第五章 设计年径流分析与计算
§ 5.1 概述
§ 5.2 影响年径流及其年内分配的因素
§ 5.3 具有实测径流资料时设计年径流及年
内分配分析计算
§ 5.4 缺乏实测资料时分析计算
5.1 概述
研究内容,年径流,设计年径流;输沙量,多年平
均输沙量。
研究对象,径流变化及其影响因素,设计年径流分
析计算,设计年径流的年内分配;枯水流量分析计
算;多年平均输沙量的估算。
研究目的,年径流及年输沙量的分析计算是为水利
水电工程的规划设计服务的,年径流分析计算成果
与用水资料相配合,进行水库调节计算,便可求出
水库的兴利库容;多年平均输沙量计算成果为水库
死水位的选择提供了重要依据。同时,年径流分析
计算成果是进行水资源评价的重要依据,也是制定
和实施国民经济计划的重要依据之一。
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。
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,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。
破坏率,水资源利用程度,在分析枯水径流
和时段最小流量时,还可用破坏率,即破坏年数
占运用年数的百分比来表示,在概念上更为直
观。
保证率和破坏率的换算,设保证概率为 p,破
坏概率为 q,则 p= 1-q。
2、年径流分析计算的内容
(1)基本资料信息的搜集和复查
(2)年径流量的频率分析计算
(3)提供设计年径流的时程分配
(4)对分析成果进行合理性检查
5.2 影响年径流及其年内分配的因素
1、径流与径流量 在河槽里运动的水流叫做河
川径流,简称径流。在一定时段内,通过河流某
一断面的累积水量称为径流量,记作 W (m3);也
可以用时段平均流量 (m3/ s)、流域径流深 R
(mm)或流域径流模数 M( mm /s﹒km2 )来表示。径
流量与流量的关系为,
式中 Δ T-计算时段,s 。
根据工程设计的需要,Δ T可分别采用年、季或
月,则其相应的径流分别称为年径流、季径流或
月径流。
TQW ???
2、年径流与年径流量
一个年度内在河槽里流动的水流叫做年径流,年
径流量是在一年里通过河流某一断面的水量。
年径流量可以用年径流总量 W、年平均流量 Q、年
径流深 R及年径流模数 M等表示。多年平均年径流
量有时被称为 正常年径流量,相应以 W0,Q0、
R0,M0等表示。
某一年的年径流量与正常年径流量之比,称
为该年径流量的模比系数,用 ki表示,则有
0
i
0
i
0
i
0
i
i M
M
R
R
Q
Q
W
WK ???
3、径流的年内变化
河川径流的主要来源为大气降水。降
水在年内分配是不均匀的,有多雨季节和
少雨季节,径流也随之呈现出丰水期(或
洪水期)和枯水期,或汛期与非汛期。径
流在一年内的这种变化称为年内变化。
4、径流的年际变化
河川径流不仅在一年之内有较大的变
化,就是在年与年之间的变化也是很大的。
我们把年平均流量较大的那些年份称为丰
水年,年平均流量较小的那些年份称为枯
水年,年平均流量接近于多年平均值的那
些年份称为中水年,径流的这种变化称为
年际变化。
5、分析和研究影响年径流的因素的目的
为了深刻认识年径流及其变化规律,
就必须从物理成因方面去分析和研究影响
年径流的因素,尤其在径流资料短缺时,
显得更为重要。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。
6、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
P = R + E + △ W
其中年径流量 R的大小取决于年降水量 P和年蒸发量 E,
还与流域蓄水变化量△ W有关。前两项属于流域气候因素,
而后一项则主要取决于流域下墊面因素以及人类活动情况。
在多年平均情况下,△ W各年有正有负,使,故得多年
平均的流域水量平衡方程为
P0 = R0 + E0
因此,影响多年平均年径流量的因素主要是流域的气
候因素。
7,气候因素对年径流的影响 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。
8,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作用,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。
9,人类活动对年径流的影响 人类活动对年径
流的影响,包括直接与间接两个方面。
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。
