工程水文及水利计算-第8讲

工程水文及水利计算门宝辉可再生能源学院提纲第一章绪论第二章水循环及径流形成第三章水文资料的观测、收集与处理第四章水文统计基本知识第五章设计年径流及径流随机模拟（分3讲）第六章由流量资料推求洪水（分3讲）第七章流域产、汇流计算（分4讲）第八章由暴雨资料推求设计洪水（分3讲）第九章水文预报第十章水库兴利调节计算（分2讲）第十一章水电站的水能计算（分2讲）第十二章水库防洪计算（分2讲）第五章目录第五章设计年径流及径流随机模拟5-1概述5-2影响年径流的因素5-3具有长期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算5-6流量历时曲线5-7设计枯水流量的分析计算5-8径流随机模拟5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算资料条件：当实测资料年数n≥30，为具有长期实测资；当30＞n≥12，为具有短期实测资料；当n＜12，为缺乏实测资料。关键：展延年径流系列的长度。实质：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书第四章所述完全一样。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。5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算利用本站的水位资料延长年径流系列有些测站开始只观测水位，后来增加了流量测验。可根据其水位～流量关系，将水位资料转化成径流资料。2、年径流系列的展延5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算利用上下游站或邻近河流测站径流资料，延长设计断面的径流系列同一河流上下游的水量存在着有机联系，因此，当设计断面上下游不太远处有实测径流资料时，常是很好的参证变量。同一水文气候区内的邻近河流，当流域面积与设计流域面积相差不太悬殊时，其径流资料也可试选为参证变量。2、年径流系列的展延5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算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。2、年径流系列的展延5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算注意：（1）找出有物理成因的真实关系；（2）不要通过展转相关建立相关关系；（3）不要过分延长相关线展延资料。2、年径流系列的展延5-4具有短期实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的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。前提：设计流域所在的区域内，有水文特征值的地区综合分析成果，或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用。方法：采用地理综合法间接推求年径流量的统计参数均值、Cv和Cs，然后推求满足设计保证率的年径流量，最后采用同倍比放大法推求设计年径流过程。常用方法：水文比拟法、参数等值线图法和经验公式法。5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算1、水文比拟法水文比拟法：在水文相似区内，无资料流域移置(经过修正)有资料流域实测水文特征值的一种方法，特别适用于年径流的分析估算。当设计断面（设计站）缺乏实测径流资料，但其上下游或水文相似区内有实测水文资料可以选作参证站时，可采用本法估算设计年径流。要点：将参证站的径流特征值，经过适当的修正后移用于设计断面。5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算修正参变量：流域面积、多年平均降水量。多年平均年径流量的计算均值流域面积为主要参变量，二者应比较接近，通常以不超过15％为宜；如径流的相似性较好，也可以适当放宽上述限制。当设计流域无降水资料时，可以不采用降水为参变量。1、水文比拟法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流量的计算1、水文比拟法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流量的计算Cv值1、水文比拟法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算Cs值Cv一般可以直接采用，不需要进行修正。Cs一般不需要进行计算，取用Cs=2～3Cv设计成果的移植如果参证站已有年径流分析成果，也可以用下列公式，将参证站的设计年径流直接移用于设计流域。下标P代表频率，其他符号的意义同前。1、水文比拟法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算设计成果的移植水文比拟法成果的精度，取决于设计流域和参证流域的相似程度，特别是流域下垫面的情况要比较接近。年内分配：直接移植典型年或地区综合的年内分配过程。同倍比放大法：推求设计年径流分配过程。特点：对于较小流域，由于缺乏实测水文资料，等值线图又难以应用，水文比拟法具有较大的实用价值。1、水文比拟法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算原理等值线图可以反映水文特征值的地理分布规律，如中国年降雨量等值线图反映的是多年平均年降雨量随地理坐标而发生的变化。影响水文特征值的因素分类：当影响水文特征值（如年径流深、年降雨量等）的因素主要是区域性因素（如气候因素）时，则该特征值随地理坐标不同而发生连续的变化，利用这种特性就可以在地图上作出它的等值线图；2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算影响水文特征值的因素分类：当影响水文特征值（如洪峰流量、特征水位等）的因素主要是非区域性因素（如流域面积、河床下切深度等）时，则该特征值不随地理坐标而连续变化，就无法作出它的等值线图；对于同时受区域性和非区域性两种因素影响的特征值（如年径流总量等），在消除非区域性的影响后，才能得出该特征值的地理分布规律。