設(shè)計年徑流量的計算

1、4設(shè)計年徑流量的計算正常年徑流量的計算有長期資料徑流的年內(nèi)分配時序分配法歷時曲線法有短期資料無資料徑流的年際變化基本概念設(shè)計洪水計算重現(xiàn)期有實測資料缺乏實測資料正常年徑流量的計算在一個年度內(nèi)，通過河川某一斷面的水量，稱為該斷面以上流域的年徑流量。河川徑流在時間上的變化過程有一個以年為周期循環(huán)的特性，這樣，我們就可以用年為單位分析每年的徑流總量以及徑流的年際與年內(nèi)分配情況，掌握它們的變化規(guī)律，用于預(yù)估未來各種情況下的變化情勢。河徑流量是以降水為主的多因素綜合影響的產(chǎn)物，表現(xiàn)為任一河流的任一斷面上逐年的天然年徑流量是各不相同的，有的年份水量一般，有的年份水量偏多，有的年份則水量偏少。年徑流量的多年

2、平均值稱為多年平均徑流量多年平均徑流量Qi=EQi/nEQ各年的年徑流量之和n年數(shù)。在氣候和下墊面基本穩(wěn)定的條件下，隨著觀測年數(shù)的不斷增加，多年平均年徑流量Q趨向于一個穩(wěn)定數(shù)值，這個穩(wěn)定數(shù)值稱為正常年徑流量。顯然，正常年徑流量是反映河流在天然情況下所蘊藏的水資源，是河川徑流的重要特征值。在氣候及下墊面條件基本穩(wěn)定的情況下，可以根據(jù)過去長期的實測年徑流量，計算多年平均年徑流量來代替正常年徑流量。但是正常年徑流量的穩(wěn)定性不能理解為不變性，因為流域內(nèi)沒有固定不變的因素。就氣候和下墊面條件來說，也是隨著地質(zhì)年代的進展而變化，只不過這種變化非常緩慢，可以不用考慮，但是大規(guī)模的人類活動，特別是對下墊面條件

3、的改變將使正常年徑流量發(fā)生顯著變化。根據(jù)觀測資料的長短或有無，正常年徑流量的推算方法有三種：有長期實測資料，有短期實測資料和無實測資料。有長期實測資料時正常年徑流量的推算有長期實測資料的含意是：實測系列足夠長，具有一定的代表性，由它計算的多年平均值基本上趨于穩(wěn)定。由于各個流域的特性不同，其平均值趨于穩(wěn)定所需的時間也是不會相同。對于那些年徑流的變差系數(shù)Cv變化較大的河流，所需觀測系列要長一些，反之則短些。所謂代表性一般是指在觀測系列中應(yīng)包含有特大豐水年，特小枯水年及大致相同的豐水年群和枯水年群。當(dāng)滿足以上條件時，可用算術(shù)平均法直接計算出正常年徑流量。Q=Qi/nn為觀測年數(shù)Qi-為，某年的年徑流

4、量此法的關(guān)鍵是分析資料的代表性，即在實測資料的系列中必須包含河川徑流變化的各種特征值，同時還要同臨近有更長觀測資料的流域進行對比分析，進一步確定實測資料的代表性。根據(jù)我國河流的特點和資料條件，一般具有二三十年以上可作為有長期資料處理。有短期實測資料時正常年徑流量的推算短期實測資料是指一般僅有幾年或十幾年的實測資料，且資料的代表性較差。此時，如果利用算數(shù)平均法直接計算將會產(chǎn)生很大的誤差，因此，計算前必須把資料系列延長，提高其代表性。延長資料的方法，主要是通過相關(guān)分析，即通過建立年徑流量與其密切相關(guān)的要素(稱為參證變量)之間的相關(guān)關(guān)系，然后利用有較長觀測系列的參證變量來展延研究變量年徑流量的系列。

