工程水文学第5章设计年径流及年内分配的计算

第五章设计年径流及年内分配的计算第一节概述......................................................1第二节影响年径流的因素...........................................4第三节具有长期实测资料时设计年径流量.............................6第四节具有短期实测径流资料时....................................10第五节缺乏实测径流资料时设计年径流量............................14第六节流量历时曲线.............................................18第七节设计枯水流量分析计算......................................19课前学习指导课程要求（1）熟悉年径流的定义和我国年月径流时空变化特性；（2）了解工程规模与来、用水、保证率的关系；（3）熟悉影响年径流年内分配的因素；（4）掌握不同资料情况下设计年径流及其年内分配的分析与计算方法；（5）了解流量历时曲线与设计枯水流量计算方法；（6）了解年径流随机模拟的一般原理与方法课时安排共需6个课内学时，8个课外学时课前思考年径流是依据什么年度进行统计?水文资料审查应包括哪几个方面，各自的含义是什么？如何利用同频率与同倍比方法缩放年月径流过程？各自的优缺点？插补延长年月径流系列时应注意什么？应用水文比拟法的关键？年月径流资料短缺的含义是什么？学习重点掌握不同年月径流资料条件下，如何推求设计年径流及其年内分配；难点如何对年月径流建立水文随机模型并进行随机生成？第一节概述一、年径流的变化特性在一个年度内，通过河流出口断面的水量，叫做该断面上以上流域的年径流量，它常用年平均流量、年径流深、年径流总量或年径流模数表示。一般不用日历年，而是用水利年作为一个年度。图5-1（a）黄河陕县站（b）松花江哈尔滨站年径流过程线年径流变化的一些特性：1）年径流具有大致以年为周期的汛期与枯水期交替变化的规律，但各年汛、枯水期的历时有长有短，发生时间有早有迟，水量也有大有小，基本上年年不同，从不重复，具有偶然性质。2）年径流在年际间变化很大，有些河流丰水年径流量可达平水年的2-3倍，枯水年径流量只有平水年的0.1-0.2倍。为了便于相互比较，可采用丰水年模比系数K丰和枯水年模比系数K枯表示。式中：为多年平均流量。3）年径流在多年变化中有丰水年组和枯水年组交替出现的现象。图5-1（a）黄河陕县站曾出现过连续11年（1922-1932）的少水年组，而后的1935-1949年则基本上是多水年组。图5-1（b）松花江哈尔滨站1927年以前的30年基本上是少水年组，而后的1928-1966年基本上是多水年组。浙江新安江水电站也曾出现边连续13年（1956-1968）的少水年组。这说明河流的年径流量具有或多或少的持续性。此变化特性对于水资源开发利用、防汛等是不利的。二、工程规模与来水、用水、保证率的关系上述年径流量的自然变化情势往往与用水部门的需水有矛盾。为了按时按量地满足用水部门的需求要求，必需兴建水利工程（如水库等），对天然径流加以人工调节，按用水要求泄放。各项水利工程的规模如何确定呢？今以确定灌溉水库的库容（V）为例说明如下：在丰水年份，由于降雨量多，河流中水量丰富，且作物要求的灌溉水量较少，来水与用水的矛盾不突出，解决这种丰水年份的灌溉要求，所需的工程规模（如水库的库容）较小。如图5-2中仅八月份来水小于用水，故用以满足灌溉用水所需的库容（V）较小。图5-2丰水年来水、用水对照图相反，在枯水年份，降雨量小，河流中水量也较枯，并且由于气温高，蒸发大，耗水很多，作物要求的灌溉水量却很大，来水与用水的矛盾就很突出。为了满足这种枯水年份的灌溉要求，水库的库容就要大得多，如图5-3所示。图5-3枯水年来水、用水对照图在同样的干旱年份，即使年来水总量、用水流量相同，但由于径流年内各月分配不同，对库容大小也有影响，如图5-4(a)、(b)两年的年平均流量Q相同，但(b)年的径流年内分配（概化成汛期、枯季两个流量）较(a)年的均匀，因此两年所需水库供水的数量也就不同，往往径流年内分配不均匀的年份所需库容较大，即VAVB。图5-4径流年内分配不同对库容影响示意图对于不同的年份，来水与用水有各种可能的组合情况，各年所需的库容也就大小不一。例如某灌区有二十年的年来水量资料和灌溉用水量的资料，就可以求出二十个大小不同的库容值V1、V2、…、V20。那末，应该用什么样的库容值来设计水库呢？库容造大些，灌溉用水的保证程度（即保证率）就高些，但投资要多；相反，库容造小些，可节省投资，但灌溉用水的保证率就低些，碰到大旱年份，灌溉用水得不到保证，作物就要减产甚至失收。这里就牵涉到一个设计标准问题，也就是设计保证率问题。由上可知，在规划设计阶段，水利工程的规模是由来水、用水矛盾的大小和希望解决矛盾的程度（即设计保证率）来决定的，也就是说，在规划设计阶段要分析工程规模、来水、用水、保证率四者之间的关系，经过技术经济比较来确定工程规模。三、水文计算任务本章的主要任务是分析研究年径流量的年际变化和年内分配规模，提供工程设计的主要依据——来水资料。其他如用水、保证率和工程规模计算在其他有关课程中介绍。水利工程调节性能的差异和采用的水利计算方法的不同，对无调节性能的引水工程，要求提供历年（或年代表年）逐日来水流量过程资料；对于有调节性能的蓄水工程，则要求提供历年（或年代表年）的逐月（旬）流量过程资料或各种时段径流量的频率曲线，供水利计算应用。本章将主要讲述具有长期实测径流资料、短期实测径流资料和缺乏实测资料时的设计年径流量及年内分配的分析计算方法。