《工程水文學(xué)》設(shè)計(jì)年徑流及徑流隨機(jī)模擬課件

1、1/43工程水文學(xué)第1頁，共42頁。2/43第5章 年徑流及年輸沙量的分析計(jì)算5.1 概述5.2 影響年徑流量及年內(nèi)分配的因素5.3 具有實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的 分析計(jì)算5.4 缺乏實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的 分析計(jì)算5.5 多年平均年輸沙量的估算第2頁，共42頁。3/43 5.1 概述 5.1.1 年徑流的特性 在一個(gè)年度內(nèi)，通過河流出口斷面的水量稱為年徑流。常用年平均流量Q(m3/s)、年徑流量W(m3)、年徑流深R(mm)或年徑流模數(shù)M(m3/s.km2)表示。 日歷年：從每年的1月1日12月31日為止。 水文年：根據(jù)水文變化規(guī)律對年進(jìn)行劃分，以每年汛期開始到

2、下一年的枯水期結(jié)束為止。 水利年：以興利為目的對年進(jìn)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。 第3頁，共42頁。4/43 季節(jié)性變化規(guī)律 年徑流的周期性與峰、枯交替出現(xiàn)，大致以一年為周期。豐水期(汛期)多水、水渾、水災(zāi)；枯水期(非汛期)少水、水臟、干旱。 年際變化現(xiàn)象 豐水年組與枯水年組交替出現(xiàn)，年徑流極值比Q大/Q小較大。年際間的變化也很大。常用模比系數(shù)K豐Q豐/Q平 和K枯Q豐/Q平 表示。 豐枯水年交替變化 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。 第4頁，共42頁。5/43 河流的年徑流量具有持續(xù)性，逐年的徑流量之間并非獨(dú)立，具有一定的相關(guān)關(guān)系。譬如：相鄰年的

3、年徑流量QiQi+1相關(guān)，i1,2,n-1 年，其相關(guān)系數(shù)稱為自相關(guān)系數(shù)。 地區(qū)變化規(guī)律 年徑流按多少分為豐水帶、多水帶、過渡帶、少水帶、干枯帶。我國的P、R由東南向西北方向遞減。第5頁，共42頁。6/43 5.1.2 工程規(guī)模與來水、用水、保證率的關(guān)系 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。但是，當(dāng)年水量相同時(shí)，年的徑流年內(nèi)分配將影響庫容的大小。 對于不同的年份，因來水與用水有不同的組合，則各年所需的庫容也不相同。如 p.105 圖5-1V(QRQ2)T2第6頁，共42頁。7/43 如 (a)與(b)所示的不同來水過程Q1、Q2，所需庫容也有差別( V/V )。此外，來

4、水量相等而徑流年內(nèi)分配過程不同，所需庫容不同。如果有20年的年徑流資料和用水資料，可以求出20個(gè)大小不同的庫容(V1 ,V2, ., Vn)，用多大的庫容來設(shè)計(jì)水庫呢？ 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、來水、用水、保證率四者之間的關(guān)系。 * 這里的保證率即是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 第7頁，共42頁。8/43 設(shè)計(jì)保證率P 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的既定目標(biāo)不被破壞的年數(shù)占運(yùn)用年數(shù)的百分比，又稱為工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，它反映了水資源的利用程度。 例如，灌溉設(shè)計(jì)保證率表示設(shè)計(jì)灌溉用水量全部滿足的年數(shù)占工程運(yùn)用總年數(shù)的百分比。 破壞率q q1P第8頁，共42頁。9/43 5.1.3 年徑流分析計(jì)算的任務(wù)與

