工程水文学理论第五章设计年径流

1、工程水文学理论第五章设计年径流第一节 概述 在一个年度里，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。可以用年径流总量W（m3）年平均流量Q（m3/s）、年径流深 R（mm）或年径流模数来表示。年径流量的多年平均值称为多年平均年径流量。我国水文年鉴中刊印的年径流量年降雨量等水文要素，是按日历年度统计的，而在水文水利计算中，年径流量通常是按水文年度或水利年度统计的。水文年度以水文现象的循环规律来划分，即冲每一年汛期开始到下一年汛期开始前止；北方河流考虑到融雪情况，以春汛作为水文年度的起点。 水利年度是以水库蓄泄周期来划分。水文年和水利年的起止日期各地不一，各地均有具体规定。一、通过对年

2、径流观测资料的分析，可以看出年径流特性1. 年径流具有大致以年为周期的汛期和枯季交替变化的规律 丰水期和枯水期、汛期和非汛期2. 年径流在年际变化大，有些河流丰水年径流量可达平水年的23倍，而枯水年径流量只有平水年的1/51/10.3. 径流的周期性 在多年变化中有连续丰水年和连续枯水年交替出现的现象二、影响年径流量的因素 为了深刻认识年径流及其变化规律，需要从物理成因方面去分析和研究影响年径流的影响因素，尤其是在径流资料短缺时，显得更为重要。但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插补、展延年径流系列，但缺乏径流资料时，常用水文比拟法或等值线图来推求估算年径流

3、量，上述情况都要分析影响年径流的因素。同时通过进行年径流量影响因素的研究，也可对计算成果进行分析论证。（一）气候因素对年径流量的影响 湿润地区 P E R 干旱地区P E R 以冰雪补给的河流，其年径流量与前一年的降雪量和当年的气温都有影响。（二）下垫面因素对年径流的影响 一方面通过流域蓄水能力的改变影响年径流，另一方面通过对气候因素的影响间接对年径流发生作用。 （1） 地形 （降雨、气温） 径流 （2）植被 一般会是年径流量减少，是径流年内分配较育草育林前均匀。（3）土壤和地质 土壤及透水岩层具有地下水库的调蓄作用，从而影响径流的年内分配。（4）湖泊和沼泽 增加了流域的水面面积，经常有足够的

4、水分蒸发，增加了增发量，从而使年径流量减少 （5） 流域大小 一般随着流域面积的增大，径流量的变化相应减小（三）人类活动对年径流及年内分配的影响 直接影响：跨流域调水 间接影响： 通过增加流域储水量和流域蒸发量来减少流域的年径流量。如，修水库、塘坝、旱地改水田、坡地改梯田、植树造林等，都将士流域蒸发量增大，而减少年径流量。这些人类活动在改变年径流的同时也改变了径流的年内分配。三 工程规模与来水、用水、保证率的关系 年径流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。各项水利工程的规模如何确定呢？以灌溉水库的库容V为例说

5、明。 （a）与（b）的年平均流量Q及需水量过程QR均相等而径流年内分配过程不同，所需库容也有差别（VV）。如果有20年的年径流资料和用水资料，就可以求出20个大小不同的库容（V1、V2、V3、.、Vn），用多大的库容来设计水库呢？库容大，保证率高，投资大；库容小， 投资少 ，但保证率低。设计保证率（p）：水资源利用工程的设计标准，反映了水资源的利用程度，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。例如，灌溉设计保证率表示设计灌溉用水量全部满足的年数占工程运用总年数的百分比。 破坏率（q）：分析枯水期和最小流量时用 p = 1-q三、年径流分析计算的目的和内容（一）目的： 分析研究

6、年径流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。 （二）年径流分析计算的任务：1. 具有长期实测径流资料：用数理统计进行频率分析，求出丰平枯三种代表年的设计值及其年内分配2. 设计断面具有短期径流资料：可选有长系列径流资料的参照站插补展延，并分析其设计值和年内分配。3. 设计断面无资料：用水文比拟法或等值线法第二节 有较长资料时设计年径流频率分析计算实测年径流系列不小于20年。一、资料“三性”审查可靠性 测验和整编的正确性一致性 资料是否来自同一气候、下垫面条件和同一测站。人类活动的影响最显著。代表性 样本接近总体的程度，即样本系列的大小，一般系列越长，代表性越好。分析资料的代