5、參證變量的選擇展延觀測資料系列的首要任務(wù)是選擇恰當(dāng)?shù)膮⒆C變量，參證變量的好壞直接影響精度的高低。一般參證變量應(yīng)具備以下三個條件：(1)參證變量與研究變量在成因上是有聯(lián)系的。當(dāng)需要借助其他流域資料時，參證流域與研究流域也需具備同一成因的共同基礎(chǔ))。(2)參證變量的系列要比研究變量的系列長。(3)參證變量與研究變量必須具有一定的同步系列，以便建立相關(guān)關(guān)系。當(dāng)有好幾個參證變量可選時，可以選擇與研究變量關(guān)系最好的作為首選參證變量，也可以同時選擇好幾個參證變量，建立研究變量與所選參證變量間的多元相關(guān)關(guān)系。總之，以研究成果精度的高低作為評判參證變量選擇好壞的標(biāo)準(zhǔn)。目前，水文上常用的參證變量是年徑流量資料和

6、年降水量資料。利用年徑流資料展延插補資料系列在研究流域附近有長期實測年徑流量資料，或研究站的上、下游有長期實測年徑流量資料的水文站。經(jīng)分析，證明其徑流形成條件相似后，可用兩者的相關(guān)方程延長插補短期資料。當(dāng)資料很少，不足以建立年相關(guān)時，也可先建立月相關(guān)，展延插補月徑流量，然后計算年徑流量。例41今有某河流擬在乙站處修建水庫，乙站流域面積F=1200kmf,具有19561959年、19641966年共7年實測年徑料，需展延插補該站系列，以提供水庫水文設(shè)計依據(jù)。乙站上游的甲站，流域面積F=820km2,有1952-1971年共20年較長系列，經(jīng)分析甲站可作為參證站。甲、乙兩站各年實測年平均流量如表(

7、單位：m3/s)195219531954195519561957195819591960甲站150乙站年份196219631964196519661967196819691970甲站乙站首先用兩站同期實測資料（19561959年、19641966年）點繪相關(guān)圖可見，兩站相關(guān)點據(jù)密集，可通過相關(guān)點群中心定一條單一曲線，乙站缺測資料年份即可用此相關(guān)線插補和外延，最后可得20年資料。計算20年的算術(shù)平均值即為乙站正常年徑流量；成果見表乙站年平均流量插補延長（單位：m3/s）年份195219531954195519561957195819591960年平均流量年份1962196319641965196

8、61967196819691970年平均流量利用年降水資料展延插補資料系列一般降水資料容易取得，資料系列也較徑流資料為長，當(dāng)不能用徑流資料延長時，可用流域內(nèi)或流域外降水資料進行展延插補。但必須分析降水與徑流的關(guān)系地好壞。一般在濕潤地區(qū)降水充沛，徑流系數(shù)大，徑流量與降水量間的相關(guān)關(guān)系較密切，而在干旱地區(qū)或半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量大，大部分降水消耗于蒸發(fā)，年徑流量與年降水量之間的關(guān)系不夠密切，此時，可適當(dāng)增加參證變量，如降雨強度等。當(dāng)資料很少時，也可通過建立月降水量與月徑流量間的相關(guān)關(guān)系，然后推算年徑流量。例4-2某河支流有甲、乙兩站（圖4-3）,甲站流域面積為992km2,有19531955年、195

9、91969年實測年徑流量資料，而甲、乙兩站同時具有較長期的降水資料（表43）。需插補甲站缺測年份流量資料。由于乙站無實測徑流資料，甲站缺測年份只能采用本流域的降雨徑流關(guān)系插補。甲站以上流域平均降水量，可用甲乙兩站年降水量算術(shù)平均值求得。甲站以上年徑流深h用下式計算，h=QT/F/1000(mm)表43甲乙兩站年平均流量及年降水量表（流量單位：m3/s,雨量單位：mm）站名195319541955195619571958195919601961甲站年均流量年降水量乙站年降水量站名196219631964196519661967196819691970甲站年均流量年降水量乙站年降水量以甲站各年徑流

