第七章設(shè)計年徑流分析及徑流隨機模擬

第七章設(shè)計年徑流分析及隨機模擬

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analysis&

stochasticmodeling

7.1概述一、年徑流的變化特性

1.定義：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。年度：在水文計算中多指水文年，而不是日歷年。所謂水文年是從每年雨季或融雪河水上漲的汛期開始，到次年枯水期終了為止。但水文年鑒中是按日歷年統(tǒng)計的。T：一年的總時間（單位：s）W：一年內(nèi)的總徑流量（單位：m3）

2、水量表示法

(1）平均流量

QtWT

（2）年徑流深：某斷面一年內(nèi)的徑流總量平鋪到斷面以上集水面積上所達到的深度(mm)。

R=W/(1000.A)A：斷面以上集水面積(單位：km2)

3、年徑流變化的特性（1）年際之間變化劇烈年徑流量年際之間的變化以隨機性為主，年與年之間差別較大。一般：（2）具有以年為周期的汛期和枯季交替變化規(guī)律

國內(nèi)主要河流，一般都由水量豐的汛期和水量少的枯水期這兩種水量組成，與一年之中的氣候相對應(yīng)，但各年汛期的起止時間、歷時、水量大小又都具有隨機性，并不是各年都一致。

長江宜昌站2001-2002年月平均流量過程

（3）連續(xù)的豐、枯水年組交替出現(xiàn)

在多年變化中有豐水年組和枯水年組交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，即又表現(xiàn)出長持續(xù)性變化的特點。長江宜昌站年平均流量過程

3.影響年徑流的因素

分析影響年徑流的因素，可以從流域水量平衡方程著手，以年為時段的水量平衡方程為：R=P-E+Q+W受氣象因素影響受下墊面因素影響

R：年徑流深；

P：年降水量；

E：年蒸發(fā)量；Q：時段始末流域蓄水量變化量；W：時段內(nèi)與外流域的交換水量。PERW入W出

氣候因素的影響：年降水量、年蒸發(fā)量等

下墊面因素的影響：地形、地貌、土壤、植被、湖泊、流域大小及形態(tài)等人類活動的影響：跨流域調(diào)水、修建水庫、土地利用、生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水等。二、工程規(guī)模與來水用水及保證率關(guān)系

水利工程的規(guī)模是由來水與用水矛盾的大小和希望解決矛盾的程度（即設(shè)計保證率）決定的。三、水文設(shè)計主要任務(wù)

本章的主要任務(wù)是分析研究年徑流的年際變化和年內(nèi)分配規(guī)律，為工程設(shè)計提供“來水”依據(jù)。

主要步驟包括：

（1）選定保證率；（2）進行時段徑流量的頻率計算；（3）選擇典型，進行徑流量的年內(nèi)分配。按不同工程要求，又分為月分配、旬分配等。7.2具有長期實測資料時設(shè)計年徑流計算一、水文資料審查（“三性審查”）

1.資料可靠性審查

主要審查由于人為或天然原因造成的資料錯誤或時空不合理現(xiàn)象。審查的具體內(nèi)容一般包括：

（1）水位資料的審查了解水位基準面的情況，水尺零點高程有無變化，檢查施測斷面有無變動。測站基面（凍結(jié)基面）絕對基面不同的高程系統(tǒng)：黃海、廢黃河、吳淞、珠江基面…1956年后，56黃?；?；1985年后，85黃?；妫ㄓ址Q85國家高程基準）。水準基面

(2)水位流量關(guān)系的審查水位流量關(guān)系的延長方法；歷年水位流量關(guān)系的變化。

(3)水量平衡審查根據(jù)水量平衡原理，上游、區(qū)間和下游的水量應(yīng)平衡。原因：經(jīng)核查發(fā)現(xiàn)，江界河浮標系數(shù)Kf采用的是0.85，而應(yīng)采用0.9-1.0。例：貴州烏江渡水量平衡計算發(fā)現(xiàn)：區(qū)間W區(qū)烏江渡江界河

2.一致性審查一致性審查的目的：為了使計算樣本服從同一總體。為什么要進行資料的一致性審查？要求樣本：獨立（Independent）同分布（Identical

Distribution）目前國內(nèi)外：水文計算采用純隨機模型?。〖礃颖惊毩㈦S機抽自同一總體。檢查資料是否一致？YesOk進行資料一致性修正No不一致原因:上游修建水庫蓄水、泄水，改變了原天然徑流過程；大洪水情況下分洪或發(fā)生決口、潰堤。。。分析方法：水量平衡原理修正；降雨徑流相關(guān)法修正。。。

3.代表性審查

代表性是指樣本與總體接近的程度。

其它條件相同時，樣本容量越小，抽樣誤差愈大。提高樣本代表性的主要途徑是增加樣本容量。方法：①插補延長；②歷史洪水調(diào)查；③古洪水探測。。。

有限樣本x1,x2,…,xn無限總體存在“抽樣誤差”

