工程水文学第五章设计年径流及枯水径流

'第五章设计年径流分析计算第一节概述一、径流特性1.年径流的周期性具有大致以年为周期的汛期与枯季交替变化的规律。2.年径流的年际变化（CV）年际变化很大，有些河流丰水年径流量可达平水年2~3倍，枯水年只有平水年的10%~20%。3.年径流的多年变化连续丰水年和连续枯水年交替出现。 二、影响年径流的因素1、气象因素2、下垫面因素地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流域大小。3、人类活动三、影响径流年内分配的因素气象因素、下垫面因素。 四、设计年径流计算的目的和任务1、目的：对通过河流某指定断面相应于设计标准的年径流量及各时段径流分配进行计算。2、任务：分析研究年径流量的多年变化及其年内分配规律，提供设计所需要的历年（或代表年）逐月（旬或日）流量成果或相应的统计参数，作为水利计算的依据。3、三种情况根据资料情况：有长期实测资料、短期实测资料、缺乏实测资料。 第二节有长期资料时设计年径流量及年内分配分析计算实测年径流系列不小于30年。一、资料“三性”审查1、可靠性测验和整编的正确性。2、一致性资料是否来自同一气候、下垫面条件。常用分项调查法、降雨径流模式法、蒸发差值法修正还原。3、代表性样本分布参数与总体参数分布参数接近程度。一般系列越长，代表性越好。 资料代表性分析方法：通过分析系列中丰、平、枯水年和连续丰水段、枯水段的组成及径流变化规律，评价其代表性。具体的：1、径流系列较长时：滑动平均、累积平均、差积曲线等。2、径流系列较短时分析参证站相应系列的代表性。与更长系列参证变量进行比（长短系列对比法） 设计站参证站长短系列对比法示意图计算参证站长、短系列参数并比较。如大致接近，可认为参证变量短系列在长系列中具有代表性，从而认为设计站也具有代表性。 有长期实测资料情况下，根据调节计算所需资料的具体不同又分三种情况：①设计年、月径流量系列（长系列操作法）②实际代表年年、月径流量（小型灌溉工程）③设计代表年年径流量及年内分配计算（中小型水利工程） 二、设计年、月径流量系列的选取适用于调节计算中的长系列操作法。将实测系列按水利年度（以水库蓄水开始作为年的起讫时间）排列为一个新的年、月径流系列，从中选出代表段，代表段中应包括丰、平、枯水年，并且有一个或几个完整的调节周期。代表段中的年径流均值、变差系数应与长系列相近。缺点：对资料要求高，计算工作量大。 某站月径流量表（表1-1）年份月平均流量(m3/s)年平均流量(m3/s)3456789101112121958~195916.5022.0043.0017.704.632.464.024.841.982.471.8721.6011.921959~19607.258.6916.3026.107.157.506.811.862.672.734.202.037.771960~19618.2119.5026.4024.607.359.623.202.071.981.902.3513.2010.031961~196214.7017.7019.8030.405.204.879.103.463.422.922.481.629.641962~196312.9015.7041.6050.7019.4010.407.482.975.302.671.791.8014.391963~19643.204.987.1516.205.552.282.131.272.181.546.453.874.731964~19659.9112.5012.9034.606.905.552.003.271.621.170.993.067.871965~19663.9026.6015.2013.606.1213.404.2710.508.219.038.358.4810.641966~19679.5229.0013.5025.4025.403.582.672.231.932.761.415.3010.231967~196813.0017.9033.2043.0010.503.581.671.571.821.421.212.3610.941968~19699.4515.6015.5037.8042.706.553.522.541.842.684.259.0012.621969~197012.2011.5033.9025.0012.707.303.654.963.182.353.883.5710.351970~197116.3024.8041.0030.7024.208.306.508.754.527.964.103.8015.081971~19725.086.1024.3022.803.403.454.922.791.761.302.238.767.241972~19733.2811.7037.1016.4010.2019.205.754.414.535.598.478.8911.291973~197415.4038.5041.6057.4031.705.686.564.552.591.631.765.2117.721974~19753.285.4811.8017.1014.4014.303.843.694.675.166.2611.108.421975~197622.4037.1058.0023.9010.6012.406.268.517.307.543.125.5616.89 三、实际代表年（多用于小型灌溉工程）从实测年、径流系列月径流量系列中，选出一实际干旱年作为代表年，用其径流分配过程与该年的用水过程进行调节计算，求出调节库容，确定工程规模。缺点：用该方法求出的调节库容，不一定符合规定的设计保证率。 四、设计代表年径流量及年内分配计算1：步骤⑴按工程要求确定计算时段，对各种时段径流量进行频率计算，求指定频率的各种时段的设计流量值。