量之间的关系：年径流（△T=年）季径流（△T=季）月径流（△T=月） 一、径流特性1.径流季节分配丰水期和枯水期、汛期和非汛期2.径流的地区分布丰水带、少水带3.径流的周期性丰水期和枯水期交替出现（一年内）连续丰水年和连续枯水年交替出现 二、年径流分析计算的目的和内容（一）目的：设计年径流是衡量过程规模和确定水资源利用程度的重要指标。设计保证率（p）：水资源利用工程的设计标准，反映了水资源的利用程度，即工程规划设计的既定目标不被破坏的年数占运用年数的百分比。例如，灌溉设计保证率表示设计灌溉用水量全部满足的年数占工程运用总年数的百分比。破坏率（q）：分析枯水期和最小流量时用p=1-q （a）与（b）的年平均流量Q及需水量过程QR均相等而径流年内分配过程不同，所需库容也有差别（V’>V）。如果有20年的年径流资料和用水资料，就可以求出20个大小不同的库容（V1、V2、V3、...、Vn），用多大的库容来设计水库呢？库容大，保证率高，投资大；库容小，投资少，但保证率低。 （二）年径流分析计算的内容：1.基本资料信息的搜集和复查2.年径流频率分析计算3.提供设计年径流的时程分配4.枯水流量分析5.成果合理性检验 有较长资料时设计年径流频率分析计算实测年径流系列不小于20年。一、资料“三性”审查可靠性测验和整编的正确性一致性资料是否来自同一气候、下垫面条件和同一测站。人类活动的影响最显著。（还原计算）代表性样本接近总体的程度，即样本系列的大小，一般系列越长，代表性越好。（插补展延） 还原计算：W天然=W实测+W还原W还原=W农+W工+W城±⊿W库+W损±W引（注意：水库蓄水量的年变化值，蓄水量增加为正；跨流域引水量，引出为正）分析资料的代表性：（n年实测年径流系列、未来工程运行l年的年径流系列）1.进行年径流的周期性分析分析资料的丰水段（年组）、平水段、枯水段的分布。2.与更长系列参证变量进行比 二、年径流的频率分析1.选择日历年、水文年度2.线型与参数估计一般是PⅢ型，但经过论证也可采用其他线型x、Cv用矩法估计，Cs=2～3Cv侧重考虑平、枯水年份年径流点群的趋势。3.其他注意事项（1）参数的定量应注意地区综合分析成果（2）历史枯水年径流的考证和引用三、成果的合理性分析 短缺资料时设计年径流频率分析计算1.设计代表站只有短系列径流实测资料（n<20）设法展延径流系列的长度。2.设计断面附近完全没有径流实测资料利用年径流统计参数的地理分布规律，间接地进行年径流估算。 一、有较短年径流系列时设计年径流频率分析方法关键：展延年径流系列。方法：建立设计断面年径流与参证变量（有较长观测系列）的相关关系，来适当展延设计断面年径流系列至规范要求长度。常用的参证变量：设计断面的水位、上下游测站或邻近河流测站的径流量、流域的降雨量等。 参证变量应具备的条件：1.参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系；2.参证变量与设计断面径流量有较多的同步观测资料；3.参证变量的系列较长，并有较好的代表性； （一）利用本站的水位资料延长年径流系列水位——流量关系（二）利用上下游站或邻近站实测径流资料，延长设计断面的径流资料（缺少整年实测数据时，可考虑用月径流量相关） （三）利用年降雨资料延长设计断面的年径流系列利用降雨（具有较长的观测系列）与径流的良好关系。一般应用流域面平均雨量。（四）注意事项1.尽量避免远距离测验资料的辗转相关C参→C2→C1→C设2.系列外延的幅度不宜过大，一般控制在不超过实测系列的50%。 二、缺乏实测径流资料时设计年径流的估算方法：间接方法估算设计径流量前提：设计流域所在区域内，有水文特征值（例如年径流深均值、Cv、Cs等）的综合分析成果（等值线图），或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用。 （一）参数等值线图法1.年径流均值的估算利用年径流深等值线图。（流域形心） 2.年径流Cv值的估算查Cv值等值线，按比例内插流域重心的Cv值。3.年径流Cs值的估算Cs=2～3Cv年径流均值+Cv+Cs+PⅢ型曲线表，绘制年径流频率曲线，确定设计频率的年径流值。 （二）水文比拟法用于无资料流域移置（经过修正）水文相似区内相似流域的实测水文特征要点：将参证站的径流特征值，经过适当修正后移用于设计断面。进行修正的参变量：流域面积修正参数K1和多年平均降雨量修正参数K2 第三节设计年径流量的年内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。 一、代表年法按比例缩放代表年径流过程（一）代表年的选择（1）流量相近原则：选择与设计年径流量大小相近的年。（2）对工程不利的原则：比如供水期径流较小的年份。（3）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。 （二）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。二、虚拟年法三、全系列法四、水文比拟法 设计年径流：Q90%=106m3/s，Q50%=152m3/s，Q10%=210m3/s代表年：1961～1962、1967～1968、1972～1973（枯水年90%）（丰水年10%）（平水年50%） 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 流量历时曲线的绘制流量历时曲线是累积径流发生时间的曲线，表示等于或超过某一流量的时间占全年的百分数 第4节设计洪水一、问题的提出在河流上兴建水库，目的在于兴利除害。为了兴利（灌溉、发电等），需要设置一定的兴利库容，调节年、月径流，使之符合人们的要求。兴利库容的推求用上节讲的设计年径流过程。但水库单单有兴利库容是否就行了呢？ 为水利水库自身安全和下游防护区的安全，还必须设置一定的库容拦蓄洪水。设计洪水——拦洪库容——设计洪水位；校核洪水——调洪库容——校核洪水位;水库泄洪——泄洪建筑物； 死水位Z死和死库容V死；正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴；防洪限制水位Z限和结合库容V结；防洪高水位Z防和防洪库容V防；设计洪水位Z设和拦洪库容V拦；校核洪水位Z校与调洪库容V调；水库总库容：V总=V死+V兴+V调-V结 三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，100年一遇洪水位166.9m，设计洪水位（1000年一遇）175m，校核洪水位180.4m，坝顶高程185m。总库容393亿m3（175m以下），兴利库容165m3，防洪库容221.5m3，水库库面面积1084km2。 二、设计洪水的涵义和设计标准水库防洪设计的依据。两类水库防洪问题：1.水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大Q～t情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要的坝顶高程等工程规模数据。如何设计调洪库容和泄洪建筑物？——水工建筑物的设计洪水 2.下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不超过某一流量值。如何设计防洪库容？——防护对象的设计洪水。设计洪水定义：为解决各类防洪问题，所提供的作为规划设计依据的各种设计标准的洪水。 如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问题，即设计标准。设计标准定得过高，工程投资增大而不经济，但工程比较安全；设计标准定得过低，工程造价降低，但工程遭受破坏的风险增大。确定设计标准是一个非常复杂的问题。我国：SDJ12-78《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）》GB50201-94《防洪标准》 水工建筑物的防洪标准： 正常运用标准——设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种标准的洪水来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。非常运用标准——校核洪水：确定水库的校核洪水位。这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。 防护对象的防洪标准： 三、设计洪水计算的基本方法和内容1.我国推求设计洪水的发展（1）历史最大洪水加成法以历史上发生过的最大洪水再加上一个安全值作为设计洪水。缺点：①对未来洪水超过历史最大洪水的可能性考虑不足，降低了工程的安全程度；②对大小不同，重要性不同的工程采用同一个标准，显然不合理。 （2）频率计算法以符合某一频率的洪水作为设计洪水，如百年一遇、千年一遇等。此法将洪水作为随机事件，根据概率理论由已发生的洪水来推估未来可能发生的符合某一频率标准的洪水作为设计洪水。此法克服了历史加成法存在的缺点，根据工程的重要性和工程规模选择不同的标准，适用面较宽，在我国水利、电力、交通设计中应用广泛。 （3）水文气象法因频率计算缺乏成因概念，如果资料太短，用于推求稀遇洪水根据就很不足。且近年来，我国一再出现超标准的特大洪水，设计标准一再提高。水文气象法从物理成因入手，根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下，可能发生的最大洪水作为设计洪水。 2.设计洪水的内容设计洪水三要素：设计洪峰流量、设计洪量、设计洪水过程线对于桥梁、涵洞、调节性能小的水库，一般可只推求设计洪峰流量，如葛洲坝电站，其泄洪闸以设计洪峰流量控制（Qm=110000m3/s)。