10、深與流域平均雨深點繪關(guān)系（圖44）,由圖可見，關(guān)系尚密切，可以定線使用。根據(jù)年降雨徑流相關(guān)圖，就可以由甲站以上平均雨量資料插補甲站缺測年份之年徑流然后計算正常年徑流量。成果見表。年份1956195719581970備注年平均流量多年平均流量=例4-3某流域甲、乙、丙三站有較長期降雨資料，甲站流域面積F=5800kR,僅有19671970年四年短期徑流資料，需延長甲站徑流系列。甲站實測各月平均流量及三站相應(yīng)年份各月降雨量如表45、表46。甲站實測流量資料較短，流域內(nèi)其他站又無實測流量資料，故用流域內(nèi)三個雨量站資料，點繪出流域月平均降雨深與甲站平均徑流深相關(guān)圖，由圖可見，相關(guān)點群較為散亂。但仔細(xì)分

11、析各月相關(guān)點的分布尚有一定的規(guī)律，11月至次年1月為該河的枯水季節(jié)；由于此期間蒸發(fā)量較大，且農(nóng)業(yè)用水較多，相關(guān)線偏右。2月至5月，相關(guān)點在兩相關(guān)線之中，為此，根據(jù)點群的分布規(guī)律，可定出三組相關(guān)線。3表4、5甲站測實流量（單位：m/s）123456789101112年19671091653252111021061968179215147238112104107196914116013610513319701422199017438214甲乙丙各站降雨量(mm年份123456789101112年均1967甲乙丙1968甲乙丙1969甲乙丙1970甲乙丙延長甲站缺測年份徑流資料時，可用流域內(nèi)三個雨量

12、站資料，求出各月流域平均雨深，再在相關(guān)圖上相應(yīng)曲線插補各月徑流資料。其他步驟同上例。上述三個例子的相關(guān)分析都屬圖解相關(guān)法，即利用研究變量和參證變量的同步資料，點繪經(jīng)驗相關(guān)點據(jù)，然后根據(jù)點群的分布情況和趨勢，通過點群中心，目估定出一條平均線。這種方法簡便、靈活，可以在目估定線時，充分考慮個別點據(jù)的偏離，合理定線。由誤差理論可知，每于個點據(jù)出現(xiàn)在不位同置的機率是不同的，考慮到這種情況，對個別偏離很大的點據(jù)，不能與其他集中的點據(jù)一律看待，相關(guān)線應(yīng)根據(jù)大多數(shù)點據(jù)定出。無實測資料時正常年徑流量的推求由于我國的水文站網(wǎng)還不是很完善，只在一些較大的河流上有水文觀測站，而在實際工作中常常遇到的小流域，根本沒有

13、徑流量的觀測資料，甚至連降雨資料也沒有。因此，在計水文比擬法、徑算正常年徑流量時，需要利用一些特殊的方法，常用的方法有等值線圖法、流系數(shù)法和水文查勘法。等值線圖法把相同數(shù)值的點連接起來的線叫等值線。在地圖上把觀測到的水文特征值標(biāo)記出來，然后把相同數(shù)值的各點連成等值線，即可構(gòu)成該特征值的等值線圖。水文特征值的等值線圖表示水文特征值的地理分布規(guī)律。閉合流域多年徑流量的主要影響因素是氣候因素，而氣候因素有地區(qū)性，即降雨量與蒸發(fā)量具有地理分布規(guī)律。因此，受降雨量和蒸發(fā)量影響的多年平均年徑流量也具有地理分布規(guī)律。所以說我們利用這一特點繪制多年平均年徑流量的等值線圖，并用它來推算無實測資料地區(qū)的多年平均年

14、徑流量。由于徑流量的多寡與流域面積的大小有直接關(guān)系，為了消除這項影響，多年平均年徑流量等值線圖一般以徑流深或徑流模數(shù)為度量單位。河川任一斷面的徑流量是由該斷面以上流域面積上各點的徑流匯集而成，所以不能將多年平均年徑流深值點繪在該觀測斷面處，而應(yīng)點繪在與多年平均年徑流深最接近流域平均值的那一點。在實際工作中，一般點繪在流域面積的形心處（可作不同方向平分流域的直線，其交點即為形心）。在山區(qū)，徑流量有隨高程增加而增大的趨勢，因此應(yīng)將多年平均年徑流深值點繪在流域平均高程處。目前，各?。▍^(qū)）編制的水文手冊一般都繪有本省（區(qū)）的多年平均年徑流深和各種頻率的年徑流深等值線圖。應(yīng)用等值線圖推求多年平均年徑流深

