專家：無資料地區(qū)變差系數(shù)的選擇.doc

無資料地區(qū)設(shè)計(jì)年徑流變差系數(shù)CV取值分析李成良(云南省水文水資源局保山分局)摘要：年徑流變差系數(shù)CV是反映設(shè)計(jì)年徑流變化的參數(shù)之一，若需要對(duì)無資料地區(qū)進(jìn)行CV取值時(shí)，一般原則是：參考有實(shí)測(cè)水文資料計(jì)算的CV值，根據(jù)CV隨著徑流面積的增加而減小，即在同一個(gè)流域水系，上游CV大于下游CV的原則來估選，本文認(rèn)為CV還與流域氣候、下墊面等因素有關(guān)，不應(yīng)該只與面積存在單一的關(guān)系。關(guān)鍵詞：年徑流CV ，怒江1概述CV，在水利水電工程的水文分析計(jì)算中常常用到，如降水、徑流、暴雨、洪水的計(jì)算。目前，在無資料地區(qū)CV的選用并沒有嚴(yán)格的規(guī)定和取值范圍，但CV對(duì)不同頻率的設(shè)計(jì)成果影響很大。CV是描述變量xi特征值的三個(gè)參數(shù)（均值、CV離差系數(shù)、CS偏差系數(shù)）之一，變量xi的若干觀測(cè)值x1、x2.xn對(duì)的離散程度，通常用均方差的概念，設(shè)為均方差： 。愈大，表示x的幾個(gè)觀測(cè)值xi 對(duì)的偏差愈遠(yuǎn)，反之則偏差較小。為了方便比較，水文學(xué)中常用與之比來反映系列的相對(duì)離散程度，即為變差系數(shù)CV：。各種設(shè)計(jì)頻率下的成果值xp的計(jì)算公式為：。如果CS和CV成特定的倍比時(shí)，可以直接采用KP表示：即 。式中XP代表不同頻率的相應(yīng)設(shè)計(jì)成果值，為適線均值，為離均系數(shù)，KP為倍比系數(shù)，在實(shí)際工作中，有制好的圖表可以方便地查到。本文是討論年徑流CV，故xi表示逐年徑流量，為歷年平均值。實(shí)際工作中，如果需要，還可以對(duì)CV的標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)總體為皮爾遜型分布（CS=2CV）時(shí)，CV的標(biāo)準(zhǔn)誤差為：。由此可見，CV值大小與歷年徑流觀測(cè)值大小和觀測(cè)年限n有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)誤差與樣本次數(shù)n的平方根成反比，n愈少，則誤差愈大，而歷年觀測(cè)值大小又與哪些因素有關(guān)，是值得探討的。另外，式中應(yīng)該具有多長(zhǎng)系列的才行，誤差大小只與n和CV有關(guān)，可以說，n和CV對(duì)設(shè)計(jì)年徑流CV起直接作用，因此，應(yīng)該有一個(gè)明確的CV取值原則并找到有限資料中的區(qū)域規(guī)律，而且需要多少n值才能滿足要求，也要有評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。2 對(duì)無資料地區(qū)年徑流CV的取值原則對(duì)于具有較多水文資料的工程地點(diǎn)，需要對(duì)空白區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算時(shí)，CV的取值可采用就近原則或相似原則。例，某一流域有多個(gè)水文站，在某一河段修建水利工程，CV可選用鄰近水文站實(shí)測(cè)系列計(jì)算的CV值或作適當(dāng)修正。但是，大多數(shù)水利工程，特別是小流域工程，都建設(shè)在無任何水文氣象資料的中小河流上，在工程水文計(jì)算中，常常采用水文比擬法或水文等值線法來估算無資料地區(qū)的設(shè)計(jì)值。CV的一般取值原則是：同一條河流的CV值，上游大于下游，或徑流面積小的CV值大于徑流面積大的CV值。主要理由是面積小的流域支流少，河流短，豐枯年可以補(bǔ)償?shù)膹搅魃?；同時(shí)，地下水的補(bǔ)償面積小而補(bǔ)給量少；因而，面積大的年徑流就會(huì)由于有較多地下水補(bǔ)給和以豐補(bǔ)枯的補(bǔ)償能力強(qiáng)而年徑流相對(duì)穩(wěn)定，CV就小。以徑流面積來決定CV值大小，上述理由具有一定說服力，但事實(shí)并不都如此，筆者認(rèn)為CV值大小還與氣候、下墊面等因素有緊密聯(lián)系。3流域特征、氣候因素、下墊面條件是決定CV值的基本要素3.1 年徑流CV不應(yīng)該只根據(jù)徑流面積來決定其大小，還與氣候因素、下墊面條件有密切關(guān)系。