《工程水文学》设计年径流及径流随机模拟

'1/43《工程水文学》 2/43第5章年径流及年输沙量的分析计算5.1概述5.2影响年径流量及年内分配的因素5.3具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算5.4缺乏实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算5.5多年平均年输沙量的估算 3/435.1概述5.1.1年径流的特性在一个年度内，通过河流出口断面的水量称为年径流。常用年平均流量Q(m3/s)、年径流量W(m3)、年径流深R(mm)或年径流模数M(m3/s.km2)表示。日历年：从每年的1月1日～12月31日为止。水文年：根据水文变化规律对年进行划分，以每年汛期开始到下一年的枯水期结束为止。水利年：以兴利为目的对年进行划分，从每年水库蓄水开始到下一年的水库放空水结束为止。 4/43季节性变化规律——年径流的周期性与峰、枯交替出现，大致以一年为周期。丰水期(汛期)多水、水浑、水灾；枯水期(非汛期)少水、水脏、干旱。年际变化现象——丰水年组与枯水年组交替出现，年径流极值比Q大/Q小较大。年际间的变化也很大。常用模比系数K丰＝Q丰/Q平和K枯＝Q丰/Q平表示。丰枯水年交替变化——在多年变化中有丰水年组和枯水年组交替出现的现象。 5/43河流的年径流量具有持续性，逐年的径流量之间并非独立，具有一定的相关关系。譬如：相邻年的年径流量Qi～Qi+1相关，i＝1,2,…,n-1年，其相关系数称为自相关系数。地区变化规律——年径流按多少分为丰水带、多水带、过渡带、少水带、干枯带。我国的P、R由东南向西北方向递减。 6/435.1.2工程规模与来水、用水、保证率的关系丰、枯水年的来水和用水的矛盾决定了所需水库的库容V的大小。但是，当年水量相同时，年的径流年内分配将影响库容的大小。对于不同的年份，因来水与用水有不同的组合，则各年所需的库容也不相同。如p.105图5-1V＝(QR－Q2)×T2 7/43如(a)与(b)所示的不同来水过程Q1、Q2，所需库容也有差别(V/＞V)。此外，来水量相等而径流年内分配过程不同，所需库容不同。如果有20年的年径流资料和用水资料，可以求出20个大小不同的库容(V1,V2,...,Vn)，用多大的库容来设计水库呢？考虑到工程规模大小与其投资的关系，因此必须分析工程规模、来水、用水、保证率四者之间的关系。*这里的保证率即是设计标准 8/43设计保证率P——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，又称为工程的设计标准，它反映了水资源的利用程度。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——q＝1－P 9/435.1.3年径流分析计算的任务与方法目的：推求不同设计标准(或设计保证率)P的年径流量QP(设计年径流)及其年内分配。它是水利计算的依据，并作为衡量工程规模和确定水资源利用程度的重要指标。任务：根据水文现象的随机性质，应用数理统计的原理和方法，通过对径流资料的统计分析，估算指定频率的径流特征值。 10/435.2影响年径流量及年内分配的因素从年为时段的流域水量平衡方程可知：R＝P－E＋Δu＋Δw式中，Δu为流域蓄水量变化；Δw为流域间的交换水量(闭合流域Δw＝0)，为下垫面因素。其中，P、E属于气候因素；R随P增大而增大，随E增大而减少；E又与气温、湿度有关。6.2.1气候因素对年径流的影响气温是影响径流的主要因子，属急变因素。6.2.2下垫面因素对年径流的影响包括地理位置、地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流域大小等，它们从不同的角度影响径流(Δu、Δw)。 11/435.2.3人类活动对年径流的影响人类在流域上进行的各种活动，通过改变下垫面性质而影响年径流量。可以分为直接影响(南水北调、兴建水利工程、大面积灌溉)和间接影响(植树造林、水土保持措施、土地利用方式、城市化)。5.2.4影响径流年内分配的因素取决于气候因素、天然的和人工的调节因素。一般地，在汛期，主要是降雨影响径流；在枯季，流域蓄水对径流的影响起主要作用。 12/435.3具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算5.3.1具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算所谓长期，指实测年径流系列不小于20～30年。计算内容及步骤：1)年径流资料的搜集和审查，Q1，Q2，…,Qn；2)年径流频率分析计算，X、Cv、Cs和QP；3)提供设计年径流的时程分配将QP分配到各月，得到设计年径流过程，如右图所示；4)进行成果合理性检验。典型年径流过程设计年径流过程QT 13/43水文资料的审查:“三性”审查——可靠性、一致性和代表性的审查。可靠性审查——水位、流量测验有无差错；水位～流量关系曲线的绘制；高、低水延长是否恰当；同一河流的上、下游水量是否平衡。