5.3 具有实测径流资料时设计年径流及年
内分配分析计算
一,有较长资料时设计年径流频率分析计算
所谓较长年径流系列是指设计代表站断
面或参证流 域断面有实测径流系列,
其长度不小于规范规定的年数,即不应小
于 30年。如实测系列小于 30年,应设法将
系列加以延长;如系列中有缺测资料,应
设法予以插补;如有较明显的人类活动影
响,应进行径流资料的还原工作。
1、年径流系列的一致性分析
应用数理统计法进行年径流的分析计算时,
一个重要的前提是年径流系列应具有一致性。就
是说组成该系列的流量资料,都是在同样的气候
条件、同样的下垫面条件和同一测流断面上获得
的。其中气候条件变化极为缓慢,一般可以不加
考虑。
人类活动影响下垫面的改变,有时却很显著,
为影响资料一致性的主要因素,需要重点进行考
虑。测量断面位置有时可能发生变动,当对径流
量产生影响时,需要改正至同一断面的数值。
2、年径流系列的代表性分析
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,如接近程度较高,
则系列的代表性较好,频率分析成果的精
度较高,反之较低。
样本对总体代表性的高低,可通过对
二者统计参数的比较加以判断。但总体分
布是未知的,无法直接进行对比,只能根
据人们对径流规律的认识以及与更长径流、
降水等系列对比,进行合理性分析与判断。
常用的方法如下,
( 1)进行年径流的周期性分析
对于一个较长的年径流系列,应着重
检验它是否包括了一个比较完整的水文周
期,即包括了丰水段 (年组 )、平水段和枯
水段,而且丰、枯水段又大致是对称分布
的。
( 2)与更长系列参证变量进行比较
参证变量系指与设计断面径流关系密
切的水文气象要素,如水文相似区内其他
测站观测期更长,并被论证有较好代表性
的年径流或年降水系列。
3、年径流的频率分析
水文要素频率分析的通用方法,在前面已有详
细阐述,此处重点针对年径流的特点,补充介绍
一些应予注意的事项。
( 1)、年径流的年度选择 日历年度:当年
径流资料经过审查、插补延长、还原计算和资料
一致性和代表性论证以后,应按逐年逐月统计其
径流量,组成年径流系列和月径流系列。这些数
据绝大部分可自, 水文年鉴, 上直接引用,但须
注意, 水文年鉴, 上刊布的数字是按日历年分界
的,即每年 l-12月为一个完整的年份。
水文年度:在计算流域水量平衡关系时,最
好采用水文年度。一个水文年度内的径流应该是
该水文年度的降水所产生的。
水利年度:在水资源利用工程中,为便于水
资源的调度运用,常采用水利年度,有时亦称为
调节年度。它不是从 1月份开始,而是将水库调
节库容的最低点 ( 汛前某一月份,各地根据入汛
的迟早具体确定 ) 作为一个水利年度的起始点,
周而复始加以统计,建立起一个新的年径流系列。
当年径流系列较长时,用上述日历年度、水
文年度或水利年度所获得的系列做出的频率分析
成果是很接近的。
( 2)、线型与参数估算 经验表明,我
国大多数河流的年径流频率分析,可以采
用 P-Ⅲ 型频率分布曲线,但规范同时指出,
经分析论证亦可采用其他线型。
P-Ⅲ 型年径流频率曲线有三个参数,其
中均值一般直接采用矩法计算值;变差系
数可先用矩法估算,并根据适线拟合最优
的准则进行调整;偏态系数一般不进行计
算,而直接采用 的倍比,我国绝大多数河
流可采用 = 2 ~ 3 。在进行频率适线和
参数调整时,可侧重考虑平、枯水年份年
径流点群的趋势。
( 3)、其他注意事项
1)参数的定量应注意参照地区综合分析
成果
2)历史枯水年径流的考证和引用
二、有较短年径流系列时设计年径流频率分
析计算
本法的关键是展延年径流系列的长度。
方法的实质是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,通过
设计断面年径流与其参证变量的相关关系,
将设计断面年径流系列适当地加以延长至
规范要求的长度。当年径流系列适当延长
以后,其频率分析方法与本章第二节所述
完全一样。
1、参证变量的选择
最常采用的参证变量有:设计断面的水位、
上下游测站或邻近河流测站的径流量、流
域的降水量。参证变量应具备下列条件,
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。
2、年径流系列的展延
( 1)利用本站的水位资料延长年径流系列。
( 2)利用上下游站或邻近河流测站实测径流资料,
延长设计断面的径流系列。
( 3)利用年降水资料延长设计断面的年径流系列
径流是降水的产物。流域的年径流量与流域的年
降水量往往有良好的相关关系。又因降水观测系
列在许多情况下较径流观测系列长,因此降水系
列常被用来作为延长径流系列的参证变量。