由于樣本總體未知，故樣本代表性的分析不能由自身來評判?？梢愿鶕?jù)參證站樣本的代表性來間接分析。參證站設(shè)計站nnN二、設(shè)計年、月徑流量系列選取

設(shè)計年徑流是指相應(yīng)于設(shè)計頻率的年徑流量，設(shè)計年徑流在年內(nèi)各月(或旬)的分配稱設(shè)計年徑流的年內(nèi)分配。將年徑流量看作為簡單獨立隨機變量，則實測年徑流量系列為年徑流量總體的一個隨機樣本，而未來工程運行期間的年徑流量系列也是總體的一部分。因此，可以由以往n

年實測年徑流系列求得的分布函數(shù)（頻率曲線）推斷總體分布，并作為未來工程運行期間年徑流量的分布函數(shù)。實測徑流系列經(jīng)過審查和分析后，再按照水利年構(gòu)成一個新的年、月徑流系列，并從中選出代表段的年月徑流系列。

豐水年、平水年、枯水年、一個或幾個完整的調(diào)節(jié)周期代表段包括代表段的年徑流均值、離散系數(shù)三、實際代表年的年、月徑流量

實際年法是從實測年、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)的用水過程相配合進行調(diào)節(jié)計算，求出調(diào)節(jié)庫容，確定工程規(guī)模。

方法形象、簡單、方便、在灌溉工程設(shè)計中應(yīng)用廣泛。方法優(yōu)缺點對于水電工程，有時從實際資料中選出能代表豐水年、平水年、枯水年3種分配特性的實際年分別作為豐水年、平水年、枯水年的設(shè)計代表年。選擇的原則是設(shè)計代表年的各設(shè)計時段徑流量盡量盡可能接近設(shè)計要求的徑流量；若其實段徑流量與設(shè)計要求相差較大時，不能采用此法。四、設(shè)計代表年的年、月徑流量

上述方法雖然為解決長期預(yù)估難題提供了一種途徑，但存在明顯不足的是：歷史事件只能以大致相似的情況出現(xiàn)，但決不會完全復制/重復。流域是一個高阻尼系統(tǒng)，徑流量受各種因素影響，其變化呈現(xiàn)明顯的隨機性，故可以采用統(tǒng)計方法來研究其變化的統(tǒng)計規(guī)律，為未來工程運行期間徑流量做出預(yù)估。

上述以設(shè)計的年、月徑流量或?qū)嶋H代表年的年、月徑流量來預(yù)估工程運行期間年、月徑流量變化是基于歷史上發(fā)生的事件在未來可能重現(xiàn)的概念，也就是以歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的徑流變化來預(yù)估未來徑流可能的變化。

設(shè)計代表年年徑流量及年內(nèi)分配的計算步驟：

1.設(shè)計時段徑流量的計算

(1)計算時段的確定計算時段根據(jù)工程要求確定。灌溉工程取作物需水期作為計算時段；發(fā)電工程選枯水期和全年作為計算時段。

(2)頻率計算根據(jù)確定的計算時段統(tǒng)計時段徑流量(按水利年統(tǒng)計)。對年徑流量系列或時段徑流量系列進行頻率計算，推求指定頻率的設(shè)計年徑流量或設(shè)計時段徑流量。頻率曲線的線型采用皮爾遜（P-Ⅲ）型。參數(shù)采用目估適線法確定。參數(shù)初值可用矩法估計。

適線法是目前我國生產(chǎn)實踐中廣泛采用的方法。（3）計算步驟①由矩法初估參數(shù)EX和Cv，Cs通常由地區(qū)上Cs/Cv的比值確定。年徑流頻率計算中Cs/Cv一般采用2～3。②樣本由大到小排列，由期望公式確定的各項經(jīng)驗頻率。m——從大到小排隊的序號；

n——樣本容量。③在海森機率格紙上點繪經(jīng)驗點據(jù)。

P(％)0.010.112510205075…φQP

④由P-Ⅲ型理論曲線進行適線。以矩法計算的EX、Cv和Cs為適線的初值。將此線畫在繪有經(jīng)驗點據(jù)的圖上，看與經(jīng)驗點據(jù)配合的情況，若不理想，則修改參數(shù)(主要調(diào)整Cv以及Cs),再次進行計算。

⑤根據(jù)頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)的配合情況選定最終的頻率曲線。

相應(yīng)于該曲線的參數(shù)便看作是總體參數(shù)的估值。該曲線上指定頻率的設(shè)計值便是所要求的設(shè)計年徑流量或設(shè)計時段徑流量。

