第五章 设计年径流.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 年径流分析与计算,研究目的：,年径流分析计算是为水利水电工程的规划设计服务的，其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；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。,主要研究内容：,1.,具有长期实测径流资料情况下，设计年径流量及其年内分配计算；,2.,具有短期实测径流资料情况下，设计年径流量及其年内分配计算；,3.,缺乏资料情况下，设计年径流量及其年内分配计算。,第一节,概 述,一、年径流的变化特征,年径流量：,在一个年度内，通过河流出口断面的水量，叫做该断面以上流域的年径流量。它可以用年平均流量、年径流深、年径流总量或年径流模数表示。,年度分类,：,日历年度、水文年度、水利年度,年径流变化特性,:,年内变化特性 年际变化特性,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。,年径流的年内变化特性,年径流具有大致以年为周期的汛期与枯季交替变化的规律，但各年汛、枯季的历时有长有短，发生时间有早有迟，水量有大有小，基本上年年不同，从不重复，具有偶然性质。,年径流的,年际变化特性,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,23,倍，枯水年径流量只有平水年的,0.10.2,倍。,年径流在多年变化中具有丰水年组和枯水年组交替出现的现象。,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水要求，必须兴建水利工程，对天然径流加以人工调节，按用水要求泄放。,二、工程规模与来水、用水、保证率的关系,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。,P207,图,8-4,三、水文计算任务,本章的任务是分析研究年径流量的年际变化和年内分配规律，提供工程设计的主要依据,来水资料。,水利工程调节性能的差异和采用的水利计算方法的不同，要求水文计算提供的来水,年径流资料也有所不同。,对于无调节性能的引水工程：提供历年（或代表年）的逐日流量过程资料。,对于有调节性能的蓄水工程，要求提供历年（或代表年）的逐月（旬）流量过程资料，共水利计算应用。,第二节,影响年径流的因素,一、分析和研究影响年径流的因素的目的,通过对影响因素的分析研究，可以从物理成因方面去深入探讨径流的变化规律。,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估径流特征值。,可对计算成果作分析论证。,二、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。,在湿润地区，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，且极大部分耗于蒸发，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。,对于以冰雪补给为主的河流，年径流量主要取决于前一年的降雪量和当年的气温。,三、流域下垫面因素对年径流的影响,流域下垫面因素包括地形、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。,（,1,）地形,（,2,）湖泊,（,3,）流域大小,地形的影响,地形通过对气候因素,降水、蒸发、气温的影响而间接对年径流量发生作用。,地形对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。,气温随高程的增加而降低，因而使蒸发量较少。,地形对降水和蒸发的作用，将使年径流量随高程的增加而加大。,湖泊的影响,湖泊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的变化。,在干旱地区，由于水面蒸发量和陆面蒸发量相差很大，所以湖泊对减少年径流量的作用较显著；在湿润地区，湖泊对年径流量的影响较小。,较大的湖泊增大了流域的调节作用，对年径流变化发生作用，减小了径流年际变化的幅度。,流域大小的影响,一般随着流域面积增大，径流量的变化相应较小。