第七章工程水文学

第七章设计年径流量第七章设计年径流量第一节概述第二节影响年径流的因素第三节具有长期实测资料时，设计年径流量及其年内分配计算计算第四节具有短期实测资料时，设计年径流量及其年内分配计算计算第五节缺乏实测径流资料时，设计年径流量及其年内分配计算计算第六节流量历时曲线一、年径流量及其特性年径流：在一年内通过河流某一断面的水量，称该断面流域的年径流量。第一节概述水文年：是以水文现象的循环周期作为一年，即从每年的汛期开始到第二年的枯水期结束为一年。水利年：是以水库的蓄泄循环周期作为一年，即从水库的蓄水开始到第二年水库供水结束为一年。日历年：阳历1月1日～12月31日。目前水文年鉴上刊印的年径流资料就是按日历年整编的，设计年径流计算一般也是按日历年进行的。（1）径流量的年内变化02004006008001000120014001600123456789101112时间（月）流量（m3/s）0100200300400500600123456789101112时间（月）流量（m3/s）我国绝大部分河流年径流量年内分配主要取决于年降水量的季节变化。第一节概述（2）径流的年际变化年径流过程线[（a）黄河陕县站、（b）松花江哈尔滨站]年径流在年际间存在丰水年和枯水年；一般来说，年径流变差系数越大，年径流多年之间变幅越大。为保证用水所需的水库库容V的大小，决定于径流的天然过程和用水过程之间的差别。二、设计年径流分析计算的任务（一）工程规模与来水、用水、保证率的关系V＝(QR－Q2)×T2第一节概述设计保证率：用水量在多年期间能够充分满足的概率。（二）设计年径流计算的任务分析研究年径流量的变化(年际变化和年内变化)规律，提供工程设计需要的来水资料，作为确定工程规模的主要依据。第一节概述在水文计算中，研究影响年径流量的因素具有重要的意义。通过对影响因素分析研究，可以从物理成因方面去深入探讨径流的变化规律。另一方面，在径流资料短缺时，可以利用径流与有关因素之间的关系来推算径流特征值。也可对计算成果作分析论证。年降水量、蒸发量属于气象因素，流域的年蓄水量变化△S属于下垫面及人类活动因素。R=P-E-△S第二节影响年径流的因素作为气象因素的年降水量和年蒸发量，对年径流量的影响程度随流域所处的地理位置的不同而不同。在湿润地区，降水量较多，年径流系数较高，年降水量与年径流量之间具有较密切的关系，说明年降水量对年径流量起着决定性作用，而流域蒸发的作用就相对较小。在干旱地区，降水量少，年径流系数很低，年降水量与年径流量的关系不很密切，降水和蒸发都对年径流量起着相当大的作用。一、气象因素对年径流量的影响第二节影响年径流的因素下垫面因素主要包括：地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流域大小等。（1）地形地形主要通过对气候因素——降水、蒸发、气温的影响，间接对年径流量发生作用。二、下垫面因素对年径流量的影响（2）植被一般情况下，由于植被对径流的调蓄作用，年径流量年内分配区趋于均匀。第二节影响年径流的因素（3）土壤和地质土壤的结构和透水岩层的厚度，直接影响地下水储量的大小和调节能力的大小，因此影响年径流的年内分配过程。（4）湖泊和沼泽湖泊（包括水库在内）一方面通过蒸发的影响而间接影响年径流量的大小，另一方面通过对流域蓄水量的调节而影响年径流量年际的变化。湖泊或沼泽增加流域的水面面积，一般增加了蒸发量，从而使年径流量减少。另外，较大的湖泊增大了流域的调节作用，起着减小径流年际变化的作用。第二节影响年径流的因素（5）流域大小流域面积大，流域的地面与地下蓄水能力强；同时，流域内各局部地区径流的不同期性，也随着流域面积的加大愈加明显。因此，大流域的径流在年内、年际变化比小流域要平缓些。小流域的河槽切割较浅，往往不能全部汇集本流域所产生的地下径流（属于流域不闭合的情况），其年径流深或年径流模数一般比同一气候区内较大流域的小。人类活动对年径流的影响，包括直接和间接影响。直接影响如跨流域引水，直接减少（或增加）本流域的年径流量。间接影响如修水库、塘堰等水利工程，旱地改水田，坡地改梯田，植树造林，种植牧草等措施，主要通过改变下垫面性质而影响年径流量。（三）人类活动因素对年径流量的影响第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算所谓具有长期实测径流资料，一般指n≥30年,而且资料必须具备“三性”：可靠性、一致性、和代表性。（2）流速测验及流量计算的方法。（3）水位流量关系曲线的绘制及延长方法，历年水位流量关系曲线受河道变迁引起的变化情况。（4）上、下游站的水量应符合水量平衡原则。1.资料的可靠性审查（1）水位观测的方法、精度，水位过程线有无反常情况。一、资料审查下游站年径流总量。—区间年径流总量；—总量；上游干支流各站年径流—下游下游WW1inii资料的一致性审查对于年径流量来说，其一致性是建立在气候条件和下垫面条件稳定的基础上的。还原计算方法：分项调查分析法、降雨径流模式法、蒸发差值法等，应视资料情况选择适宜的方法。（1）还原计算的基本原理还原实测天然其他分洪水保生活渗漏工业调蓄蒸发引水农业还原（2）还原方法总量还原法、过程还原法3.资料的代表性审查年径流系列的代表性，是指所选取的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。因此，在进行年径流频率分析之前，还应进行系列的代表性分析。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。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算（1）将设计代表站n年系列与参证变量N年的统计参数（主要是均值和变差系数）比较，接近则说明代表性好。设计站A具有30年（1970~1999年）年径流量系列参证站B具有50年（1950~1999年）年径流量系列NVNSNVCCCmmB,,,N2,3.0,210R站：nVnSnVCCCmmA,,,n2,3.0,218R站：说明A站具有代表性。