15、時，先在圖上勾繪出研究流域的分水線，再找出流域的形心，而后根據(jù)等值線內(nèi)插讀出形心處的多年平均年徑流深值。如果流域面積較大或地形復(fù)雜，等值線分布不均勻，也可用加權(quán)平均法推算，即：Y0=（y1f1+y2f2+ynfn）/F式中yi相鄰兩徑流深等值線的平均值，fi相鄰兩等值線間面積；F流域面積，Y0多年平均年徑流深。等值線圖法一般對大流域查算的結(jié)果精度高一些。對于小流域，因小流域可能不閉合和河槽下切不深，不能匯集全部地下徑流，所以使用等值線圖有可能導(dǎo)致結(jié)果偏大或偏小，應(yīng)結(jié)合具體條件加以適當(dāng)修正。水文比擬法如前所述，水文現(xiàn)象具有地區(qū)性，如果某幾個流域處在相似的自然地理條件下，則其水文現(xiàn)象具有相似的發(fā)生

16、、發(fā)展、變化規(guī)律和相似的變化特點。與研究流域有相似自然地理特征的的流域稱為相似流域（即參證流域）。水文比擬法就是以流域間的相似性為基礎(chǔ)，將相似流域的水文資料移用至研究流域的一種簡便方法。其中移用相似流域研究資料的方法較多，如選擇相似流域的徑流模數(shù)、徑流深度、徑流量、徑流系數(shù)以及降水徑流相關(guān)圖等。但是，地球上不可能有兩個流域完全一致，或多或少存在一些差異，倘若相似流域與研究流域之間僅在個別因素上有些差異時，可以考慮不同的修正系數(shù)加以修正。若研究流域與相似流域的氣象條件和下墊面因素基本相似，僅流域面積有所不同，這時只考慮面積的影響，則研究流域的正常年徑流量有如下關(guān)系式：Q研/F研=Q參/F參如果使

17、用徑流深或徑流模數(shù)，則不需需修正即可直接使用。若兩流域的年降水量有不同時，則Q研/P研=Q參/P參式中P研和P參一一分別為研究流域與參證流域的年降水量水文比擬法是在缺乏等值線圖時是一個較為有用的方法。即使在具有等值線圖的條件下，而研究流域面積較小，它的年徑流量受流域自身特點的影響很大，因此對研究流域影響水文特征值的各項因素進行一些分析，可以避免盲目地使用等值線圖而未考慮局部下墊面因素所產(chǎn)生的較大誤差。因此，對于較小流域，水文比擬法更有實際意義。徑流系數(shù)法當(dāng)小流域內(nèi)（或附近）有年雨量資料，且雨量與徑流關(guān)系密切時，可利用多年平均降雨量與徑流量間的定量關(guān)系計算年徑流量，即利用年降雨量的多年平均值乘以

18、徑流系數(shù)推求多年平均徑流量?？捎上率接嬎阒篤W=1000XCXPXF式中W-一多年平均彳5流總量，m3C該地區(qū)年徑流系數(shù)，與研究區(qū)植被、地形、地質(zhì)、主河道長度等因素有關(guān)，可通過調(diào)查并參考省、地水文手冊確定。P研究地區(qū)多年平均降雨量（mm,可從省、地區(qū)的水文文手查出，或向附近水文站、雨量站查詢。F研究流域的集水面積（km2）。本方法計算成果的準(zhǔn)確程度取決于徑流系數(shù)，如所選徑流系數(shù)精度較高可獲比較正確的結(jié)果。水文查勘法對于完全沒有資料，也找不到相似流域的小河或間歇性河流，此時可進行水文查勘，收集水文資料，進行正正常年徑流量的估算。這項任務(wù)一般是通過野外實地查勘訪問，了解多年期間典型水位過程線，河