2.年徑流的年內(nèi)分配

在水文計算中，一般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）代表年的選擇①水量相近原則選年徑流量與設(shè)計年徑流量相近的年份。②對工程不利原則對灌溉工程：選作物需水季節(jié)來水少的年份；對發(fā)電工程：選枯水季長，枯季水少的年份。（2）徑流年時分配計算

常用的有同倍比法和同頻率法兩種。①同倍比法用設(shè)計年徑流量與代表年年徑流量的比值或設(shè)計的供水期水量與代表年的供水期水量的比值，對整個代表年的月徑流過程進行縮放，得到設(shè)計年內(nèi)分配。②同頻率法同頻率法的基本思想是使所求的設(shè)計年內(nèi)分配的各個時段徑流量都符合設(shè)計頻率，采用各時段不同的倍比縮放代表年的逐月徑流。①根據(jù)工程性質(zhì)選定幾個計算時段，如最小3個月、最小5個月、全年等；②進行各時段水量的頻率計算，求得指定頻率的各時段徑流量Q3,P、Q5,P

、Q全年,P…③按水量相近和對工程不利的原則選取代表年，在代表年的逐月徑流量過程線上，統(tǒng)計最小3個月、最小5個月、最小7個月流量Q3,D、Q5,D

、Q全年,D

…，并要求短時段的水量包含在長時段的水量之內(nèi)。④計算各時段的放大倍比。⑤

按各時段不同的倍比縮放代表年的逐月徑流同頻率法推求設(shè)計年徑流過程的步驟如下：K3=1.06K5-3=0.844K12-5=0.858

一般n＜20為短系列。與長系列資料相比，計算方法相同。但之前必須多做一項工作——對資料進行插補延長。7.3有短期實測資料時設(shè)計年徑流計算

選擇參證變量的條件：

1）參證變量與設(shè)計站的年、月徑流在成因上有密切聯(lián)系；

2）參證變量與設(shè)計站的年、月徑流有一段相當長的平行觀測期；

3）參證變量必須具有足夠長的實測系列。

在水文計算中，常用相關(guān)法來展延系列。即選擇參證變量，根據(jù)設(shè)計站年、月徑流與參證變量的同期觀測資料建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，然后利用較長系列的參證資料通過相關(guān)關(guān)系來展延設(shè)計站的年、月徑流資料。y參y設(shè)參證站設(shè)計站一、利用徑流資料展延系列

1.鄰近站徑流量相關(guān)法以上、下游站建相關(guān)關(guān)系為例：

(1)區(qū)間不大，則直接建立y設(shè)~y參關(guān)系(2)區(qū)間面積較大，y設(shè)~x參關(guān)系不好時，可加入?yún)^(qū)間的因素區(qū)間因素可以用區(qū)間年徑流量y區(qū)間或年降雨量x區(qū)間來表示。y區(qū)間y參y設(shè)y設(shè)y參x區(qū)間二、利用降雨資料展延系列

一般對濕潤地區(qū)，徑流量y與降雨量x的關(guān)系較好；而干旱地區(qū)，蒸發(fā)量z的作用不可忽略，y與x的關(guān)系不好。當資料充分時，可直接建立y年~x年關(guān)系。由于地區(qū)的不同，相關(guān)圖各有所異。如：濕潤地區(qū)：相關(guān)關(guān)系較好干旱地區(qū)：要把z加入相關(guān)圖中

y年x年濕潤地區(qū)x年y年z干旱地區(qū)7.4缺乏實測徑流資料時設(shè)計年徑流計算

無資料情況下，一般采用等值線圖法或水文比擬法，直接估計年徑流量分布的參數(shù):均值、CV和CS，然后求某指定頻率下的設(shè)計年徑流量，再移用鄰近流域代表年的年徑流過程進行時程分配。一、水文比擬法將參證流域的某一水文特征量移用到設(shè)計流域的方法。方法的關(guān)鍵在于選擇恰當?shù)膮⒆C流域。所

選參證流域的氣候及下墊面條件要盡可能相似；有較長的資料，以保證計算誤差小。

1.直接移置2.修正移置當參證流域與設(shè)計流域降水量差異明顯時，根據(jù)雨量進行修正。二、參數(shù)等值線圖法

1.多年平均徑流深估算閉合流域的年徑流平衡方程為：

降水量和蒸發(fā)量具有地區(qū)分布規(guī)律，所以徑流深也具有地區(qū)分

布規(guī)律。隨地理坐標不同發(fā)生連續(xù)均勻的變化。

2.直接將參證流域年徑流量Cv移用至設(shè)計流域,或根據(jù)參證流域年降雨量Cv與設(shè)計流域年降雨量Cv的比值進行修正。3.年徑流量CS可根據(jù)Cs/Cv的比值來確定。Cs/Cv查水文手冊得到，或取Cs=2Cv。

4.設(shè)計徑流量計算

yP=y(1+CV

P)