（2）周期分析法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。一般说来，径流系列愈长，其代表性就愈好，但也不尽然。如系列中的丰水段数多于枯水段数，则年径流可能偏丰，反之可能偏枯。去掉一个丰水段或枯水段径流资料，其代表性可能更好。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算二、设计年、月径流系列的选取对实测径流系列经过审查和分析后，再按水利年排列为一个新的年、月径流系列。然后，选出代表段。代表段应包括有丰、平、枯水年，并且要有一个或几个完整的调节周期。代表段就是水利计算所要求的所谓“设计年、月径流系列”。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算方法：长系列操作法、设计代表年法、实际代表年法三、设计代表年法设计年径流量及年内分配计算①进行频率计算；②选择丰水、平水、枯水3个代表年；③推求流量过程线。步骤：（1）计算时段的确定对灌溉工程，取灌溉期为计算时段；1、设计时段径流量的计算对水电工程，取枯水期或年为计算时段；（3）计算成果的合理性分析多年平均年径流量的检查：通过上、下游站，邻近流域的值进行对比；利用等值线图对比。一般年径流变差系数Cv的检查：通过上、下游站，邻近流域的值进行对比；利用等值线图对比。一般年径流编态系数Cs的检查：可以利用分区图进行对比。（2）频率计算采用适线法、三点法【例1】拟兴建一水利水电工程，某河段有18年（1958~1976年）的流量资料，试求P=10%的设计丰水年，P=50%的设计平水年，P=90%的设计枯水年径流量。（1）进行年、月径流资料的审查分析，认为18年实测系列具有较好的可靠性、一致性、和代表性。（2）将年平均径流量组成统计系列，按照适线法进行频率分析。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算年份1958~19591959~19601960~19611961~19621962~19631963~19641964~19651965~19661966~1967年平均流量m3/s11.97.7810.09.6414.44.737.8710.410.2年份1967~19681968~19691968~19701970~19711971~19721972~19731973~19741974~19751975~1976年平均流量m3/s10.912.610.315.17.2411.317.78.4216.9某站年径流量表第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算频率计算结果如下：均值P=10%的设计丰水年P=50%的设计平水年P=90%的设计枯水年VSVCCCsmQ2,32.0,/113/s)(m7.151143.1K3QQP丰丰/s)(m7.101197.0K3QQP平平/s)(m82.61162.0K3QQP枯枯第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算（1）代表年的选择选取年径流量与设计值相接近的实际年份。2、设计年径流量的年内分配计算选取对工程较为不利的年份。对水利水电工程而言,则应选取枯水期较长、且枯水期径流量又较枯的年份。根据这种典型年的径流分配情况,计算得到的工程规模较大，对工程不利。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算（2）年内分配计算方法：同倍比放大法将设计年径流量按典型年的月径流过程进行分配。先求设计年径流量（Qp或Wp）与典型年的年径流量（QD或WD）的比值：第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算【例2】按前例，求设计丰水年、设计平水年及设计枯水年的设计年径流的年内分配。（1）代表年的选择P=10%的设计丰水年，Q年，10%=15.7m3/s。选1975~1976年为丰水代表年。P=50%的设计平水年，Q年，50%=10.7m3/s。选1960~1961年为平水代表年。P=90%的设计枯水年，Q年，90%=6.82m3/s。选1964~1965年为枯水代表年。（2）以年水量控制求缩放倍比K设计丰水年K丰=QP/QD=15.7/16.9=0.929设计平水年K平=10.7/10.0=1.07设计枯水年K枯=6.82/7.87=0.867（1964~1965代表年）K枯=6.82/7.24=0.942（1971~1972代表年）（3）设计年径流年内分配计算以缩放倍比K乘以各代表年逐月径流，即得设计年径流年内分配。第三节具有长期实测资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算月3456789枯水代表年（1964~1965）P=90%设计枯水年9.918.5912.510.812.9011.2034.6029.906.905.795.554.822.001.73枯水代表年（1971~1972）P=90%设计枯水年5.084.806.105.7624.3022.8022.8021.483.403.203.453.254.924.63平水代表年（1960~1961）P=50%设计平水年8.218.7819.5020.9026.4028.2024.6026.307.357.869.6210.303.203.42丰水代表年（1975~1976）P=10%设计丰水年22.420.837.1034.5058.0053.9023.9022.2010.609.8512.4011.506.265.82某站以年水量控制，同倍比缩放的设计年、月径流量月10111212全年总量平均枯水代表年（1964~1965）P=90%设计枯水年3.272.831.621.401.171.020.990.863.062.6794.5081.807.876.82枯水代表年（1971~1972）P=90%设计枯水年2.792.631.