19、道特性，建立水位流量關(guān)系曲線，從而推算出近似的流量過程線，并估算其正常年徑流量。水文查勘工作，不僅對完全無資料的小河有必要，就是對有資料的大流域也是不可缺少的。上述幾種方法外，還可利用經(jīng)驗公式推求年正常徑流量（或以多年平均年徑流量代替）。由于經(jīng)驗公式都是根據(jù)各地實測資料分析得出的，有其局限性，這些經(jīng)驗公式一般可以在當(dāng)?shù)氐乃氖謨灾胁榈?。但需要指出：是為滿足工程設(shè)計或規(guī)劃的需要，為慎重起見一般不只用一種方法計算，往往運用幾種方法推算的成果相互驗證，以保計算成果的精度。徑流的年際變化基本概念正常年徑流量反映了河流擁有水量的多少，但并不反映具體某一年的水量，這是因為徑流量是一個隨機變量，每年的數(shù)值都

20、不相同所致，即徑流量具有年際變化。由于河川徑流是流域自然地理因素綜合影響的產(chǎn)物，而氣候因素具有明顯的年際變化特征，即使較為穩(wěn)定的下墊面因素每年都不盡相同，因此，受其影響的河川徑流量也具有明顯的年際變化。所謂年際變化就是徑流量每年都不相同，有些年份大，有些年份小。每一條河川年徑流的變化，都具有本流域自然地理條件所賦予的特點，這些特點主要是反映在徑流年變化的幅度上。在雨量豐沛的地區(qū)如我國東南沿海及華南一帶，年降水量變化小，因而年徑流變化也小；而在雨量相對較少而且在時間分配上相當(dāng)集中的地區(qū)，如華北、西北地區(qū)，降雨量的年際變化大，徑流量的年際變化也大。徑流量的年際變化最好用成因分析法進行推求，但由于年

21、徑流量在時間上的變化是氣候因素和自然地理因素共同作用、相互綜合的產(chǎn)物，而這些影響因素本身又受其他許多因素的影響和制約，因果關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，現(xiàn)階段的科學(xué)水平，尚難完全應(yīng)用成因分析法可靠地求出其變化規(guī)律，同時，前后相距幾年的年徑流之間并無顯著的關(guān)系，各年徑流間可認(rèn)為彼此獨立，其變化具有偶然性，因此，只能利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法研究其發(fā)生、變化的情勢。重現(xiàn)期重現(xiàn)期：等量或超量的水文特征值平均多少年出現(xiàn)一次。重現(xiàn)期=1/頻率一般情況下，計算洪水時頻率50%,因此，計算枯水的重現(xiàn)期的公式為：重現(xiàn)期=1/(1-頻率).經(jīng)驗頻率的計算公式P=m/n*100%P=m/(n+1)*100%其中：m為研究序列由大

22、到小排列時的序號、n為序列總長，即研究數(shù)據(jù)的數(shù)量。應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法計算年徑流量變化，實際上就是計算相應(yīng)于某一頻率的設(shè)計年徑流量，按其資料情況的不同可分為兩種情況。有實測資料時設(shè)計年徑流量的計算具有實測年徑流量資料時年際變化的計算，就是要確定某一指定頻率的年徑流量。常用的計算方法為適線法。計算工作大致可分為三部分：資料表性的審查與分析；選配頻率曲線，確定統(tǒng)計參數(shù)(均值，變差系數(shù)Cv,偏差系數(shù)Cs),按照某一指定頻率推求年徑流量。計算步驟如下：a.將實測資料由大到小排序，并計算經(jīng)驗頻率P=m/(n+1)*100,點繪經(jīng)驗頻率曲線。b.計算年徑流量的多年平均值Y=!2Yi/n=c.計算變差系數(shù)Cv=

23、1/Y*匯(Yi-Y)2/(n-1)1/2=d.假設(shè)Cv=,Cs=2Cv=,查表得出相應(yīng)于某一頻率的模比系數(shù)%。e.利用凡乘以年徑流量的多年平均值Y,可得到相應(yīng)于某一頻率的徑流量。f.將頻率和對應(yīng)的徑流量值點繪在頻率曲線圖上，并與經(jīng)驗頻率進行對比，如果二者比較吻合，則選配的頻率曲線是合理的，由此計算的年徑流量值也滿足要求。否則，應(yīng)重新假設(shè)Cs,重復(fù)以上步驟。Cs=CvCs=Cs=Cs=Cs=Cs=Cs=Cs=Cs=缺乏實測資料時設(shè)計年徑流量的計算缺乏實測年徑流量資料時年際變化的計算，關(guān)鍵是通過其他間接資料確定統(tǒng)計參數(shù)Cv、Cs、和多年平土徑流量Q,其中Q可由前面介紹的方法求得，剩下的問題就是如