⑵在实测径流资料中，按一定原则选取各种代表年。灌溉工程只选枯水年，水电工程选丰、平、枯代表年。⑶求设计时段径流量与代表年相应时段流量比值，对代表年径流过程按此值进行缩放。 2、设计时段径流量⑴计算时段的确定灌溉工程：一般取灌溉期。水电工程：采用枯水期或年。⑵频率计算按计算时段统计资料。如：以年为时段，则以水利年（以水库蓄水开始作为年的起讫时间）统计。以3月（或其它时段）为计算时段，则统计历年最枯3个月的水量。最后利用适线法确定设计时段径流量。 线型一般是P-Ⅲ型，经过论证也可采用其他线型。适线时应侧重考虑中、下部，适当照顾上部点据。CS=2～3CV。 3、设计代表年内分配计算方法：缩放代表年径流过程线。⑴代表年的选择：①流量相近原则：选择与设计年、时段径流量大小相近的年。②对工程不利原则：如：对灌溉工程，选取灌溉需水季节径流较枯年份。对水电工程，选取枯水期较长，径流又较枯的年份。 ⑵径流年内分配计算①同倍比法②同频率法基本思想：分段缩放，使所求的设计年内分配的各个时段径流量都能符合设计频率（设计的时段流量）。或 例5-1：采用同频率法求年内分配资料：某水库18年的年、月径流资料（如表1-1）。计算时段：采用年、最小3个月、最小5个月。设计频率:分别取P=90%，P=90%,，P=90%。 某站历年逐月径流量表（表5-1-1）年份月平均流量(m3/s)年平均流量(m3/s)供水期T供（月）供水期水量WT供[m3/(s*月）]所需库容V[m3/(s*月）3456789101112121958~195916.5022.0043.0017.704.632.464.024.841.982.471.8721.611.9236.322.681959~19607.258.6916.3026.107.157.506.811.862.672.734.202.037.7737.261.741960~19618.2119.5026.4024.607.359.623.202.071.981.902.3513.210.0348.303.701961~196214.7017.7019.8030.405.204.879.103.463.422.922.481.629.6437.021.981962~196312.9015.7041.6050.7019.4010.407.482.975.302.671.791.8014.3936.262.741963~19643.204.987.1516.205.552.282.131.272.181.546.453.874.7359.405.601964~19659.9112.5012.9034.606.905.552.003.271.621.170.993.067.8759.055.951965~19663.9026.6015.2013.606.1213.404.2710.508.219.038.358.4810.6400.000.001966~19679.5229.0013.5025.4025.403.582.672.231.932.761.415.3010.23511.004.001967~196813.0017.9033.2043.0010.503.581.671.571.821.421.212.3610.94610.057.951968~19699.4515.6015.5037.8042.706.553.522.541.842.684.259.0012.6237.061.941969~197012.2011.5033.9025.0012.707.303.654.963.182.353.883.5710.3512.350.651970~197116.3024.8041.0030.7024.208.306.508.754.527.964.103.8015.0800.000.001971~19725.086.1024.3022.803.403.454.922.791.761.302.238.767.2448.083.921972~19733.2811.7037.1016.4010.2019.205.754.414.535.598.478.8911.2900.000.001973~197415.4038.5041.6057.4031.705.686.564.552.591.631.765.2117.7235.983.021974~19753.285.4811.8017.1014.4014.303.843.694.675.166.2611.18.4200.000.001975~197622.4037.1058.0023.9010.6012.406.268.517.307.543.125.5616.8900.000.00注：红色表示供水期；库容V=q*T供-WT供q=3.0m3/s 步骤：⑴求丰水年P=10%、平水年P=50%、枯水年P=90%，时段为年的设计径流量和最小3个月、最小5个月的设计时段径流量。①年、月径流资料的整理和分析。②列表计算各时段径流量，统计表略。③频率计算(配线），成果见表1-2。 某水库时段径流量频率计算成果(表5-1-2）单位：m3/s均值CVCS/CVP=10%P=50%P=90%12个月131（10.99*12)0.322.0188(15.7)128(10.7)81.8(6.28)最小5个月18.00.472.08.45最小3个月9.10.502.04.00 ⑵选择代表年以求（P=90%设计枯水年）年内分配为例：①按主要控制时段的水量相近来选代表年。选1964~1965、1971~1972年作为枯水代表年。 