《工程水文學(xué)》(第4版)第7章設(shè)計年徑流資料

1、工程水文學(xué)工程水文學(xué) (Engineering Hydrology)安徽水電學(xué)院水文與水資源專業(yè)教研室安徽水電學(xué)院水文與水資源專業(yè)教研室二二一五年二月一日一五年二月一日二二一五年二月一日一五年二月一日一、年徑流的變化特征 在一個年度內(nèi)，通過河流出口斷面的水量，叫做該斷面以上流域的年徑流量年徑流量，它可用年平均流量年平均流量Q(mQ(m3 3/s)/s)年徑流總量年徑流總量W(mW(m3 3) )年徑流深年徑流深R(mm)R(mm)年徑流模數(shù)年徑流模數(shù)M(mM(m3 3/s.km/s.km2 2) )表示。圖1 某站年徑流過程線一、年徑流的變化特征一、年徑流的變化特征一、年徑流的變化特征2013

2、年我國的年徑流深分布圖年我國的年徑流深分布圖 二、豐、枯水年的來水和用水豐、枯水年的來水和用水的矛盾決定了所需水庫的庫容V的大小。 當(dāng)年水量相同時，年的徑流年內(nèi)分年的徑流年內(nèi)分配配將影響庫容的大小。 對于不同的年份，因來水與用水有來水與用水有不同的組合不同的組合，則各年所需的庫容也不相同。 考慮到工程規(guī)模大小與其投資的關(guān)系，因此必須分析工程規(guī)模工程規(guī)模、來水來水、用水用水、保證率保證率四者之間的關(guān)系。 設(shè)計保證率即是設(shè)計標(biāo)準設(shè)計保證率即是設(shè)計標(biāo)準，是指工程規(guī)劃設(shè)計的既定目標(biāo)不被破壞的年數(shù)占運用年數(shù)的百分比，它反映了水資源的利用程度。三、四、設(shè)計年徑流過程設(shè)計年徑流過程四、1、所謂審查審查是指鑒

3、定實測年徑流量系列的可靠性、一致性和代表性。 （1）資料可靠性的審查）資料可靠性的審查 審查測驗方法、采集成果、處理方法和處理成果等。 主要包括：水位資料審查、水位流量關(guān)系曲線的審查、水量平衡的審查。 （2）資料的一致性的審查）資料的一致性的審查 所謂資料的一致性是指組成系列的每個資料具有同一成因具有同一成因。不同成因的資料不得作為一個統(tǒng)計系列。 就年徑流系列而言，它的一致性是建立在氣候條件和下墊面條件的穩(wěn)定性氣候條件和下墊面條件的穩(wěn)定性上的。如一致性遭到破壞，可采用水量平衡法水量平衡法、降雨徑流相關(guān)法降雨徑流相關(guān)法進行修正還原。 （3）資料代表性的審查）資料代表性的審查 水文計算成果的精度取

4、決于樣本對總體的代表性，代表性高，抽樣誤差就小。代表性高，抽樣誤差就小。 樣本代表性的高低可以用樣本分布參數(shù)與總體分布參數(shù)的接近程度來評判。日歷年日歷年從每年的1月1日12月31日為止；水文年水文年根據(jù)水文變化規(guī)律對年進行劃分，以每年汛期開始到下一年的枯水期結(jié)束為止；水利年水利年以興利為目的對年進行劃分，從每年水庫蓄水開始到下一年的水庫放空水結(jié)束為止。四、2、 （1）選取的步驟）選取的步驟 1）實測徑流系列經(jīng)過審查和分析后，按水利年水利年排列為一個新的年、月徑流系列； 2）從這個長系列中選出代表段代表段的年月徑流系列。代表段應(yīng)包括有豐水年、豐水年、平水年、枯水年平水年、枯水年，并且有一個或幾個

5、完整的調(diào)節(jié)周期；代表段的年徑流量均值均值、離勢系數(shù)離勢系數(shù)應(yīng)與長系列的相近。 3）用這個代表段的年、月徑流量系列來預(yù)估未來工程運行期間的年、月徑流量變化。這個代表段就是水利計算所要求的所謂“設(shè)計年、月徑流量系列設(shè)計年、月徑流量系列”。 （2）長系列操作法（或稱時歷法、綜合法、長期年法）長系列操作法（或稱時歷法、綜合法、長期年法） 用設(shè)計年、月徑流量系列（來水）和相應(yīng)年月的用水量系列，逐年進行來水、用水平衡計算，求得逐年所需的庫容值，然后用適線法適線法作出庫容曲線庫容曲線，查得相應(yīng)的設(shè)計庫容值設(shè)計庫容值Vp，用以確定工程規(guī)模。 已知：（1）設(shè)計的歷年逐月徑流過程（來水過程）；（2）設(shè)計的歷年逐月