原因：其一、流域面增大时，地下蓄水量相应加大；其二、随着流域面积增加，流域内部各地径流的不同期性愈加显著，调节作用更为明显。,四、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。,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，这些措施都使蒸发增加，从而使年径流量较少。,五、影响径流年内分配的因素,在汛期，降雨对径流起着决定性作用；,在枯季，枯水径流主要来自流域蓄水，此时流域蓄水变量对枯季径流起很大作用。,第三节 具,有长期实测资料时设计年径流量及年内分配的分析计算,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。,在水利工程规划设计阶段，当具有长期实测径流资料时，通过水文分析计算提供的来水资料，按设计要求，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。,一、水文资料的审查,审查内容,包括鉴定,年径流量系列的可靠性、一致性和代表性。,1.,资料可靠性审查,可靠性审查应从审查测验方法、测验成果、整编方法和整编成果着手。（,水位资料审查、水位流量关系曲线审查、水量平衡审查,）,2.,资料一致性审查,不同成因的资料不得作为同一个系列,。只要下垫面条件变化不是非常显著，可认为径流系列具有一致性。（,还原计算,）,3.,资料代表性审查,样本对总体代表性的高低可以理解为样本分布参数与总体分布参数的接近程度。,通常通过与更长系列的分布参数作比较来衡量其代表性。,对更长系列（参证变量）的要求：设计变量与参证变量的时序变化具有同步性；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,步骤：,（,1,）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。,（,2,）从这个长系列中选出代表段。代表段应包括有丰、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。,用这个代表段的年、月径流量过程来代表未来工程运行期间的年、月径流量变化。这个代表段就是水利计算所要求的“设计年、月径流系列”。,三、实际代表年年、月径流量系列的选取,实际代表年法就是从实测年、月径流量系列中，选出一个实际的干旱年作为代表年，用其年径流分配过程直接与该年的用水过程相结合而进行调节计算，求出调节库容，确定工程规模。选出的年份就称为实际代表年，其年、月径流量，就是实际代表年年、月径流量。,实际代表年法在小型灌溉工程的设计中应用较广。,四、设计代表年年径流量及年内分配的计算,设计年径流量及年内分配的计算步骤：,（,1,）根据审查分析后的长期实测径流量资料，按工程要求确定计算时段，对各时段径流量进行频率计算，求出指定频率的各种时段的设计流量值。,（,2,）在实测径流资料中，按一定的原则选取各种代表年。对灌溉工程只选枯水年为代表年；对水电工程一般选丰水、平水、枯水三个代表年；,（,3,）求设计时段径流量与代表年的时段径流量的比值，对代表年的径流过程按此比值进行缩放，即得设计的年径流过程线。,（一）设计时段径流量计算,1.,计算时段确定,计算时段是按工程要求来考虑的。设计灌溉工程，一般取灌溉期作为计算时段。设计水电工程时，取枯水期或年作为计算时段。,2.,频率计算,根据历年逐月径流资料，统计时段径流量。若计算时段为年，则按水利年度统计年、月径流量，即构成年径流量计算系列。若选定的计算时段为,3,月（或其他时段），则根据历年逐月径流量资料，统计历年最枯,3,个月的水量，不固定起讫时间，可以不受水利年度分界的限制。,径流频率计算依据的资料系列应在,20,或,30,年以上。,有了年径流量系列或时段径流量系列，运用适线法，推求制定频率的设计年径流量或指定频率的设计时段径流量。,适线时要考虑全部经验点据。如曲线与点据拟合不佳，应侧重考虑中、下部点据，适当照顾上部点据。,年径流频率计算中，,Cs/,Cv,值按具体配线情况而定，一般采用,23,。,3.,成果合理性分析,成果分析主要对径流系列均值、离势系数及偏态系数进行合理性审查，可借助于水量平衡原理和径流的地理分布规律进行。,（,1,）多年平均年径流量的检查,运用多年平均年径流量的地理分布规律，判断所得成果的合理性。,（,2,）年径流量离势系数的检查,反映径流年际变化程度的年径流量的,Cv,值也具有一定的地理分布规律。