以高黎貢山東側(cè)隆陽區(qū)芒寬鄉(xiāng)至潞江鎮(zhèn)段為例，在約60km長(zhǎng)的怒江右岸，分布有榜樣河、芒龍河、芒寬河、黑山河、敢頂河.，共10多條河長(zhǎng)只有10多公里、徑流面積只有幾十個(gè)平方公里的怒江一級(jí)支流，這些河流河源即高黎貢山山脊，海拔都在3000m以上，從2000m向上至山脊，即為國(guó)家級(jí)高黎貢山A級(jí)自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)有不少原始森林，森林覆蓋率達(dá)85%以上，無人居住，無耕地分布，少有人類活動(dòng)，2000m左右為保護(hù)區(qū)下界，界樁下游附近多數(shù)河流分布有一級(jí)（或二級(jí)）水電站工程的取水口，計(jì)算這些河流的水能、水量、發(fā)電量都需要計(jì)算年徑流及其年內(nèi)分配，但這些小河流都沒有水文氣象資料，在流域規(guī)劃、水電站設(shè)計(jì)、水資源論證中一般都采用水文比擬法或等值線法來估算河流水文特征值，都有一個(gè)CV取值問題。（1）流域特性：徑流面積、水系分布、河床坡降、流域坡降、坡向和高程等都是流域的特征內(nèi)容。上面已提到面積對(duì)CV的影響，水系分布密度、流域坡降、坡向和平均高程等流域特征同樣影響到流域調(diào)蓄補(bǔ)償能力，集流速度，流域降水大小和年內(nèi)分配，同樣構(gòu)成年徑流CV的影響因素，因此，僅以面積來決定CV大小是片面的。在實(shí)際應(yīng)用中，需要選取CV時(shí)，往往因人而異，因?yàn)闆]有指標(biāo)、取值標(biāo)準(zhǔn)和范圍。（2）氣候因素：包括 氣溫、風(fēng)速、蒸發(fā)和降水等。影響年徑流CV的主要因素是氣候，又以降水、蒸發(fā)為主，降水是關(guān)鍵。以高黎貢山東坡論證范圍而言，降水有如下特點(diǎn)：a、降水隨海拔升高而增加。河流的地形，決定了降水自上游向下游遞減；b、河段上游海拔高，森林植被保護(hù)得好，覆蓋度高，土層較厚，降水比非林區(qū)多且云霧濃厚，濕度大，林區(qū)腐殖層厚，地表糙度大，利于坡面流的下滲，地表徑流轉(zhuǎn)化為地下水而儲(chǔ)存于地層機(jī)會(huì)就多，而且更新補(bǔ)充機(jī)會(huì)多于中下游；c、雨季5-10月降水集中，降水愈多，有效徑流愈多，以怒江流域勐波羅河水系、伊洛瓦底江流域瑞麗江和大盈江水系實(shí)測(cè)資料為例：高黎貢山以西的騰沖縣、龍陵縣屬印度洋孟加拉灣西南風(fēng)迎風(fēng)坡面多雨區(qū)，年降水1400mm以上，綿延數(shù)百公里的高黎貢山頂部多達(dá)3000mm以上，此區(qū)域年徑流系數(shù)0.50.7，而背風(fēng)面的保山、施甸、昌寧以至大理州則屬相對(duì)少雨區(qū)，年降水僅7001000mm，年徑流系數(shù)僅0.30.4；d、海拔愈高，氣壓、氣溫就低，濕度就大，水面蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)均小，與中下游比，徑流損失就小，徑流深就大。因此，從氣候因素看，CV值應(yīng)該是上游小于或相當(dāng)于下游，而不是大于下游。 （3）下墊面條件：包括地形、地質(zhì)、土壤和覆蓋物等因素。高黎貢山東坡山脊線海拔3000m以上，而怒江沿江僅700m左右，相對(duì)高差2000多米。2400m以上為高山地貌類型，山嶺連綿，年均溫度12，極端最低氣溫-6-8，氣候寒冷，土壤風(fēng)化較弱，土層雖然不如下游厚，但腐殖層很厚，土壤肥沃，森林植被覆蓋度高達(dá)85%以上，尚有一定面積的原生植被。海拔14002400m之間的土壤組成主要是花崗巖、砂頁巖、片巖等巖類風(fēng)化發(fā)育形成的紅壤、黃壤等類型，原生植被破壞較嚴(yán)重，覆蓋度比上游差，土壤耕作層淺，滲水保水能力弱。海拔7001400m，年降水驟降至1700800mm，自然土壤為赤紅壤、燥紅土和部分沖積土，特點(diǎn)是海拔低、氣溫高、降水少，人口集中，地形為平壩或緩坡，是重要的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)。區(qū)內(nèi)水保工程較多，人類活動(dòng)劇烈。怒江在此流過，由于水低田高，難以利用，干旱缺水嚴(yán)重。上游海拔高、河床坡降和流域坡降都大，河床流速和坡面流速比下游大，但由于植被好，覆蓋層厚，地表徑流利于下滲形成潛水或承壓水，上游流下的河水，一年四季清澈見底，基流大，而下游降水僅為河源的25%左右，蒸發(fā)大，徑流系數(shù)小，可以認(rèn)為，這樣的河流，年徑流CV上游不會(huì)大于下游，甚至相反。