6、的用水過程。求設(shè)計水庫的庫容？ 解題步驟如下：解題步驟如下： （1）通過水量平衡計算，求得逐年所需的庫容值庫容值； （2）將庫容值由小到大排列由小到大排列，計算各項的經(jīng)驗頻率經(jīng)驗頻率，作出庫容曲線庫容曲線； （3）按設(shè)計要求規(guī)定一用水保證率用水保證率P P，查得相應(yīng)的設(shè)計庫容值設(shè)計庫容值VpVp，此即設(shè)計水庫的興利庫容。四、3、 實際代表年法實際代表年法就是從實測年、月徑流量系列中，選出一個或幾個實際年作為設(shè)計代表年，用其年徑流分配過程直接與相應(yīng)的用水過程相配合而進行調(diào)節(jié)計算，求出調(diào)節(jié)庫容，確定工程規(guī)模。 （1）對于灌溉工程灌溉工程常選出一個實際干旱年實際干旱年作為設(shè)計代表年。 （2）對于水電

7、工程水電工程，可以從實際資料中選出能代表豐水年、平水年和枯水年能代表豐水年、平水年和枯水年三種分配特性的實際年三種分配特性的實際年分別作豐水年、平水年和枯水年的設(shè)計代表年。 挑選的原則挑選的原則通常是設(shè)計代表年的各設(shè)計時段徑流量分別接近設(shè)計要求的徑流量。四、4、 設(shè)計代表年年徑流量及年內(nèi)分配的計算步驟為：設(shè)計代表年年徑流量及年內(nèi)分配的計算步驟為： （1）根據(jù)審查分析后的長期實測徑流量資料，按工程要求確定計算時段確定計算時段，對各種時段徑流量進行頻率計算頻率計算，求出指定頻率的各種時段的設(shè)計徑流量設(shè)計徑流量； （2）在實測徑流量資料中，按一定的原則選取代表年選取代表年，對灌溉工程只選枯水年為代表

8、年，對水電工程一般選豐水年、平水年、枯水年三個代表年； （3）求設(shè)計時段徑流量設(shè)計時段徑流量與代表年的時段徑流量代表年的時段徑流量的比值比值，對代表年的徑流過程代表年的徑流過程按此比值進行縮放，即得設(shè)計的年徑流過程線設(shè)計的年徑流過程線。四、 （1 1）設(shè)計時段徑流量的計算）設(shè)計時段徑流量的計算 1 1）計算時段的確定）計算時段的確定 計算時段是按工程要求來考慮的。比如：設(shè)計灌溉工程，一般取灌溉期灌溉期作為計算時段；設(shè)計水電工程，采取枯水期或年枯水期或年作為計算時段。 2 2）頻率計算）頻率計算 當(dāng)計算時段確定后，就可根據(jù)歷年逐月徑流量資料，統(tǒng)計時段徑流量。 若計算時段為年，則按水文年或水利年統(tǒng)

9、計年、月徑流量。 SL278-2002水利水電工程水文計算規(guī)范規(guī)定，徑流量計算依據(jù)的資料系列應(yīng)在30年以上年以上。 有了年徑流量系列或時段徑流量系列，即可推求指定頻率的設(shè)計年徑流量設(shè)計年徑流量或指定頻率的設(shè)計時段徑流量設(shè)計時段徑流量。四、 配線時要考慮全部經(jīng)驗點據(jù)，如點據(jù)與曲線擬合不佳時，應(yīng)側(cè)重考慮中、側(cè)重考慮中、下部點據(jù)，適當(dāng)照顧上部點據(jù)下部點據(jù)，適當(dāng)照顧上部點據(jù)。 年徑流頻率計算中，Cs/CvCs/Cv值值按具體配線情況而定，一般可采用采用2 23 3。 3 3）成果合理性分析）成果合理性分析 成果分析主要是對徑流系列均值、離勢系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)進行合理性審查，可通過影響因素的分析和徑流的地理