可运用年径流量的,Cv,等值线图，检查其合理性。,（,3,）年径流量偏态系数的检查,Cs,值的合理性检查尚无公认的适当方法。,（二）设计代表年年径流量的年内分配计算,不同分配形式的年径流量对工程设计的影响不同。,在水文计算中，一般采用缩放代表年径流过程线的方法来确定设计年径流量的年内分配。,1.,代表年的选择,从实测的历年径流过程线中选择代表年径流过程线，可按下列,原则,进行：,（,1,）选取年径流量接近于设计年径流量的代表年径流量过程线；,（,2,）选取对工程较不利的代表年径流过程线。年径流量接近设计年径流量的实测径流过程线，可能不只一条。这时，应选取其中较不利的，使工程设计偏于安全。,一般，对灌溉工程，选取灌溉需水季节静流绞股的年份；对水电工程，择选取枯水期较长、径流又较枯的年份。,2.,径流年内分配计算,将设计时段径流量按代表年的月径流过程进行分配，有同倍比和同频率两种方法。,（,1,）同倍比法,常见的有按年水量控制和按供水期水量控制的两种同倍比法。,同倍比计算式为：,或,用同一倍比对整个代表年的月径流过程进行缩放，即得设计年内过程。,（,2,）同频率法,同频率法的基本思想是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，可采用各时段不同倍比缩放代表年的逐月径流，已获得同频率的设计年内分配。,具体计算步骤如下：,根据要求选定几个时段,，如最小,1,个月、最小,3,个月、最小,7,个月等；,作各个时段的水量频率曲线，并,求得设计频率的各个时段径流量，,如最小,1,个月的设计流量 ，最小,3,个月的设计流量 等。,按选代表年的原则选取代表年,，在代表年的逐月径流过程上，统计最小,1,个月的流量 ，连续最小,3,个月的流量 ，,，并要求长时段的水量包含短时段的水量在内。,计算缩放倍比计算式：,用各自的缩放倍比乘对应的代表年的各月流量，即得设计年内过程。,【,实例,1】,某水库坝址处已得,18,年的年、月径流资料，试求设计年平均流量。工程要求设计标准：丰水年,P=10%,、,平水年,P=50%,、,枯水年,P=90%.,解,1.,设计年径流量计算,（,1,）统计年平均流量；（,2,）频率计算确定年平均流量。,计算年径流均值、离势系数：,表,1,某站年径流频率计算表,序号,年径流量,K,i,K,i,-1,(K,i,-1),2,经验频率（,%,）,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,（,5,）,（,6,）,1,17.7,1.66,0.66,0.4356,5.3,2,16.9,1.54,0.54,0.2716,10.5,3,15.1,1.37,0.37,0.1369,15.8,4,14.4,1.31,0.31,0.096,21.1,5,12.6,1.15,0.15,0.023,26.3,6,11.9,1.08,0.08,0.0064,31.6,7,11.3,1.03,0.03,0.0009,36.8,8,10.9,0.99,-0.01,0.0001,42.1,9,10.4,0.94,-0.06,0.0036,47.4,10,10.3,0.93,-0.07,0.0049,52.6,11,10.2,0.93,-0.07,0.0049,57.9,12,10.0,0.91,-0.09,0.0081,63.2,13,9.64,0.88,-0.12,0.0144,68.4,14,8.42,0.77,-0.23,0.0676,73.7,15,7.87,0.72,-0.28,0.0784,78.9,16,7.78,0.70,-0.30,0.0900,84.2,17,7.24,0.66,-0.34,0.1156,89.5,18,4.73,0.43,-0.57,0.3249,94.7,合计,197.38,18.0,0.0,1.7025,取 ，利用皮尔逊,III,型分布离均系数 表，绘制理论频率曲线。,表,2,年径流量频率曲线计算表,备注,：,水文统计中，称,K,为模比系数，其定义式：,P(%),1,2,5,10,20,50,75,90,95,99,2.78,2.37,1.81,1.33,0.80,-0.11,-0.72,-1.19,-1.44,-1.85,1.89,1.76,1.58,1.43,1.25,0.97,0.77,0.62,0.54,0.41,20.8,19.4,17.4,15.7,13.7,10.7,8.47,6.82,5.94,4.51,将经验频率点据与理论频率曲线绘于同一张概率格纸上如图。