原理2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算闭合流域多年水量平衡方程为：R0=P0-E0从上式可以看出，影响闭合流域多年平均年径流量的因素主要是气候因素，即多年平均降雨量和蒸发量。由于降雨量和蒸发量具有地理分布规律，所以多年平均年径流量也具有这一规律，因而可以绘制多年平均年径流深等值线图。原理2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图绘制为了消除流域面积这一非区域性因素的影响，等值线图总是以径流深（毫米）或径流模数（升·秒-1·公里-2）来表示。绘制气候特征值（如降雨量、蒸发量）等值线图时，是把各观测值点注在地图中各对应观测点的位置上。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图绘制绘点位置：把多年平均年径流深点注在流域形心处。形心：沿不同方向将流域面积大致等分为两等分的几条直线的交点。方法：将一些有实测资料流域的多年平均年径流深点注在各流域形心处后，再考虑降雨及地形特征勾绘等值线，最后用大、中流域的资料加以校核调整，并和多年平均年降雨量等值线图对照，消除不合理现象。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图应用通过形心插值：在小流域中，流域内通过的等值线很少，可按通过流域形心的直线距离比例内插法，计算流域平均径流深。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图应用首先绘出通过流域长短轴的两条垂线，其交点O即近似地位于流域的形心位置。通过O点作大致垂直于700、800mm两条等值线的直线，交点分别为A、B，则流域的平均径流深为2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图应用面积加权法：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、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算多年平均年径流深等值线图精度大流域：一般具有长期的实测资料，很少用等值线图；中流域：精度一般较高，具有很大的实用价值；小流域：误差很大，且由等值线图查得的径流深有可能偏大。因为绘制等值线图时主要依据的是中等流域的资料，由等值线图查得的径流深应该是小流域的径流量全部流出时的径流量，但小流域不闭合，河槽下切不深，不能全部汇集本流域所形成的地下径流，即实际资料要小于这个数。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算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。大流域：一般具有长期的实测资料，很少用等值线图；中流域：精度一般较高，具有很大的实用价值；小流域：误差很大，且由等值线图查得的Cv值有可能偏小。因为绘制等值线图时主要依据的是中等流域的资料，一般来说流域越大，径流变化越均匀，Cv值越小。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算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。2、等值线图法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算年径流的地区综合，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。例如，年径流均值的经验公式有如下类型：b1，b2、n1、n2、m——参数，通过实测资料分析确定，或按已有分析成果采用。Cv、Cs也有地区综合的成果。3、经验公式法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算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、经验公式法5-5缺乏实测径流资料时设计年径流量及其年内分配的分析计算径流的分配过程除用流量过程表示之外，还可以用流量历时曲线来表示。这种曲线是按其时段内所出现的流量数值及其历时(或相对历时)而绘成的，说明径流分配的一种特性曲线。5-6流量历时曲线多年综合日流量历时曲线是根据所有各年份的实测日平均流量资料绘成的，它能反映流量在多年期间的历时情况。在工程设计中，有时要求绘制丰水年(或枯水年)的综合日流量历时曲线，它是根据各丰水年(或枯水年)的实测日平均流量资料绘成的。1、多年综合日流量历时曲线所谓丰水期(枯长期、灌溉期)的综合日流量历时曲线，它是根据所有各年丰水期(枯水期，灌溉期)的实测日平均流量资料绘成的。5-6流量历时曲线代表年日流量历时曲线是根据某一年份的实测日平均流量资料绘成的，曲线的纵坐标为日平均流量或其相对值(模比系数)，横坐标则为历时日数或相对历时(占全年的百分数)。2、代表年日流量历时曲线平均历时曲线是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的曲线。3、平均日流量历时曲线平均历时曲线是一种虚拟的曲线。与综合历时曲线相比，它的上部较低而下部较高，中间则大致与综合曲线重合。5-6流量历时曲线5-7设计枯水流量的分析计算枯水流量亦称最小流量，是河川径流的一种特殊形态。枯水流量往往制约着城市的发展规模、灌溉面积、通航的容量和时间，同时，也是决定水电站保证出力的重要因素。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，其中又以日、旬、月最小流量对水资源利用工程的规划设计关系最大。时段枯水流量与时段径流量在分析方法上没有本质区别，主要在选样方法上有所不同。