據(jù)此分析，年徑流CV與上述三個(gè)因素都有關(guān)系，徑流面積不應(yīng)該只是決定CV的唯一條件，像本例情況，上游CV不會(huì)比中下游大，相反會(huì)小，雖然暫時(shí)找不到類似小流域的實(shí)測(cè)資料分析成果，但以本例周邊流域各水文站CV成果可以看出，CV并不與徑流面積呈正比關(guān)系。3.2 怒江流域和鄰近流域?qū)崪y(cè)資料分析CV情況水資源狀況在面積小，河流短，落差大的小流域里，變化如此之大，年徑流深從上游2000mm到河谷地區(qū)200多mm，10倍之差，年徑流CV應(yīng)該上大下小，還是相反，上大下??？沒有這方面的典型分析成果，但在分析區(qū)域周邊就有近50年系列長(zhǎng)度的若干站CV成果，并不完全服從CV隨面積增加而減小的結(jié)論，而表現(xiàn)為下游CV與中游基本一致或下游CV大于中游。如大盈江騰沖站與粱河站年徑流CV分別為0.16、0.18，其CV下游大于中游；瑞麗江騰龍橋站與戛中站年徑流CV分別為0.16、0.16、芒市大河木康站與等戛站年徑流CV分別為0.16、0.16，其CV下游與中游基本一致。高黎貢山潞江段周邊部分水文站徑流特征統(tǒng)計(jì)表流域水系河名站名徑流面積(km2)降水徑流備注多年平均(mm)CV多年平均(m3/s)CV怒江(高黎貢山東側(cè))勐波羅河?xùn)|河北廟1191072.80.152.050.32怒江一級(jí)支流枯柯河柯街1755936.90.1520.80.28怒江一級(jí)支流勐波羅河舊城6306909.40.1479.60.21怒江一級(jí)支流永康河永康534983.70.148.310.22怒江二級(jí)支流怒江老窩河老窩河572992.30.1214.20.2怒江一級(jí)支流怒江道街壩1102247820.1517070.13伊洛瓦底江(高黎貢山西側(cè))大盈江疊水河騰沖2541512.80.138.730.16伊江一級(jí)支流大盈江梁河15251498.20.1445.70.18伊江一級(jí)支流大盈江下拉線40121399.40.151730.22伊江一級(jí)支流大盈江拉賀練42251508.50.151910.18伊江一級(jí)支流檳榔江盞西154816160.1491.30.18伊江二級(jí)支流瑞麗江明光河?xùn)|營(yíng)4161911.30.11250.16伊江二級(jí)支流龍川江騰龍橋34871706.10.131510.15伊江二級(jí)支流瑞麗江戛中77621431.50.152590.15伊江二級(jí)支流芒市大河木康2182048.90.1311.20.16伊江二級(jí)支流芒市大河等戛10211451.10.1339.60.16伊江二級(jí)支流4結(jié)語年徑流或年降水CV，應(yīng)該是在長(zhǎng)系列資料情況下的計(jì)算值才具有代表性，然而，目前高黎貢山周邊10多個(gè)站點(diǎn)的資料多在50年上下，在對(duì)這些資料進(jìn)行可靠性、一致性和代表性分析論證后，認(rèn)為這些站點(diǎn)的徑流和降水CV較小，且具備了可靠性、一致性和較好的代表性，在這個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，提出以下三點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）實(shí)測(cè)資料表明（上表），年徑流CV具有明顯的分區(qū)性，而沒有確定性的上游CV大于中下游CV的特征，在大盈江和瑞麗江表現(xiàn)為上中下游基本一致，或上游CV稍小，而勐波羅河北廟為水庫站（已做水量還原，還原結(jié)果精度稍差），柯街站因上游用水超過天然徑流10%（已做水量還原）且上游水保工程較多，其CV較大；道街壩站因有西藏和高黎貢山積雪溶冰補(bǔ)給而CV很小，僅0.13。（2）年徑流CV分區(qū)特性表現(xiàn)在，以高黎貢山為界，東側(cè)為少雨區(qū)，年降水小于1100mm，西側(cè)為多雨區(qū)（1400mm以上），年降水CV西側(cè)小于東側(cè)，而年徑流CV西側(cè)明顯小于東側(cè)（0.100.150.200.28），有溶冰雪的道街壩站年徑流CV明顯小于所有其他站，僅0.13，說明冰雪對(duì)年徑流的調(diào)節(jié)作用大。（3）需要對(duì)工程地點(diǎn)進(jìn)行年徑流CV取值時(shí)，需要考慮三個(gè)因素，即流域特征、氣候因素和下墊面條件。對(duì)于多雨區(qū)閉合流域，上游降水多的河流，不宜采用上大下小的原則，可考慮上下游基本一致；而降水較少，