10、分布規(guī)律進行。 多年平均年徑流量的檢查。 年徑流離勢系數(shù)的檢查。 年徑流偏態(tài)系數(shù)的檢查。四、 （2 2）設(shè)計代表年徑流量的年內(nèi)分配計算）設(shè)計代表年徑流量的年內(nèi)分配計算 在水文計算中，一般采用縮放代表年徑流過程線采用縮放代表年徑流過程線的方法來確定設(shè)計年徑流量的年內(nèi)分配。 1 1）代表年的選擇）代表年的選擇 從實測的歷年徑流過程線中選擇代表年徑流過程線，可按下列原則進行： 選取年徑流量接近于接近于設(shè)計年徑流量的代表年徑流過程線； 選取對工程較不利的不利的代表年徑流過程線。對灌溉工程選取灌溉需水季節(jié)徑流比較枯的年份，對水電工程則選枯水期較長、徑流又較枯的年份。 2 2）徑流年內(nèi)分配計算）徑流年內(nèi)分

11、配計算 同倍比法同倍比法用設(shè)計年水量與代表年的年水量比值或用設(shè)計的供水期水量與代表年的供水期水量之比值，對整個代表年的月徑流過程進行縮放，即得設(shè)計年內(nèi)分配。 代,供,供供代,年,年年或QQKQQKpp 由于年內(nèi)各月均采用同一倍比，故該方法計算的設(shè)計年徑流過程線可保持所選代表年的徑流年內(nèi)分配比例，可保證計算時段內(nèi)的徑流量符合設(shè)計頻率的要求，但不能保證年內(nèi)各時段均同時滿足同一設(shè)計頻率的要求。 例如，設(shè)計頻率為75%的年徑流量經(jīng)縮放后，年內(nèi)的各月徑流量則不一定會滿足P=75%的要求。 如果年及年內(nèi)各時段均同時滿足同一頻率的要求，則需按同頻率縮同頻率縮放法放法。四、 同頻率法同頻率法的基本思想是使所求

12、的設(shè)計年內(nèi)分配的各個時段徑流量的頻率都能符合設(shè)計頻率，可采用各時段不同倍比縮放代表年的逐月徑流采用各時段不同倍比縮放代表年的逐月徑流，以獲得同頻率的設(shè)計年內(nèi)分配。具體計算步驟如下: 根據(jù)要求選定幾個時段，如最小最小1 1個月個月、最小最小3 3個月個月、最小最小6 6個月個月、全年全年4 4個個時段時段。 做各個時段的水量頻率曲線水量頻率曲線，并求得設(shè)計頻率的各個時段徑流量時段徑流量，如最小1個月的設(shè)計流量Q1,p,最小3個月的設(shè)計流量Q3,p,。 按選代表年的原則選取代表年，在代表年的逐月徑流過程上，統(tǒng)計最小統(tǒng)計最小1 1個月的流量個月的流量Q Q1,1,代代，連續(xù)最小連續(xù)最小3 3個月的流

13、量個月的流量Q Q3,3,代代，并要求長時段的水量包含短時段的水量在內(nèi)，即Q3,代應(yīng)包含Q1,代， Q7,代應(yīng)包含Q3,代，如不能包含，則應(yīng)另選代表年?！緫?yīng)用算四、6、 （1）設(shè)計年內(nèi)分配）設(shè)計年內(nèi)分配 同頻率法的計算時段不宜取得過多，一般選取取23個時段個時段。 （2）代表年選擇）代表年選擇 代表年分設(shè)計代表年設(shè)計代表年和實際代表年實際代表年。 前者多用于水電工程，后者多用于灌溉工程。五、 對具有短期實測徑流資料的情況，必須設(shè)法展延年、月徑流資料展延年、月徑流資料，以降低抽樣誤差，保證成果的可靠性。在展延徑流資料時，合理選擇合理選擇作為展延依據(jù)的參證參證站站，必須注意以下幾點： （1）參證站