,由图可知，理论频率曲线与经验频率点配合较好，不用再配线，此皮尔逊,III,型曲线可作为该站年径流量的分布曲线。,2.,设计年径流年内分配,以,P=90%,枯水年的径流年内分配为例。,P=90%,的设计年平均流量为,6.82m,3,/s,，与之,相近的实际枯水年有,19711972,、,19641965,、,19591960,年。其中，,19641965,年枯水期来水量较枯，选作枯水年的代表。,时段,均值,Cv,Cs/,Cv,设计年平均流量,P=10%,P=50%,P=90%,年,11.0,0.32,2,15.67,10.67,6.82,（,1,）计算缩放倍比：,（,2,）同倍比缩放法推求设计年径流过程,表,5,设计代表年年内分配（,P=90%),续表,5,月,3,4,5,6,7,8,9,典型过程,9.91,12.5,12.9,34.6,6.90,5.55,2.00,设计过程,(90%),8.59,10.8,11.2,29.9,5.97,4.82,1.73,月,10,11,12,1,2,年均,典型过程,3.27,1.62,1.17,0.99,3.06,7.87,设计过程,(90%),2.83,1.40,1.02,0.86,2.67,6.82,110,【,实例,2】,某河某站有,24,年实测径流资料，经频率计算已求得年径流量统计参数：,试结合下表推求十年一遇枯水年和丰水年的年径流深？,解,：,1.,十年一遇枯水年径流深：,1,10,50,90,99,0.64,2.78,1.33,-0.09,-0.19,-1.85,0.66,2.79,1.33,-0.09,-0.19,-1.84,解,:(1),十年一遇枯水年径流深：,(2),十年一遇丰水年径流深：,第四节 具有,短期实测径流资料时设计年径流量及年内分配的计算,在规划设计中小型水利水电工程时，往往遇到在坝址处仅有短期实测径流资料的情况。这时，由于径流资料系列短，如直接根据这些资料进行计算，求得的成果可能具有很大的误差。为了提高计算精度，保证成果的可靠性，必须设法展延年、月径流系列。,当年径流系列适当延长以后，其频率分析方法与本章第三节所述完全一样。,在水文计算中，常用相关法来展延系列。即建立设计站的年、月径流资料与参证资料的相关关系，然后利用较长系列的,参证资料,通过相关关系来展延设计站得年、月径流资料。,在实际工作中，通常利用径流量或降雨量作为参证资料来展延设计站的年、月径流量系列。有条件时，也可用本站的水位资料，通过以建立的水位流量关系来展延年、月径流。,参证资料可按下列条件选用：,（,1,）参证资料要与设计站的年、月径流资料在成因上有密切联系，这样才能保证相关关系有足够的精度。,（,2,）参证资料与设计站的年、月径流资料要有一段相当长的平行观测期，以便建立可靠的相关关系。,（,3,）参证资料必须具有足够长的实测系列，除用以建立相关关系的同期资料外，还要有用来展延设计站缺测年份的年、月径流资料。,一、利用径流资料展延系列,1.,以邻站径流量相关法展延设计站年径流量系列,利用上下游、干支流或邻近流域测站的长系列实测年径流量资料来展延系列。,2.,以月径流量相关展延年、月径流量系列,由于影响月径流量相关的因素较年径流量相关的因素要复杂，因此月径流量之间的相关关系不如年径流量相关关系好。,二、利用降雨资料展延系列,1.,以年降雨径流相关法展延年径流量系列,在湿润地区，年降雨量与年径流量存在较好的相关关系。在干旱地区，其相关关系较差。,2.,以月降雨径流相关法展延年、月径流量系列,降雨径流关系较差，精度不高。,3.,利用确定性的降雨径流模型插补年、月径流,三、相关展延系列时必须注意的问题,1.,平行观测项数的多寡问题,展延系列,时，一般要求在,1520,项以上。,2.,辗转相关问题,辗转相关常隐匿实际上积累的巨大误差，因此，最好不用辗转相关展延系列。,3.,假相关问题,为避免假相关，应直接就原始变量之间寻求关系。,4.,外延幅度问题,对于年径流量不宜展延超过,50,.,5.,插补的项数问题,插补的项数以不超过实测值的项数为宜，最好不超过后者的一半。,第五节 缺乏,实测径流资料时，设计年径流量及年内分配的计算,在进行面广量大的中小型水利水电工程的规划设计时,，经常遇到小河流上缺乏实测径流资料的情况，或者虽有短期实测径流资料但无法展延。此时，设计年径流量及年内分配只能通过间接途径来推求。目前常用的方法是,水文比拟法和参数等值线法,。,一、水文比拟法,水文比拟法是将参证流域的水文资料移置流域上来的一种方法。