一致性审查——资料是否来自相同的气候区、下垫面条件和同一测站；人类活动的影响是否显著；否则进行一致性修正，即径流系列的还原计算。*还原计算方法：一般采用降雨径流相关法和水量平衡法，即W天然＝W实测＋△W还原其中W还原＝W农灌＋W工业±W水库＋W损失±W引水±W分洪 14/43代表性审查——样本的经验分布Fn(x)与总体的理论分布F(x)接近程度，越接近，代表性越好；一般样本系列越长，代表性也越好。代表性高低的判断采用长短系列对比法，即选择一个代表性较好的长系列(参证变量)，将其统计参数与短系列(设计变量)的统计参数作对比，若统计参数大体接近则认为短系列在长系列中具有代表性。见p.109例换言之，参证变量代表性好，且与设计变量的气候和下垫面条件相似，两者间应具有一定同期观测资料统计参数(X、Cv、Cs)。如果短系列的代表性不高时，则应当插补、展延系列。 15/43设计年、月径流量系列的选取：丰、平、枯水年代表段有一个或几个完整的调节周期流量系列的X、Cv、Cs与长系列相近该代表段即为“设计年、月径流系列”，也称为长系列操作法、时历法、综合法或长期年法。p.109例 16/43实际代表年年、月径流量的选取：利用实际的干旱年作为代表年进行年径流分配和调节库容的计算，相应年份的年、月径流量就是实际代表年的年、月径流量。设计代表年年径流量及年内分配的计算：Qp的推求——选择水利年，利用P-Ⅲ型理论分布曲线，用适线法进行频率计算，并侧重考虑丰、平、枯水年份年径流点群的趋势，推求指定频率的设计代表年年径流量，并对该设计代表年的径流过程进行缩放，最后得到设计的年径流过程线。一般地，小型灌溉工程选枯水年为代表年；水电工程选“丰－平－枯”(如p＝20%,50%,80%或p＝25%,50%,75%)三种代表年。 17/43设计时段径流量的计算：1）计算时期的确定灌溉工程取灌溉期，水电工程取枯水期。2）频率计算按水利年历年逐月径流资料作频率适线，推求指定频率的设计年径流量或设计时段径流量。一般取Cs＝(3～4)Cv，并需注意特大或特小值的处理。3）设计年径流量的推求（另见第7章） 18/43设计成果的合理性分析:多年平均年径流量——地理分布规律(等值线)，上、下游站和邻近站的比较水量平衡。统计参数——如X、Cv、Cs值的合理性，应注意与地区综合分析成果统一。历史洪(枯)水年径流——考证和引用的依据。 19/43设计代表年径流量的年内分配计算：问题的提出：虽然年径流量相同，但会有不同的年内分配，将使得V兴各不相同。又由于库容大，投资大，保证率高；库容小，投资少,保证率却较低。因此，必须进行年径流的年内分配分析与计算。汛期非汛期来水过程用水过程V兴V兴Z正Z死V死QT 20/43代表年的选择原则：1）流量相近年份原则，选择与设计年径流量大小相近的年；2）对工程较不利年份原则：如汛期流量大且供水期径流较小的年份；一般地，灌溉工程选需水径流比较枯的年份；水电工程选枯水期较长且径流又较枯的年份。 21/43实际代表年法：根据灌溉工程实际情况选择代表年，并按灌区作物需用水量进行分配。该法多在灌溉工程规划中采用。方法1——根据各干旱年的干旱程度，明确其排序位置并确定其经验频率；再根据设计频率选定某一实际干旱年作为代表年；采用该代表年的来水和用水过程规划设计工程的规模。方法2——通过灌溉用水量计算，求出每年的灌溉定额，作频率分析并绘制出频率曲线，然后根据灌溉设计保证率P查频率曲线得到设计灌溉定额，则对应年份为实际代表年。 22/43径流年内分配计算：同倍比法——用年水量或供水期水量控制缩放倍比，把设计年径流量按代表年的月径流过程进行分配。缩放倍比系数K＝Qp/QD或KT＝QTp/QTD同频率法——各时段采用不同的缩放倍比，并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。缩放倍比系数Kt＝QtP/QtD其中t＝1月,3月,7月,年 23/43注意：要求长时段的水量应包含短时段的水量，即Q年D>Q7D>Q3D>Q1D利用设计径流过程的缩放倍比系数Kt遍乘代表年各月的实测径流过程，即得设计年径流的年内时程分配。QP(t)＝KtQD(t)见p.112算例 24/435.3.2具有短期实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算当设计代表站实测年径流资料较短n<30，或n>30但系列不连续或代表性不够时，如何进行设计年径流计算？通过建立设计断面年径流与参证变量的相关关系，适当插补、展延设计断面年径流系列至规范要求长度。 25/43选择参证变量: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。参证变量应具备条件——参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系；参证变量与设计断面径流量有较长期的同步观测资料；参证变量的系列较长，并有较好的代表性。 