24、何求變差系數(shù)Cv、偏差系數(shù)Cs確定Cv的方法有：等值線圖法：年徑流量的Cv值，主要取決于氣候因素的變化程度及其它自然地理因素對徑流的調(diào)節(jié)程度。由于氣候因素具有緩慢變化的地區(qū)分布規(guī)律，這便是繪制和使用年徑流量Cv值等值線圖的依據(jù)。一般流域機構(gòu)和省（區(qū)）都繪制有年徑流量變差系數(shù)Cv的等值線圖。但是Cv與流域面積大小有關(guān)，當(dāng)其他條件相同時，流域面越大，其調(diào)節(jié)性能就大，Cv則越小。而Cv等值線圖一般是用較大流域資料繪制的（因為小河目前尚缺乏較長的實測資料），因此，使用Cv等值線圖時要注意研究流域的面積是否在使用面積范圍之內(nèi)。如果將使用面積在范圍以外的小流域直接在圖上查得Cv值，必然比實際的偏小，因此必

25、須進行修正。水文比擬法：在缺乏實測資料時，也可設(shè)法直接移用鄰近測站年徑流量的Cv值，但要注意參證流域的氣候條件、自然地理條件與設(shè)計流域應(yīng)基本相似。如不符合上述條件，會造成很大的誤差。經(jīng)驗公式法：通過觀測研究直接建立的Cv與其主要影響因子間的相關(guān)關(guān)系，可以在與其自然地理條件相似的沒有資料的地區(qū)應(yīng)用。但是由于各地自然地理條件的差異，對Cv起作用的影響因子和各影響因子所起的作用是不同的。因此，經(jīng)驗公式都具有很大的局限性。使用時一般不能超出經(jīng)驗公式所規(guī)定的允許范圍。水利水電科學(xué)研究院水文研究所對于Fv1000km2的流域給出的經(jīng)驗公式為：Cv=*Cvp*（1-a）/（ao+式中Cvp為流域年降雨量的變

26、差系數(shù)；a多年平均徑流系數(shù)（小數(shù)計）；地下徑流占總徑流量的百分?jǐn)?shù)（小數(shù)計）。嘉陵江流域的經(jīng)驗公式為：Cv=式中M為正常徑流模數(shù)（1/）。缺乏資料地區(qū)年徑流量偏差系數(shù)Cs值的估算，一般通過Cv與Cs的比值定出。在多數(shù)情況下，常采用Cs/Cv=o對于湖泊較多的流域，因Cv較小，可采用Cs2Cv。徑流的年內(nèi)分配河川徑流量在一年內(nèi)的變化稱為年內(nèi)分配。天然河流的徑流量在一年之內(nèi)的變化，一方面呈現(xiàn)出明顯的洪、枯水季節(jié)交替的規(guī)律，另一方面，這種交替對于不同河流或同一河流不同年份都不一致，即各時段的徑流量以及洪、枯水季節(jié)的起止時間，由于受各種自然因素綜合的影響，而帶有一定的偶然性。影響徑流年內(nèi)分配的因素很多，但主要的是流域氣象因素和與流域調(diào)蓄能力有關(guān)的自然地理因素。我國大部分地區(qū)為季風(fēng)氣候區(qū)，降雨多集中在雨季，冬天僅有少量降雪，因此，徑流量的年內(nèi)變化在很大程度上受著年內(nèi)降水量年內(nèi)分配的控制。例如，長江水系上游支流汛期出現(xiàn)于7一8月，中下游支流汛期出現(xiàn)于5一8月，均與雨量最大的4個月相呼應(yīng)。在我國北方，因河流冬季凍結(jié)，流域內(nèi)往往有少量積雪，春天融雪和解凍補給河流一部分水量，形成與降雨過程不相應(yīng)的漲水過程，即所謂