某站历年逐月径流量表（表5-1-1）年份月平均流量(m3/s)年平均流量(m3/s)供水期T供（月）供水期水量WT供[m3/(s*月）]所需库容V[m3/(s*月）3456789101112121958~195916.5022.0043.0017.704.632.464.024.841.982.471.8721.6011.9236.322.681959~19607.258.6916.3026.107.157.506.811.862.672.734.202.037.7737.261.741960~19618.2119.5026.4024.607.359.623.202.071.981.902.3513.2010.0348.303.701961~196214.7017.7019.8030.405.204.879.103.463.422.922.481.629.6437.021.981962~196312.9015.7041.6050.7019.4010.407.482.975.302.671.791.8014.3936.262.741963~19643.204.987.1516.205.552.282.131.272.181.546.453.874.7359.405.601964~19659.9112.5012.9034.606.905.552.003.271.621.170.993.067.8759.055.951965~19663.9026.6015.2013.606.1213.404.2710.508.219.038.358.4810.6400.000.001966~19679.5229.0013.5025.4025.403.582.672.231.932.761.415.3010.23511.004.001967~196813.0017.9033.2043.0010.503.581.671.571.821.421.212.3610.94610.057.951968~19699.4515.6015.5037.8042.706.553.522.541.842.684.259.0012.6237.061.941969~197012.2011.5033.9025.0012.707.303.654.963.182.353.883.5710.3512.350.651970~197116.3024.8041.0030.7024.208.306.508.754.527.964.103.8015.0800.000.001971~19725.086.1024.3022.803.403.454.922.791.761.302.238.767.2448.083.921972~19733.2811.7037.1016.4010.2019.205.754.414.535.598.478.8911.2900.000.001973~197415.4038.5041.6057.4031.705.686.564.552.591.631.765.2117.7235.983.021974~19753.285.4811.8017.1014.4014.303.843.694.675.166.2611.108.4200.000.001975~197622.4037.1058.0023.9010.6012.406.268.517.307.543.125.5616.8900.000.00注：红色表示供水期；库容V=q*T供-WT供q=3.0m3/s 以1964~1965代表年为例:同频率法：②求各时段缩放比K。 ③计算设计枯水年年内分配，用各自的缩放比乘对应的代表年的各月径流量（表5-1-3）。某站同频率法P=90%设计枯水年年内分配计算表（表1-3）单位：m3/s月345678910111212全年总量平均代表年Q月9.9112.5012.9034.606.905.552.003.271.621.170.993.0694.477.87同频率法缩放比0.860.860.860.860.860.580.840.841.061.061.060.86设计枯水年Q月8.5010.7311.0729.695.923.221.692.761.721.241.052.6380.206.68注：代表年最小3月流量3.78m3/s、最小5月流量9.05m3/s、年为94.47m3/s 第三节具有短期实测资料时设计年径流量计算设计代表站只有短系列径流实测资料（n<20）。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。 1、参证变量应具备的条件：⑴参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系。⑵参证变量与设计断面径流量有较多的同步观测资料。⑶参证变量的系列较长，并有较好的代表性； 2、可选择的参证变量（根据规范）：⑴利用本站的水位资料水位—流量关系⑵利用上下游站或邻近站实测径流资料⑶利用年降雨资料利用降雨（具有较长的观测系列）与径流的关系。一般应用流域面平均雨量。 例5-2：利用上下游站径流资料建立相关关系以插补资料。甲、乙两站年径流表表5-2年份乙站（X）甲站（Y）196114001132.819621050691.45196313701094.97196413601082.36196517101523.71196614401183.24196716401435.44196815201284.12196918101649.81197014101145.41197114301230197215601350197314401160197417301450197516301510197614401200197714801240197814201150197913501000198016301450 注意事项：1.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%。 例5-3：已知某水利工程的设计代表站有1954~1971年的实测径流资料，其下游有一参证站，有1934~1971年的年径流系列资料，如表5-3-1。