对于大型水库，调节性能高，可以洪量控制，即库容大小主要由洪水总量决定。如三峡水库，拦洪库容300.2亿m3。一般水库都以峰和量同时控制。 四、资料审查“三性”审查：可靠性、一致性、代表性1.资料可靠性的审查与改正实测洪水资料：对测验和整编进行检查，重点放在观测与整编质量较差的年份。包括水位观测、流量测验、水位流量关系等。历史洪水资料：一是调查计算的洪峰流量可靠性；二是审查洪水发生的年份的准确性。 2.资料一致性的审查与还原所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），和能与历史资料组成一个具有一致性的系列。例如上游建了比较大的水库，则应把建库后的资料通过水库调洪计算，修正为未建库条件下的洪水。 3.资料代表性的审查与插补延长当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时，则认为具有代表性；否则，则认为缺乏代表性。实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于20～30年，并有特大洪水加入。当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要是采用相关分析的方法。 五、样本选取河流上一年内要发生多次洪水，每次洪水具有不同历时的流量变化过程，如何从历年洪水系列资料中选取表征洪水特征值的样本，是洪水频率计算的首要问题。目前采用年最大值法选样：即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天。大流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域、调洪能力小的工程，可以取得短一些。 T=1天T=5天T=3天t(d)Q(m3/s)QmW1W5W3 在洪水资料审查中，样本的代表性要求洪水系列长20～30年，并有特大洪水加入。那么下面主要讲什么是特大洪水、为什么要加入特大洪水、加入特大洪水进入后如何进行处理等问题 六、特大洪水的处理1.概述(1)什么是特大洪水?特大洪水是指实测系列和调查到的历史洪水中，比一般洪水大得多的稀遇洪水。历史上的一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕迹,只有特大洪水才有文献记载和洪水痕迹可供查证,所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水.特大洪水可以发生在实测流量期间之内,也可以发生在实测流量期之外,前者称资料内特大洪水,后者称资料外特大洪水(历史特大洪水). 历史调查期实测期QNQN资料内特大洪水资料外特大洪水(历史特大洪水)一般时，QN可以考虑作为特大洪水处理。历史调查期实测期 （2）特大洪水重现期重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇。要准确地定出特大洪水的重现期是相当困难的，目前，一般是根据历史洪水发生的年代来大致推估。①从发生年代至今为最大N=设计年份-调查期发生年份+1②从调查考证的最远年份至今为最大N=设计年份-文献考证期最远年份+1 [例]1992年长江重庆～宜昌河段洪水调查同治九年（1870年）川江发生特大洪水，沿江调查到石刻91处，推算得宜昌洪峰流量Qm＝110000m3/s。Nn19921870Qm＝110000m3/s如此洪水为1870年以来为最大，则N=1992-1870+1＝123（年）。这么大的洪水平均130年就发生一次，可能性不大。 又经调查，在四川忠县长江北岸2km处的选溪山洞中调查到宋绍兴23年（南宋赵构年号）即1153年一次大洪水。Nn19921870Qm＝110000m3/s1153该洪水小于1870年洪水，通过调查还可以肯定自1153年以来1870年洪水为最大，则1870年洪水的重现期为N＝1992-1153+1＝840（年）。 这样确定特大洪水的重现期具有相当大的不稳定性，要准确地确定重现期就要追溯到更远的年代，但追溯的年代愈远，河道情况与当前差别越大，记载愈不详尽，计算精度愈差，一般以明、清两代六百年为宜。 （3）为什么要考虑特大洪水？目前我们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差愈大，若用于推求千年一遇、万年一遇的稀遇洪水，根据就很不足。如果能调查到N年（N>>n）中的特大洪水，就相当于把n年资料展延到了N年，提高了系列的代表性，使计算结果更合理、准确。 