7、表性：1. 进行年径流的周期性分析 分析资料的丰水段（年组）、平水段、枯水段的分布。2. 与更长系列参证变量进行比二、年径流的频率分析1. 选择 日历年、水利年度2. 线型与参数估计 一般是P型，但经过论证也可采用其他线型 x、Cv用矩法估计，Cs =23Cv 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）参数的定量应注意地区综合分析成果 （2）历史枯水年径流的考证和引用第三节 短缺资料时设计年径流频率分析计算1. 设计代表站只有短系列径流实测资料（n20） 设法展延径流系列的长度。2. 设计断面附近完全没有径流实测资料 利用年径流统计参数的地理分布规律，间接地进行年径流估算

8、。一、有较短年径流系列时设计年径流频率分析方法关键：展延年径流系列。方法：建立设计断面年径流与参证变量（有较长观测系列）的相关关系，来适当展延设计断面年径流系列至规范要求长度。常用的参证变量：设计断面的水位、上下游测站或邻近河流测站的径流量、流域的降雨量等。参证变量应具备的条件：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；（一）利用本站的水位资料延长年径流系列 水位流量关系（二）利用上下游站或邻近站实测径流资料，延长设计断面的径流资料（三）利用年降雨资料延长设计断面的年径流系列 利用降雨（具有

9、较长的观测系列）与径流的良好关系。一般应用流域面平均雨量。（四）注意事项1. 尽量避免远距离测验资料的辗转相关 C参C2 C1 C设2. 系列外延的幅度不宜过大，一般控制在不超过实测系列的50%。二、缺乏实测径流资料时设计年径流的估算方法：间接方法估算设计径流量前提：设计流域所在区域内，有水文特征值（例如年径流深均值、Cv、Cs等）的综合分析成果（等值线图），或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用。（一）参数等值线图法 1. 年径流均值的估算 利用年径流深等值线图。2. 年径流Cv值的估算 查Cv值等值线，按比例内插流域重心的Cv值。3.年径流Cs值的估算 Cs=23Cv 年径流均值

10、+ Cv + Cs + P型曲线表，绘制年径流频率曲线，确定设计频率的年径流值。（二）经验公式法 建立年径流与其影响因素之间的关系。例如，多年径流均值的经验公式（三）水文比拟法 用于无资料流域移置（经过修正）水文相似区内相似流域的实测水文特征要点：将参证站的径流特征值，经过适当修正后移用于设计断面。进行修正的参变量：流域面积和多年平均降雨量三、流量历时曲线的绘制 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第四节 设计年径流的时程分配 河川径流的时程分配，一般是按其各月的径流分配比来表示。一、代表年法 按比例缩放代表年径流过程（一）代表年的选择 （1）流量相近原则：

11、选择与设计年径流量大小相近的年。 （2）对工程不利的原则：比如供水期径流较小的年份。 （3）根据丰平枯（如p=20%、50%、80%或p=25%、50%、75%）不同年份，以及不同的任务选择代表年。（二）年径流时程分配计算 K=Wp/W实 K=Qp/Q实 用系数K遍乘代表年各月的实测径流过程，即得设计年径流的按月时程分配。二、虚拟年法三、全系列法四、水文比拟法设计年径流： Q90%=106m3/s， Q50%=152m3/s， Q10%=210m3/s代表年： 19611962、19671968、19721973 （枯水年90%）（丰水年10%）（平水年50%）缩放系数K： 90%的枯水年：

12、50%的平水年： 10%的丰水年：第五节 年际连续枯水段径流分析服务对象：大型蓄水工程，特别是具有多年调节性能的大型水库工程。年际连续枯水段：设计断面连续多年发生年径流偏枯的现象。（1）某一连续枯水段的重现期？（2）频率曲线？一、连续枯水段的定义与选样1.连续枯水段的定义 以年径流系列的均值进行界定，凡低于年径流均值的年份，均作为枯水年份。 连续发生几个枯水年份，称枯水段。2.连续枯水段选择将全部年径流系列N年中长度为n（n=2、3、4年、.，根据工程设计需要而定）的连续枯水段一一选出，组成一个新系列。 径流变量：二、连续枯水段的重现期考证 当选出的连续枯水段系列的最小项在量级上比较突出，为连

13、续特枯段时，就需对其出现的重现期进行考证。方法： 1.历史资料考证法 2.树木年轮法 3.随机模拟法第七节 设计枯水流量分析计算枯水流量亦称最小流量。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。枯水流量的选样是取一年中的最小值，在时序上是变动的。一、有实测水文资料时的枯水流量计算 按年最小选样原则，选取一年中最小的时段径流量，组成样本系列。 枯水流量常采用不足概率q，即以小于和等于该径流的概率来表示，它和年最大选样的概率p有q=1-p的关系。因此在系列排队时按由小到大排列。 当枯水径流系列（n项）中有k项为非零时（n-k项为零），首先对k 项非零系列求频率曲线，再转换为全系列的频率曲线。转换关