,这种移置是以设计流域影响径流的各项因素，与参证流域影响径流的各项因素相似为前提。,气候条件,下垫面条件相似,流域面积相差不大,移置方法：,直接移置径流深,考虑雨量修正,移置参证流域的年降雨径流相关图,移置参证流域的降雨径流模型及其参数,1.,直接移置径流深,直接把参证流域的实测年、月径流深移置到设计流域上来。,直接移置的条件：,（,1,）两个流域的年雨量要基本相等；,（,2,）两个流域的自然地理情况相近；,（,3,）两流域面积相差不大。,2.,考虑雨量修正,当设计流域与参证流域的自然地理情况相近，但降雨量情况有较大差别时，就不能直接移置径流深。可用雨量修正。,有了设计流域年径流深，可根据参证流域的月径流分配，得出设计流域逐月径流深。,3.,移置参证流域的年降雨径流相关图,将参证流域的年降雨径流相关图移置到设计流域，再由设计流域年降雨量查图求得设计流域的年径流深。其逐月径流过程可根据参证流域的月径流分配过程按年径流量同倍比缩放求得。,4.,移置参证流域的降雨径流模型及其参数,将逐日降雨量资料和蒸发资料作为模型的输入，输出逐日模型的径流深；按月求和即得设计流域的年、月径流过程。,二、参数等值线图法,1.,绘制水文特征值等值线图的条件,当影响因素主要是分区性因素时，可作出它的等值线图。对于同时受到两类因素影响的特征值，应设法消除非分区性因素的影响。,水文特征值（如年径流量、时段径流量、年降水量、时段降水量等）的统计参数（均值、,Cv,),在地区上有渐变规律，可以绘制等值线图。,2.,多年平均年径流深等值线图的绘制和使用,绘制,：一般将流域多年平均径流深点绘在流域面积的形心处。在山区，则点绘在流域的平均高程处。然后购绘等值线图。,使用：,（,1,）当流域面积较小，等值线分布较均匀时，由通过,流域形心,的等值线值确定。（,2,）当流域面积较大，或等值线分布不均匀时，用,加权平均法,推求。加权平均法计算式：,小流域,不能全部截获地下水，它的多年平均径流量比同一地区中等流域的数值小。因此，小流域使用等值线图时，应适当修正。,3.,年径流量变差系数等值线图,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。,4.,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,（,2-3,）,Cv,。,5.,设计年径流量及其年内分配计算,在确定了年径流的均值、,Cv,，,Cs,后，可由已知的设计频率,查皮尔逊,型,K,值表,，求得设计年径流量。,当设计流域缺乏实测径流资料时，广泛使用水文比拟法来推求设计年径流量的,年内分配,，即直接,移用参证流域,各种代表年的月径流量分配比，乘以设计年径流量即得设计年径流量的年内分配。,【,实例,3】,某水库年径流服从皮尔逊,III,型分布，已求得统计参数 。,要求：（,1,）按表,1,推求该水库设计频率,P=90%,的年径流量？（,2,）按表,2,，求设计年径流量的年内分配过程。,表,1,皮尔逊,III,型分布,K,值表（,Cs=2Cv,）,表,2,径流年内分配典型,P(%),Cv,20,50,75,90,95,99,0.2,1.16,0.99,0.86,0.75,0.70,0.89,0.25,1.20,0.98,0.82,0.70,0.63,0.52,0.30,1.24,0.97,0.78,0.64,0.56,0.44,月份,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,枯水年内分配,1.0,3.3,10.5,13.2,13.7,36.6,7.3,5.9,2.1,3.5,1.7,1.2,解：,（,1,）设计年径流量计算,由,Cv,=0.25,，,P=90%,查,表,1,，得,由,得：,设计年径流总量为：,（,2,）年内分配计算,将设计年径流总量表,2,中年内分配比例，分配到各月，即得设计年径流年内分配过程。,月份,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,设计年径流过程,1.26,4.16,13.2,16.6,17.3,46.1,9.20,7.43,2.65,4.41,2.14,1.51,某水文站有,32,年实测年径流资料，经频率分析计算（理论频率曲线为皮尔逊,型分布），求得频率,的离均系数 ，模比系数 ，已知,10,年一遇设计枯水年年径流深与年径流深均值的差值为 ，试推求,10,年一遇设计枯水年年径流深。,