26/43相关法展延系列:利用径流资料展延系列——利用本站的水位～流量关系资料展延年径流系列；或利用设计站上下游站或邻近站实测径流资料，展延设计断面的径流资料。以月径流量相关展延年、月径流量系列——建立设计站月径流与参证站月径流量的相关方程进行插补，但精度较差。一般地，枯期径流间相关关系较好，汛期相对较差。 27/43利用降雨资料展延系列——利用流域内或邻近地区具有较长的观测系列的降雨与径流的良好关系来延展，即P~R相关法。一般地，年的P~R相关关系明显要好于月的P~R相关关系。利用确定性的降雨径流模型插补年、月径流——式中，Wm流域平均蓄水容量，mm；W0降雨开始时的流域平均蓄水容量，mm；其余符号同前。R=P－E－(Wm－W0) 28/43进行相关展延系列时必须注意的几个问题：1）设计变量与参证变量平行观测资料不能太少，其项数应在15～20项以上；2）特殊点据的处理，需尽量避免辗转相关，即C参→C2→C1→C设3）应直接采用原始变量建立相关关系，避免假相关现象；4）外延幅度不宜过大，如年径流量展延不得超过50％；5）插补项数不得超过实测项数的一半。 29/435.4缺乏实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算设计流域缺乏实测资料，但所在区域内有水文特征值(年径流深R、X、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利用。参证站的选择原则：1）气候条件基本一致；2）下垫面条件相近；3）流域面积接近；4）参证站径流资料具有代表性。5.4.1多年平均径流量的估算两种方法：等值线图法和水文比拟法 30/43多年平均年径流量等值线图法：利用年径流及其统计参数具有地理分布规律进行地理插值，检查计算成果的合理性，或估算无资料地区的设计值。绘制水文特征值等值线图的依据和条件：分区性因素——气候因素非分区性因素——下垫面因素 31/43多年平均年径流深等值线图的绘制和使用：先在待求流域图上绘出年径流等值线后，再分别处理。1）流域面积较小，且等值线在流域内分布均匀，流域面积形心处的值即为所求；2）对于山区性河流，则采用流域平均高程处的值更为恰当；3）流域面积较大或等值线在流域内分布不均匀时，需由面积加权法或直线内插法计算，见p.115图6-2和公式(6-3)。 32/43 33/43水文比拟法：根据气候、自然地理条件一致的参证站资料来估算设计流域的水文特征参数的方法，即将参证站的径流特征值经过适当修正后移用于设计断面。1）当设计流域和参证流域条件相似时，可直接移置径流深，即和 34/432）当设计流域与参证流域降雨量差异较大时，应考虑雨量修正，即y年,设＝(x年,设/x年,参)×y年,参y月,设＝(x月,设/x月,参)×y月,参3）移置参证流域的年降雨径流相关图4）移置参证流域的降雨径流模型及其参数 35/435.4.2年径流量离势系数的估算可通过查Cv等值线，按比例内插流域重心的Cv值。5.4.3年径流量偏态系数的估算对于无资料地区，常利用水文手册上的分区等值线图查得年径流统计参数，其中Cs用Cs＝2～3Cv估计。 36/435.4.4设计年、月径流量的计算1）利用年径流量系列绘制频率曲线，推求指定频率的设计年径流量。2）对于无资料地区的设计年径流量的年内分配，可采用水文比拟法直接移用参证流域资料。3）参考各省(区)水文手册作出的“丰－平－枯”典型径流分配过程。 37/43p.120图6-3 38/435.5多年平均年输沙量的估算河流泥沙的主要来源是流域表面的侵蚀和河床的冲刷，而泥沙的多少与流域的气候、植被、土壤、地形等密切相关。5.5.1影响河流输沙量的因素主要影响因素有三个方面：气候因素(气温、降雨)、下垫面因素(地形、植被和土壤特性等)和人类活动(砍伐森林、不合理耕作等)。5.5.2多年平均年输沙量的估算主要为悬移质泥沙和推移质泥沙。 39/43悬移质多年平均年输沙量的估算——有实测资料时，可直接计算，即式中，WSO多年平均年输沙量(t)；WS年输沙量(t)；n年数。无实测资料时，由经验公式估算。具体方法如下：1）利用年径流量估算选择年径流量接近于多年平均年径流量W0的一年进行估算：式中，W和WS分别为所选年份的年径流量和年输沙量。 40/432）利用多年平均侵蚀模数分区图估算根据相近河流悬移质多年平均年侵蚀模数分区图进行估算：式中，MSO多年平均侵蚀模数(t/km2)；F流域面积(km2)。3）利用经验公式初估式中，α为侵蚀系数，一般取α＝0.5～10.0；J为河比降。 41/43推移质多年平均年输沙量的估算——有实测资料时，直接求其算术平均值，即式中，Wbo推移质多年平均年输沙量(t)；Wb推移质年输沙量(t)；n年数。无实测资料时，假定推移质与悬移质成比例，则用系数法进行估算，即式中，β推移质输沙量与悬移质输沙量的比值，平原区β＝0.01~0.05；丘陵区β＝0.05~0.15；山区β＝0.15~0.30。 42/43本章重点年径流的变化特性影响年径流的因素如何插补和延长年、月径流序列具有长(短)期实测资料下，设计年径流量及其年内分配的计算无资料地区，设计年径流量及其年内分配的计算'