例：河北省滹沱河黄壁庄水库设计洪水计算：1955年设计，资料n=18年，Q0.1%=12600m3/s；1956年发生特大洪水Q=13100m3/s，直接加入资料系列（n=19），未做特大洪水处理，Q0.1%=25900m3/s；将1956年洪水做特大洪水处理，但不加历史特大洪水，Q0.1%=19700m3/s；再加入历史特大洪水（1794、1853、1917、1939），Q0.1%=22600m3/s；1963年又发生了一次特大洪水Q=12000m3/s，加入并做特大洪水处理，Q0.1%=23300m3/s。 由此可见加入特大洪水有助于提高样本的代表性和设计洪水的可靠性。但应注意的是，年代越久，由于河流演变等原因，推算的洪峰流量可能存在较大误差，必须尽可能的从多方面考察、论证。 2.考虑特大洪水时经验频率的估算加入特大洪水后，资料系列的特征：（1）连序系列和不连序系列：缺测所谓“连序”与“不连序”，不是指时间上连续与否，只是说所构成的样本中间有无空位。 所以特大洪水加入系列后，样本成为不连序系列，其经验频率和统计参数的计算与连序系列不同。这样就要研究有特大洪水时的经验频率和统计参数的计算方法，称为特大洪水处理。考虑特大洪水时经验频率的计算基本上是采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算的方法。目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法：独立样本法、统一样本法。 设：N——历史调查期年数：n——实测系列的年数；l——n年中的特大洪水项数；a——N年中能够确定排位的特大洪水项数（含资料内特大洪水l项）；m——实测系列在n中由大到小排列的序号，m=l+1，l+2，...，n；Pm——实测系列第m项的经验频率；PM——特大洪水第M序号的经验频率，M=1,2,...,a Nna项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......TQ(m3/s)......实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n缺测 （2）独立样本法把实测一般洪水系列与特大洪水系列都看作是从总体中独立抽出的两个随机连序样本，各项洪水可分别在各个系列中进行排位，实测系列的经验频率仍按连序系列经验频率公式计算：特大洪水系列的经验频率计算公式为：当实测系列中含有特大洪水时，虽然这些特大洪水提到与历史特大洪水一起排序，但这些特大洪水亦应在实测系列中占序号，即实测系列的排序为m=l+1,l+2,...,n。 （2）统一样本法将实测系列与特大值系列共同组成一个不连序系列，作为代表总体的一个样本，不连序系列各项可在历史调查期N年内统一排位。特大洪水的经验频率仍采用下式(n-l)项实测一般洪水的经验频率计算公式为： a项特大洪水M=1,2,...,a实测期内特大洪水，l项......PQ(m3/s)...PmPM实测一般洪水，n-l项m=l+1,l+2,...,n...PMa1-PMa 上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立，这在理论上有些不合理，但比较简单。在特大洪水排位可能有错漏时，因不互相影响，这方面讲则是比较合适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统一样本法更好一些。 [例]某站自1935～1972年的38年中，有5年因战争缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，并考证应从实测系列中抽出作为特大值处理。另外，查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位为1921、1949、1903年，并能判断在这70年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到在1903年以前，还有三次大于1921年的特大洪水，其序位是1867、1852、1832年，但因年代久远，小于1921年洪水则无法查清。现按上述两种方法估算各项经验频率。n=33N1=70N2=141192119491903194919211867185218321972190318321935 独立样本法：1852年1832年1921年1867年调查期N2=141：统一样本法：同独立样本法 独立样本法：1949年1903年1921年已抽到上面排序调查期N1=70：统一样本法： 独立样本法：1940年1968年1949年已抽到上面排序实测期n=33：统一样本法：......... 3.