5、方法 目的：推求不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(或設(shè)計(jì)保證率)P的年徑流量QP(設(shè)計(jì)年徑流)及其年內(nèi)分配。它是水利計(jì)算的依據(jù)，并作為衡量工程規(guī)模和確定水資源利用程度的重要指標(biāo)。 任務(wù)：根據(jù)水文現(xiàn)象的隨機(jī)性質(zhì)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理和方法，通過對徑流資料的統(tǒng)計(jì)分析，估算指定頻率的徑流特征值。 第9頁，共42頁。10/43 5.2 影響年徑流量及年內(nèi)分配的因素 從年為時(shí)段的流域水量平衡方程可知： RPEuw 式中，u為流域蓄水量變化；w為流域間的交換水量(閉合流域w0)，為下墊面因素。其中，P、E屬于氣候因素；R隨P增大而增大，隨E增大而減少；E又與氣溫、濕度有關(guān)。 6.2.1 氣候因素對年徑流的影響 氣溫是影響徑流的

6、主要因子，屬急變因素。 6.2.2 下墊面因素對年徑流的影響 包括地理位置、地形、植被、土壤、地質(zhì)、湖泊、沼澤、流域大小等，它們從不同的角度影響徑流(u、w)。第10頁，共42頁。11/43 5.2.3 人類活動(dòng)對年徑流的影響 人類在流域上進(jìn)行的各種活動(dòng)，通過改變下墊面性質(zhì)而影響年徑流量?？梢苑譃橹苯佑绊?南水北調(diào)、興建水利工程、大面積灌溉)和間接影響(植樹造林、水土保持措施、土地利用方式、城市化)。 5.2.4 影響徑流年內(nèi)分配的因素 取決于氣候因素、天然的和人工的調(diào)節(jié)因素。 一般地，在汛期，主要是降雨影響徑流；在枯季，流域蓄水對徑流的影響起主要作用。第11頁，共42頁。12/435.3 具

7、有實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的分析計(jì)算5.3.1具有實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的分析計(jì)算 所謂長期，指實(shí)測年徑流系列不小于2030年。 計(jì)算內(nèi)容及步驟： 1) 年徑流資料的搜集和審查，Q1，Q2，, Qn； 2) 年徑流頻率分析計(jì)算，X、Cv、Cs 和 QP ； 3) 提供設(shè)計(jì)年徑流的時(shí)程分配將QP分配到各月，得到設(shè)計(jì)年徑流過程，如右圖所示； 4) 進(jìn)行成果合理性檢驗(yàn)。典型年徑流過程設(shè)計(jì)年徑流過程QT第12頁，共42頁。13/43 水文資料的審查: “三性”審查 可靠性、一致性和代表性的審查。 可靠性審查 水位、流量測驗(yàn)有無差錯(cuò)；水位流量關(guān)系曲線的繪制；高、低水延長是否恰當(dāng)

8、；同一河流的上、下游水量是否平衡。 一致性審查 資料是否來自相同的氣候區(qū)、下墊面條件和同一測站；人類活動(dòng)的影響是否顯著；否則進(jìn)行一致性修正，即徑流系列的還原計(jì)算。 *還原計(jì)算方法：一般采用降雨徑流相關(guān)法和水量平衡法，即W天然W實(shí)測W還原 其中 W還原W農(nóng)灌W工業(yè)W水庫W損失W引水W分洪第13頁，共42頁。14/43 代表性審查 樣本的經(jīng)驗(yàn)分布Fn(x)與總體的理論分布F(x)接近程度，越接近，代表性越好；一般樣本系列越長，代表性也越好。 代表性高低的判斷采用長短系列對比法，即選擇一個(gè)代表性較好的長系列(參證變量)，將其統(tǒng)計(jì)參數(shù)與短系列(設(shè)計(jì)變量)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)作對比，若統(tǒng)計(jì)參數(shù)大體接近則認(rèn)為短系列