3、注意事项
利用参证变量延长设计断面的年径流系列
时,应特别注意下列问题,
一是尽量避免远距离测验资料的辗转相关。
二是系列外延的幅度不宜过大,一般以控
制在不超过实测系列的 50%为宜。
三、设计年径流的时程分配
1,设计代表年法
设计代表年法的实质是在长
系列径流资料中选择一个典型的
年内分配过程,并按此典型计算
设计年径流量的年内分配。
( 1)、代表年(典型年)的选择
从实测径流资料中选择某一年(称为
典型年)的年内分配作为典型,其选择原
则有二,
( 1)选取年径流量与设计值相接近的实际
年份作为典型
( 2)选取对工程较为不利的年份作为典型
( 2)、设计年径流年内分配的计算
将设计年径流量按典型年的月径流过程进行分
配。常用的是同倍比法。
即先求设计年径流量( Q年设 或 W年设 )与典
型年的年径流量( Q年典 或 W年典)的比值,
K = Q年设 /Q年典
或 K = W年设 /W年典
而后以 K分别乘典型年各月的径流量,就得到
设计年径流的年内分配。
2、实际代表年法
设计代表年法常用于水电工程,而较少
用于灌溉工程。 这是因为灌溉用水与气象
资料有关,作物需水量大小,取决于当年蒸
发情况。所以灌溉工程选出典型年(选择
原则与设计代表年发的相同)后,直接用
其年径流量和年内分配作为设计年径流量
与年内分配。
3、水文比拟法
对缺乏实测径流资料的设计流域,其设计年径
流的时程分配,主要采用水文比拟法推求,即将
水文相似区内参证站各种代表年的径流分配过程,
经修正后移用于设计流域。先求出参证站各月的
径流分配比,遍乘设计站的年径流,即得设计
年径流的时程分配。月径流分配比按下式推求,
ai=yi/Y
式中 ai -- 参证站第 i月的径流分配比,%;
yi-- 参证站第 i月的径流量,m3;
Y -- 参证站年径流量,m3。
5.4 缺乏实测资料时分析计算
在部分中小设计流域内,有时只有零星的
径流观测资料,且无法延长其系列,甚至
完全没有径流观测资料,则只能利用一些
间接的方法,对其设计径流量进行估算。
采用这类方法的前提是设计流域所在的区
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
可资利用。
1、参数等值线图法
我国已绘制了全国和分省 (区 )的水文特征
值等值线图和表,其中年径流深等值线图
及 Cv等值线图,可供中小流域设计年径流
量估算时直接采用。
( 1)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。
如果设计流域内通过多条年径流深等值
线,可以用面积加权法推求流域的平均径
流深。
( 2)年径流 Cv值的估算
年径流深的 Cv值,也有等值线图可供查算,
方法与年径流均值估算方法类似,但可更
简单一点,即按比例内插出流域重心的 Cv
值就可以了。
( 3)年径流 Cs值的估算
年径流的 Cs值,一般采用 Cv的倍比。
按照规范规定,一般可采用 Cs= 2~ 3Cv。
在确定了年径流的均值,Cv,Cs后,
便可借助于查用 P-Ⅲ 型频率曲线表,绘制
出年径流的频率曲线,确定设计频率的年
径流值。
2、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。 不同设计频率的年平均流量 Qp,也可
以建立类似的关系,只是其参数的定量亦
各有不同。
这类方法的精度,一般较等值线图法
低。但在进行流域初步规划,需要快速估
算流域的地表水资源量及水力蕴藏量时,
有实用价值。
3、水文比拟法
水文比拟法是无资料流域移置 (经过修正 )
水文相似区内相似流域的实测水文特征的
常用方法,特别适用于年径流的分析估算。
4、流量历时曲线的绘制
在有部分径流资料的情况下,还可以用绘
制流量历时曲线的方法,满足某些工程,
如小型水电站、航运和漂木等在规划设计
中确定对水资源利用保证率的初步需要。
在一些有径流频率分析计算成果的大中型
水利水电工程中,为了专项设计任务的需
要,有时也可以绘制这种曲线,作为深入
分析研究的辅助手段。在我国的小型水力
发电站水文计算规范中,已将此法列为一
项重要的工作内容。
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。径流统计时段,可按工程的要求选定,
常采用日或旬为单位。当资料年数较多时,
为简化计算,也可以按典型年或丰平枯代
表年绘制流量历时曲线。当资料年数较少
时,也可采用全部完整年份的流量资料绘
制流量历时曲线。
本章小结,
?⑴ 三种资料情况下,掌握推求设计年径流
及共年内分配的方法。
?⑵ 理解对径流资料进行三性审查意义 。
?⑶重点难点:设计的年径流量及年内分配
计算