考虑特大洪水时统计参数的确定（1）初步估计参数——矩法假设系列中n-l年的一般洪水的均值为xn-l、均方差为sn-l，它们与除去特大洪水后的N-a年总的一般洪水系列的均值xN-a、均方差sN-a相等，即:xj——特大洪水；xi——一般洪水则可导出： (2)修正参数:上式计算的Cv一般偏小，可稍微加大Cs值：对于Cv≤0.5的地区，Cs=(3～4）Cv；对于0.51.0的地区，Cs=(2～3）Cv；对干旱半干旱地区的中小河流，选较大数值，对湿润地区和大江大河，则宜选用小值。 这节课的主要内容：（1）设计洪水概念、方法和内容；（2）洪水资料的三性审查；（3）特大洪水的概念，为什么要考虑特大洪水？（4）考虑特大洪水时经验频率和统计参数的计算。 七、计算成果的合理性检验（1）检查洪峰、各时段洪量的统计参数与历时之间的关系；历时增长，均值增大，Cv、Cs一般减小。PQW7d5d3d (2)根据上下游、干支流及邻近地区各河流洪水频率分析成果进行比较。从上游到下游，均值增大、模数减小PW3d（下游站、干流站）3d（上游站、支流站） （3）与暴雨频率分析结果进行比较一般洪水径流深应小于相应天数的暴雨深，而洪水的Cv值大于相应暴雨量的Cv值。 八设计洪水过程线的推求目的：调洪演算，以确定防洪建筑物的规模尺寸等。定义：设计洪水过程线是指具有某一标准的洪水过程线。方法：类似推求设计年径流的年内分配，从实测资料中选取典型洪水过程线，按设计洪峰、洪量放大，即得设计洪水过程线。同频率放大、同倍比放大 （一）、典型洪水过程线的选择影响因素：1）洪水（尤其是特大洪水）的形成规律和天气条件；2）洪水过程，如大洪水出现的时间、季节、峰型（单峰、双峰或连续峰）、主峰位置、洪水上涨历时、洪量集中程度等。原则：1）峰高量大，接近设计条件下的稀遇洪水；2）代表性（季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系）；3）对过程不利（峰型集中、主峰靠后、与下游洪水遭遇）。 若符合条件的洪水过程可能不止一条，也可以选择几个典型过程，分别推求设计洪水过程线，供调洪计算时分析比较。例如丹江口水库设计时，就曾选择了1935年和1964年洪水两个典型，前者是夏季洪水的典型，后者是秋季洪水的典型。 （二）、放大方法1.同频率放大（峰量同频率放大法）洪峰放大倍比：最大1天洪量放大倍比：最大3天洪量除最大1天以外，其余两天的放大倍比： 特点：放大后的过程线，其洪峰流量和各时段的洪量都符合同一设计频率。注意：1.时段划分，不宜过多，一般以3段或4段为宜；2.对于放大后过程线的不连续现象，可徒手修匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。 2.同倍比放大1）按洪峰控制的放大倍比：2）按洪量控制的放大倍比： 特点：用同一放大倍比放大典型过程。注意：1.用峰控制还是用量控制，要看峰、量哪个其主要作用；2.设计洪水过程线的峰或量偏离设计值。“以峰控制”，则洪峰等于设计值，洪量不一定等于设计值；“以量控制”，则时段洪量等于设计值，而洪峰不一定等于设计值。 第五节设计枯水流量分析计算用途：无调节直接从河流取水的工程设计枯水流量亦称最小流量。按设计时段的长短，枯水流量又可分为瞬时、日、旬、月、......最小流量。枯水流量的选样是取一年中的最小值，在时序上是变动的。（枯水期的起迄时间南方北方情况不同）影响枯水径流的主要因素是地下水的补给量和补给性质（水文地质条件），而气候因素起间接影响。 一、有实测水文资料时的枯水流量计算按年最小选样原则，选取一年中最小的时段径流量，组成样本系列。枯水流量常采用不足概率q，即以小于和等于该径流的概率来表示，它和年最大选样的概率p有q=1-p的关系。因此在系列排队时按由小到大排列。当枯水径流系列（n项）中有k项为非零时（n-k项为零），首先对k项非零系列求频率曲线，再转换为全系列的频率曲线。转换关系为：P设=（k/n）P非 二、短缺水文资料时的枯水流量计算借助于参证站延长系列或成果移置。由于枯水流量比固定时段径流时程变化更稳定，即使只有少数几年资料，也可建立较好的相关关系。甚至可以直接移用参证站的频率分析结果，经相关分析，转化为本站的相应频率的设计枯水流量。此外，还可以实测一个枯水季的流量过程，临时进行资料的补充收集工作。 三、年际连续枯水段径流分析服务对象：大型蓄水工程，特别是具有多年调节性能的大型水库工程。年际连续枯水段：设计断面连续多年发生年径流偏枯的现象。（1）某一连续枯水段的重现期？（2）频率曲线？ 连续枯水段的定义与选样1.连续枯水段的定义以年径流系列的均值进行界定，凡低于年径流均值的年份，均作为枯水年份。连续发生几个枯水年份，称枯水段。2.连续枯水段选择将全部年径流系列N年中长度为n（n=2、3、4年、...，根据工程设计需要而定）的连续枯水段一一选出，组成一个新系列。径流变量： 连续枯水段的重现期考证当选出的连续枯水段系列的最小项在量级上比较突出，为连续特枯段时，就需对其出现的重现期进行考证。方法：1.历史资料考证法2.树木年轮法3.随机模拟法'