9、在長系列中具有代表性。 見p. 109 例 換言之，參證變量代表性好，且與設(shè)計(jì)變量的氣候和下墊面條件相似，兩者間應(yīng)具有一定同期觀測資料統(tǒng)計(jì)參數(shù)(X、Cv、Cs)。如果短系列的代表性不高時(shí)，則應(yīng)當(dāng)插補(bǔ)、展延系列。第14頁，共42頁。15/43設(shè)計(jì)年、月徑流量系列的選?。?豐、平、枯水年代表段 有一個(gè)或幾個(gè)完整的調(diào)節(jié)周期 流量系列的X、Cv、Cs與長系列相近 該代表段即為“設(shè)計(jì)年、月徑流系列”，也稱為長系列操作法、時(shí)歷法、綜合法 或 長期年法。 p.109 例第15頁，共42頁。16/43實(shí)際代表年年、月徑流量的選?。?利用實(shí)際的干旱年 作為代表年進(jìn)行年徑流分配和調(diào)節(jié)庫容的計(jì)算，相應(yīng)年份的年、月徑

10、流量就是實(shí)際代表年的年、月徑流量。設(shè)計(jì)代表年年徑流量及年內(nèi)分配的計(jì)算： Qp 的推求 選擇水利年，利用P-型理論分布曲線，用適線法進(jìn)行頻率計(jì)算，并側(cè)重考慮豐、平、枯水年份年徑流點(diǎn)群的趨勢，推求指定頻率的設(shè)計(jì)代表年年徑流量，并對該設(shè)計(jì)代表年的徑流過程進(jìn)行縮放，最后得到設(shè)計(jì)的年徑流過程線。 一般地，小型灌溉工程選枯水年為代表年；水電工程選“豐平枯”(如p20%,50%,80%或p25%,50%,75%)三種代表年。第16頁，共42頁。17/43設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量的計(jì)算： 1）計(jì)算時(shí)期的確定 灌溉工程取灌溉期，水電工程取枯水期。 2）頻率計(jì)算 按水利年歷年逐月徑流資料作頻率適線，推求指定頻率的設(shè)計(jì)年徑流

11、量或設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量。 一般取Cs(34)Cv，并需注意特大或特小值的處理。 3）設(shè)計(jì)年徑流量的推求 （另見第7章） 第17頁，共42頁。18/43 設(shè)計(jì)成果的合理性分析: 多年平均年徑流量 地理分布規(guī)律(等值線)， 上、下游站和鄰近站的比較水量平衡。 統(tǒng)計(jì)參數(shù) 如X、 Cv 、Cs值的合理性，應(yīng)注意與地區(qū)綜合分析成果統(tǒng)一。 歷史洪(枯)水年徑流 考證和引用的依據(jù)。第18頁，共42頁。19/43設(shè)計(jì)代表年徑流量的年內(nèi)分配計(jì)算： 問題的提出：雖然年徑流量相同，但會(huì)有不同的年內(nèi)分配，將使得V興各不相同。又由于庫容大，投資大，保證率高；庫容小，投資少,保證率卻較低。因此，必須進(jìn)行年徑流的年內(nèi)分配分析與

12、計(jì)算。汛期非汛期來水過程用水過程V興V興Z正Z死V死QT第19頁，共42頁。20/43 代表年的選擇原則： 1）流量相近 年份原則，選擇與設(shè)計(jì)年徑流量大小相近的年； 2）對工程較不利 年份原則：如汛期流量大且供水期徑流較小的年份； 一般地，灌溉工程選需水徑流比較枯的年份；水電工程選枯水期較長且徑流又較枯的年份。第20頁，共42頁。21/43 實(shí)際代表年法： 根據(jù)灌溉工程實(shí)際情況選擇代表年，并按灌區(qū)作物需用水量進(jìn)行分配。該法多在灌溉工程規(guī)劃中采用。 方法1 根據(jù)各干旱年的干旱程度，明確其排序位置并確定其經(jīng)驗(yàn)頻率；再根據(jù)設(shè)計(jì)頻率選定某一實(shí)際干旱年作為代表年；采用該代表年的來水和用水過程規(guī)劃設(shè)計(jì)工程