14、的徑流要與設(shè)計依據(jù)站的徑流在成因上有密切聯(lián)系在成因上有密切聯(lián)系，這樣才能保證相關(guān)關(guān)系有足夠的精度； （2）參證站的徑流資料與設(shè)計依據(jù)站的徑流資料應(yīng)有一段相當(dāng)長的平行觀有一段相當(dāng)長的平行觀測期測期，以便建立可靠的相關(guān)關(guān)系； （3）參證站必須具有足夠長的實測資料有足夠長的實測資料，除用以建立相關(guān)關(guān)系的同期資料外，還要有用來展延設(shè)計依據(jù)站缺測年份的資料。五、1、（1）以鄰近站年徑流量展延年徑流量）以鄰近站年徑流量展延年徑流量 當(dāng)設(shè)計依據(jù)站實測年徑流資料不足時，往往利用上下游站上下游站、干支流站干支流站或鄰近流域鄰近流域測站測站的長系列實測年徑流量資料來建立相關(guān)關(guān)系，展延系列。（2）以鄰近站月徑流量展

15、延年、月徑流量）以鄰近站月徑流量展延年、月徑流量 當(dāng)不能建立年徑流相關(guān)關(guān)系時，可以考慮建立月徑流關(guān)系，但其相關(guān)關(guān)系不同前者好，故使用時要對插補成果多作合理性分析。五、2、（1）以年降雨徑流相關(guān)展延年降雨量 以年為時段的閉合流域水量平衡方程： 對于濕潤地區(qū)，降雨與徑流之間相關(guān)關(guān)系較好；對于干旱地區(qū)，降雨與徑流之間關(guān)系微弱，很難定出相關(guān)線，插補的資料精度較低。年年年年-WEPR（2）以月降雨徑流相關(guān)法展延年、月徑流量系列 月降雨徑流關(guān)系很差，定線困難，精度不高?！纠媒涤曩Y料展延徑流資料】典型案例【利用降雨資料展延徑流資料】典型案例 已知某流域年降雨量與年徑流深的相關(guān)系數(shù)r0.95，根據(jù)它們的同期

16、系列采用矩法計算得年降雨量均值x1078.8mm，變差系數(shù)Cvx0.5；年徑流深均值y528.1mm，變差系數(shù)Cvy0.6。請根據(jù)下表所列雨量資料插補該流域19861991年徑流深。（6分） 年 份198619871988198919901991年雨量(mm)895.41204.81190.0765.31022.11311.3年徑流深插補展延表（年徑流深插補展延表（2 2分）分） 年 份198619871988198919901991年雨量(mm)895.41204.81190.0765.31022.11311.3年徑流插補值(mm)425.7598.3590.1353.1496.4657.8

17、解：解： 93.73558.0)8.1078(588.01.528)(558.08.10785.01.5286.095.0/xyxyxxRyyxCyCrrRxyvxvyxyxy五、3、 （1）平行觀測項數(shù)的多寡問題）平行觀測項數(shù)的多寡問題 平行觀測項數(shù)愈多，其相關(guān)關(guān)系愈可靠。用相關(guān)法展延系列資料時，要求設(shè)計變量與參證變量平行觀測項數(shù)不得過少，一般應(yīng)在1215項以上。 （2）輾轉(zhuǎn)相關(guān)問題）輾轉(zhuǎn)相關(guān)問題 用輾轉(zhuǎn)相關(guān)，對展延的成果應(yīng)作合理性的分析，并慎重使用。 （3）假相關(guān)問題）假相關(guān)問題 為避免假相關(guān)，應(yīng)直接在原始變量之間尋求關(guān)系。 （4）外延幅度問題）外延幅度問題 在實際應(yīng)用相關(guān)線時，外延一般不

18、宜超出實測資料范圍以外太遠。對于年徑流量不宜展延超過實測變幅的50%。相關(guān)線反映的是平均情況下的定量關(guān)系，插補的項數(shù)以不超過實測值的項數(shù)為宜，最好不超過后者的一半。六、1、 水文比擬法水文比擬法就是將參證流域的徑流資料特征參數(shù)、分析成果按要求有選擇地移置到設(shè)計流域上來的一種方法。 該法的關(guān)鍵是選擇恰當(dāng)?shù)膮⒆C流域選擇恰當(dāng)?shù)膮⒆C流域。參證流域應(yīng)具有較長的實測徑流資料，主要影響因素與設(shè)計流域相近。然后將參證流域的年、月徑流資料、徑流特征參數(shù)和徑流分析成果移置到設(shè)計流域上來。 （1）直接移置）直接移置 若設(shè)計和參證兩流域的各種影響徑流的因素非常相似，則可將參證流域的徑流特征值、參數(shù)和分析成果，按設(shè)計要