其中1953~1954年，1957~1958年，1059~1960年分别被选定为P=50%、P=75%、P=95%的代表年，其年内的逐月分配如表5-3-2。试求： （1）根据参证站资料，将设计站的年径流系列延长至1934~1971年。（2）根据延长后的设计年径流系列，绘制年径流频率曲线。（3）根据设计站代表年的逐月径流分配，计算设计站P=50%、P=75%、P=95%年份的逐月径流分配过程。 参证站与设计站年径流系列表5-3-1年份参证站设计站年份参证站设计站年份参证站设计站1934920674194793368219608596431935107577419488476261961105075219368876521949117784119627825691937922675195087864619631130813193810807781951996723196411607751939778581195270353319656765471940106076519537885881966123087819416444941954945761196715101040194278058319551032800196810807351943102974519565874241969727519194487264319576645521970649473194593268219589477141971870715194612468861959702444 设计站代表年月径流分配表5-3-2年份月份全年7891011121234561953~1954827920178010305472752132072433033637146191957~1957111010109197423942001621521982604899655501959~196011101010787399282180124135195232265594443 计算过程：1、资料系列展延（结果见表5-3-1） 2、频率分析 3、设计站P=50%、P=75%、P=95%年份的设计年径流分别为： 设计站代表年月径流分配表5-3-3年份月份全年7891011121234561953~195482792017801030547275213207243303363714619P=50%855951184010655662842202142513133757386401957~195711101010919742394200162152198260489965550P=75%1160105596077541220916915920727251110085801959~196011101010787399282180124135195232265594443P=95%119010838444283021931331452092492846374754、设计站月径流分配过程计算：对于p=50%的设计年： 第四节缺乏实测径流资料时设计年径流量计算设计断面附近完全没有径流实测资料。方法：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。 前提：设计流域所在区域内，有水文特征值综合分析成果，或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用。具体方法：水文比拟法等值线图法 一、水文比拟法用于无资料流域移置水文相似区内相似流域的实测水文特征（多年平均年径流量、CV）。要点：将参证站的径流特征值，直接或经过适当修正后移用于设计断面。关键：选择恰当的参证流域。 ⒈多年平均年径流量的移用①直接移用②考虑修正移用用于修正的参变量：流域面积、多年平均降雨量。原则：气候与下垫面条件相似，年径流深不变，流域面积大、年径流量大、但年径流深不变；平均降雨量大，年径流量大。 ⒉年径流变差系数CV的估算①直接移用②考虑修正移用用于修正的参变量：降雨量变差系数。原则：降雨量变差系数，径流的变差系数也大。 二、等值线图法⒈年径流均值的估算利用年径流深等值线图。①面积加权法 ②直线内插法 ⒉年径流CV、CS值的估算查CV值等值线，按比例内插流域重心的CV值。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。 三、设计年径流年内分配的分析计算：1、使用水文比拟法推求：即直接移用参证流域各种代表年的月径流分配比。2、各省区水文手册分区的丰、平、枯典型分配过程。 第五节流量历时曲线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百分数。流量历时曲线在水利发电、航运等工程设计的水利计算有重要的意义。 相对历时，表示某时段内等于、大于某流量数值出现的相对历时 一、多年综合日流量历时曲线根据所有各年份的实测日平均流量资料绘制。二、典型年日流量历时曲线根据选定的各种典型年(丰、平、枯）的实测日流量资料绘制。三、平均日流量历时曲线以各年同历时的日平均流量的平均值为纵坐标，其相应历时为横坐标点绘。是一条虚拟的虚线。 第六节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？ 一、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: 二、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 第七节设计枯水流量分析计算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。 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。'