13、的規(guī)模。 方法2 通過灌溉用水量計(jì)算，求出每年的灌溉定額，作頻率分析并繪制出頻率曲線，然后根據(jù)灌溉設(shè)計(jì)保證率P查頻率曲線得到設(shè)計(jì)灌溉定額，則對應(yīng)年份為實(shí)際代表年。第21頁，共42頁。22/43徑流年內(nèi)分配計(jì)算： 同倍比法 用年水量或供水期水量控制縮放倍比，把設(shè)計(jì)年徑流量按代表年的月徑流過程進(jìn)行分配。 縮放倍比系數(shù) KQp/QD 或 KTQTp/QTD 同頻率法 各時(shí)段采用不同的縮放倍比，并使所求的設(shè)計(jì)年內(nèi)分配的各個(gè)時(shí)段徑流量都符合設(shè)計(jì)頻率。 縮放倍比系數(shù) KtQtP/QtD 其中 t1月,3月,7月,年第22頁，共42頁。23/43 注意：要求長時(shí)段的水量應(yīng)包含短時(shí)段的水量，即Q年D Q7D

14、Q3D Q1D 利用設(shè)計(jì)徑流過程的縮放倍比系數(shù)Kt 遍乘代表年各月的實(shí)測徑流過程，即得設(shè)計(jì)年徑流的年內(nèi)時(shí)程分配。QP(t)Kt QD(t) 見p.112 算例第23頁，共42頁。24/435.3.2 具有短期實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量 及年內(nèi)分配的分析計(jì)算 當(dāng)設(shè)計(jì)代表站實(shí)測年徑流資料較短 n30 但系列不連續(xù)或代表性不夠時(shí)，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算？ 通過建立設(shè)計(jì)斷面年徑流與參證變量的相關(guān)關(guān)系，適當(dāng)插補(bǔ)、展延設(shè)計(jì)斷面年徑流系列至規(guī)范要求長度。 第24頁，共42頁。25/43 選擇參證變量: 常用的參證變量 設(shè)計(jì)斷面的水位、上下游測站或鄰近河流測站的徑流量、流域的降雨量等。 參證變量應(yīng)具備條件 參

15、證變量與設(shè)計(jì)斷面徑流量在成因上有密切關(guān)系；參證變量與設(shè)計(jì)斷面徑流量有較長期的同步觀測資料；參證變量的系列較長，并有較好的代表性。 第25頁，共42頁。26/43 相關(guān)法展延系列: 利用徑流資料展延系列 利用本站的水位流量關(guān)系資料展延年徑流系列；或利用設(shè)計(jì)站上下游站或鄰近站實(shí)測徑流資料，展延設(shè)計(jì)斷面的徑流資料。 以月徑流量相關(guān)展延年、月徑流量系列 建立設(shè)計(jì)站月徑流與參證站月徑流量的相關(guān)方程進(jìn)行插補(bǔ)，但精度較差。 一般地，枯期徑流間相關(guān)關(guān)系較好，汛期相對較差。第26頁，共42頁。27/43 利用降雨資料展延系列 利用流域內(nèi)或鄰近地區(qū)具有較長的觀測系列的降雨與徑流的良好關(guān)系來延展，即 PR相關(guān)法。

16、一般地，年的PR相關(guān)關(guān)系明顯要好于月的PR相關(guān)關(guān)系。 利用確定性的降雨徑流模型插補(bǔ)年、月徑流 式中，Wm流域平均蓄水容量，mm；W0降雨開始時(shí)的流域平均蓄水容量，mm；其余符號同前。 R = PE(WmW0)第27頁，共42頁。28/43 進(jìn)行相關(guān)展延系列時(shí)必須注意的幾個(gè)問題： 1）設(shè)計(jì)變量與參證變量平行觀測資料不能太少，其項(xiàng)數(shù)應(yīng)在1520項(xiàng)以上； 2）特殊點(diǎn)據(jù)的處理，需盡量避免輾轉(zhuǎn)相關(guān)，即 C參C2C1C設(shè) 3）應(yīng)直接采用原始變量建立相關(guān)關(guān)系，避免假相關(guān)現(xiàn)象； 4）外延幅度不宜過大，如年徑流量展延不得超過50； 5）插補(bǔ)項(xiàng)數(shù)不得超過實(shí)測項(xiàng)數(shù)的一半。第28頁，共42頁。29/43 5.4 缺乏