第二节影响年径流的因素在水文计算中，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。研究影响年径流量的因素，可从流域水量平衡方程式着手，由以年为时段的流域水量平衡方程式：y=x-z+Δu+Δw（5-1）可知：年径流深Y取决于年降水量x，年蒸发量z，时段始末的流域蓄水量变化Δu和流域之间的交换水量Δw四项因素。前两项属于流域的气候因素，后两项属于下垫面因素（指地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流域大小等）。当流域完全闭合时，Δw=0，影响因素只有x、z和Δu三项，如对多年平均情况，则影响年径流的因素只有降水和蒸发。一、气候因素对年径流量的影响在湿润地区，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。二、下垫面因素对年径流量的影响（一）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。地形对于降水的影响主要表现在山地对水汽的抬升和阻滞作用，使迎风坡降水量增大。增大的程度主要随水汽含量和抬升速度而定。地形除对降水有影响外，还对蒸发有影响。一般气温随高程的增加而降低，因而使蒸发量减小。所以地形对蒸发和降水的作用，一般将使年径流量随高程的增加而加大。（二）湖泊湖泊（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，使Δu值加大，对年径流变化发生作用，起着减小径流年际变化的作用。（三）流域大小流域可看作为一个径流调节器，输入为降水，输出为径流。一般随着流域面积的增大，径流量的变化相应地减小。这是因为：1）流域面积增大时，一般地下蓄水量相应加大；2）随着流域面积的增加，流域内部各地径流的不同期性愈加显著，所起的调节作用就更为明显。三、人类活动对年径流量的影响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。一般来说，这些措施都将使蒸发增加，从而使年径流量减少。第三节具有长期实测资料时设计年径流量当具有长期实测径流资料（一般要求20-30年以上）时，通过水文计算提供的来水资料，可有三种类型，1）设计长期年的年月径流系列；2）实际代表年的年月径流量；3）设计代表年的年月径流量。来水资料的分析计算一般有三个步骤。首先，应对实测径流资料进行审查；其次，运用数理统计方法推求设计年径流量；最后，用代表年法推求径流年内分配过程。一、水文资料的审查资料审查包括可靠性、一致性和代表性。1、资料可靠性的审查可靠性指水文资料是否存在人为或天然原因造成的错误。审查一般可从以下几个方面进行：（1）水位资料的审查，检查原始水位资料情况，是否存在水位基面不一致，并分析水位过程线形状从而了解当时观测质量，研讨有无不合理的现象。（2）水位流量关系曲线的审查，检查水位流量关系曲线绘制和延长的方法，并分析历年水位流量关系曲线的变化情况。（3）水量平衡的审查，根据水量平衡的原理，上、下游站的水量应该平衡，即下游站的径流量应等于上游站径流量加区间径流量。通过水量平衡的检查即可衡量径流资料的精度。解放前和“文革”期间的水文资料质量较差，审查时应特别注意。2、资料一致性的审查从数理统计解释，一致性是指所取得的资料系列是否来自同一总体，从水文上讲，要求组成系列的每个资料具有同一成因。就年径流量系列而言，当气候条件或下垫面条件有显著的变化时，其一致性就遭到破坏。一般认为气候条件的变化极其缓慢，可认为相当稳定，而下垫面条件却由于人类活动而迅速变化，所以在审查年径流资料时应该考虑到这一点。如，在测流断面上游修建了水库工引水工程，则工程建成后下游水文站实测资料的一致性就遭到破坏，引用该水文站的资料时，必须合理的修正，还原到修建工程前的同一基础上。资料一致性可通过数理统计和观看年径流随时间变化过程线等方法进行检验。还原方法可参照水利电力部颁发的《水利水电工程水文计算规范SDJ214-83（试行）》和有关专门文献。一般说来，只要下垫面条件的变化不是非常显著，可以认为径流系列具有一致性。3、资料代表性的审查资料代表性指的是所取得水文样本对总体的接近程度，越接近代表性就越好。例如，某设计站具有1961—1980年共20年的年径流量系列（称为设计变量），为了检验系列的代表性，可选择与设计变量有成因联系、具有长系列的参证变量（本例选择具有1921-1980年共60年系列的邻近流域的年径流量）来进行比较。首先，计算参证变量，长系列（1921-1980年）的分布参数（主要是均值和离势系数）；然后，计算参证变量1961-1980年系列的分布参数。假如两者的分布参数值大致接近，就可认为设计变量的1961-1980系列也具有代表性。显然，应用上述方法，应具有下列两个条件，1）设计变量与参证变量的时序变化具有同步性；2）参证变量的长系列本身具有较高的代表性。二、设计年、月径流量系列的选取实测径流系列经过审查和分析后，再按水利年度排列为一个新的年、月径流系列，然后，从这个长系列中选出代表段。代表段中应包括有丰、平、枯水年，并且有一个或几个完整的调节周期；代表段的年径流量均值、离势系数应与长系列的相近。我们用这个代表段的年、月径流量过程来代表工程运行期间的年、月径流量变化。这个代表段就是水利计算所标的所谓“设计年、月径流系列”。有了设计条件下的历年逐月径流过程（来水）和历年逐月的用水过程，就可以逐年进行来水、用水平衡计算，可得到逐年所需的库容值。将库容值由小到大重新排列，做出库容频率曲线。于是，可以由设计用水保证率的设计库容Vp，用以确