19、求有選擇地直接移用到設(shè)計流域。 （2）修正移置）修正移置 對于不能直接移置的，必須進行修正移置。一是要查明兩流域上哪些因素的差別是顯著的；二是如何依據(jù)因素的差別作定量修正。參證設(shè)計參證設(shè)計PPRR參證設(shè)計RR【水文比擬法應(yīng)用】典型案例【水文比擬法應(yīng)用】典型案例 已知A流域面積58km2，多年平均雨量1120mm；B流域面積65km2，多年平均雨量1300mm。兩流域特性相似。采用水文比擬法水文比擬法將B流域設(shè)計年、月徑流量（見下表）移置到A流域。（9分） B流域設(shè)計年、月徑流量（m3/s月）月份456789101112123年徑流122232271814109754814解：解： BBBBBA

20、AAQQQFPFPQQPPQ769.0651300581120參參設(shè)設(shè)移置B流域徑流量，如下表： 月份456789101112123年QB122232271814109754814QA9.216.924.620.813.810.87.76.95.43.83.16.210.8六、2、 水文特征值水文特征值主要指年徑流量、時段徑流量（包括極值流量如洪峰流量或最小流量）、年降雨量（時段降雨量、最大1日、3日降雨量）等。 水文特征值的統(tǒng)計參數(shù)水文特征值的統(tǒng)計參數(shù)主要是均值和Cv。 參數(shù)等值線圖的作用參數(shù)等值線圖的作用： 參數(shù)等值線圖是對某一水文特征值的頻率計算成果進行合理性分析的重要工具；對中小型水電

21、工程壩址處無實測水文資料時，可直接利用參數(shù)等值線圖進行地理插值，求得設(shè)計流域的統(tǒng)計參數(shù)，進而求得指定頻率下的設(shè)計值。 （1）繪制水文特征值等值線圖的依據(jù)和條件）繪制水文特征值等值線圖的依據(jù)和條件 氣候因素：降水、蒸發(fā)、氣溫等，在地區(qū)上有漸變規(guī)律，是地理坐標(biāo)的函數(shù)，一般稱氣候因素為分區(qū)性因素。 下墊面因素：主要是指土壤、植被、流域面積、河道坡度、河床下切深度等，在地區(qū)上的變化是不連續(xù)的、突變的，稱之為非分區(qū)性因素。六、2、（2）年徑流統(tǒng)計特征參數(shù)均值和變差系數(shù)的等值線圖 多年平均徑流深的求解步驟：多年平均徑流深的求解步驟： 1）將設(shè)計流域地面分水線勾繪于等值線圖中； 2）若穿過流域的各條等值線近

22、似相互平行，則流域重心出的徑流深即為該流域的多年平均徑流深； 3）反之，則用面積加權(quán)法計算流域的多年平均徑流深。 繪制年徑流變差系數(shù)Cv等值線圖的方法同多年平均徑流深，按比例插出流域重心的Cv 值即可。 擬在某河流斷面A處建壩，流域面積F=176 平方千米，已知該地區(qū)多年平均徑流深R等值線圖和年徑流量的離差系數(shù)Cv等值線圖，試用參數(shù)等值線圖法推求壩斷面A處P=90%的設(shè)計年平均流量。（2）將流域多年平均徑流深）將流域多年平均徑流深R轉(zhuǎn)換成多年平均流量轉(zhuǎn)換成多年平均流量（3）求壩址斷面處設(shè)計年的平均流量）求壩址斷面處設(shè)計年的平均流量Q90% 由已知的P=90%，Cv=0.39和Cs=2Cv，查P-曲線值表，得k90%=0.54。（1）線性插值法求流域多年徑流深）線性插值法求流域多年徑流深R和相應(yīng)的和相應(yīng)的Cv值值 分別在多年平均徑流深R和年徑流量的離差系數(shù)Cv等值線圖上繪出A斷面以上流域范圍，用線性插值法求該流域中心處的流域多年徑流深R和相應(yīng)的Cv值。解：六、3、 （1）由等值線圖等值線圖查得無資料流域的年徑流統(tǒng)計參數(shù)均值、Cv，并采用Cs=2Cv