17、實(shí)測徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的分析計(jì)算 設(shè)計(jì)流域缺乏實(shí)測資料，但所在區(qū)域內(nèi)有水文特征值(年徑流深R、X、Cv、Cs等)的綜合分析成果(等值線圖)，或在水文相似區(qū)內(nèi)有徑流系列較長的參證站可利用。 參證站的選擇原則： 1）氣候條件基本一致； 2）下墊面條件相近； 3）流域面積接近； 4）參證站徑流資料具有代表性。 5.4.1 多年平均徑流量的估算 兩種方法：等值線圖法和水文比擬法 第29頁，共42頁。30/43 多年平均年徑流量等值線圖法： 利用年徑流及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)具有地理分布規(guī)律進(jìn)行地理插值，檢查計(jì)算成果的合理性，或估算無資料地區(qū)的設(shè)計(jì)值。 繪制水文特征值等值線圖的依據(jù)和條件： 分區(qū)性因素

18、 氣候因素 非分區(qū)性因素 下墊面因素第30頁，共42頁。31/43 多年平均年徑流深等值線圖的繪制和使用： 先在待求流域圖上繪出年徑流等值線后，再分別處理。 1）流域面積較小，且等值線在流域內(nèi)分布均勻，流域 面積形心處的值即為所求； 2）對于山區(qū)性河流，則采用流域平均高程處的值更為 恰當(dāng)； 3）流域面積較大或等值線在流域內(nèi)分布不均勻時(shí)，需 由面積加權(quán)法或直線內(nèi)插法計(jì)算，見p.115 圖6-2 和 公式 (6-3)。 第31頁，共42頁。32/43第32頁，共42頁。33/43 水文比擬法： 根據(jù)氣候、自然地理?xiàng)l件一致的參證站資料來估算設(shè)計(jì)流域的水文特征參數(shù)的方法，即將參證站的徑流特征值經(jīng)過適當(dāng)

19、修正后移用于設(shè)計(jì)斷面。 1）當(dāng)設(shè)計(jì)流域和參證流域條件相似時(shí)，可直接移置徑流深，即 和 第33頁，共42頁。34/43 2）當(dāng)設(shè)計(jì)流域與參證流域降雨量差異較大時(shí)，應(yīng)考慮雨量修正，即 y年,設(shè)(x年,設(shè)/x年,參)y年,參 y月,設(shè)(x月,設(shè)/x月,參)y月,參 3）移置參證流域的年降雨徑流相關(guān)圖 4）移置參證流域的降雨徑流模型及其參數(shù)第34頁，共42頁。35/435.4.2 年徑流量離勢系數(shù)的估算 可通過查Cv等值線，按比例內(nèi)插流域重心的Cv值。5.4.3 年徑流量偏態(tài)系數(shù)的估算 對于無資料 地區(qū)，常利用水 文手冊上的分區(qū) 等值線圖查得年 徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)， 其中Cs用Cs2 3Cv估計(jì)。第35頁，共42頁。36/43 5.4.4 設(shè)計(jì)年、月徑流量的計(jì)算 1）利用年徑流量系列繪制頻率曲線，推求指定頻率的設(shè)計(jì)年徑流量。 2）對于無資料地區(qū)的設(shè)計(jì)年徑流量的年內(nèi)分配，可采用水文比擬法直接移用參證流域資料。 3）參考各省(區(qū))水文手冊作出的“豐平枯”典型徑流分配過程。第36頁，共42頁。37/43p.120 圖6-3第37頁，共42頁。38/43 5.5 多年平均年輸沙量的估算 河流泥沙的主要來源是流域表面的侵蝕和河床的沖刷，而泥沙的多少與流域的氣候、植被、土壤、地形等密切相關(guān)。 5.5.1 影響河流輸沙量的因素 主要影響因素有三個(gè)方面：氣候因素(氣