第五章 年径流及年输沙量的分析计算

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Q
设计年径流过程
典型年径流过程 T
水文资料的审查: “三性”审查—— 可靠性、一致性和代表性的审查。
可靠性审查—— 水位、流量测验有无差错；水位～
流量关系曲线的绘制；高、低水延长是否恰当；同一河 流的上、下游水量是否平衡。 一致性审查—— 资料是否来自相同的气候区、下垫 面条件和同一测站；人类活动的影响是否显著；否则进
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设计代表年径流量的年内分配计算： 问题的提出：虽然
Q
来水过程 用水过程
年径流量相同，但会有
不同的年内分配，将使 得V兴各不相同。又由于 库容大，投资大，保证 率高；库容小，投资少, 保证率却较低。因此， 必须进行年径流的年内 分配分析与计算。
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V兴 汛期 非汛期 T Z正
V兴
Z死 V死
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* 这里的保证率即是设计标准
设计保证率P—— 工程规划设计的既定目标不 被破坏的年数占运用年数的百分比，又称为工程 的设计标准，它反映了水资源的利用程度。 例如，灌溉设计保证率表示设计灌溉用水量全
部满足的年数占工程运用总年数的百分比。 破坏率q—— q＝1－P
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5.1.3 年径流分析计算的任务与方法
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5.2.3 人类活动对年径流的影响
人类在流域上进行的各种活动，通过改变下垫面性质而 影响年径流量。可以分为直接影响(南水北调、兴建水利工 程、大面积灌溉)和间接影响(植树造林、水土保持措施、土 地利用方式、城市化)。
5.2.4 影响径流年内分配的因素
取决于气候因素、天然的和人工的调节因素。
及年内分配的分析计算 当设计代表站实测年径流资料较短 n<30，或n>30 但系列不连续或代表性不够时，如何进行设计年径流
计算？
通过建立设计断面年径流与参证变量的相关关系，
适当插补、展延设计断面年径流系列至规范要求长
度。
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选择参证变量: 常用的参证变量—— 设计断面的水位、上下游测站或 邻近河流测站的径流量、流域的降雨量等。 参证变量应具备条件—— 参证变量与设计断面径流量 在成因上有密切关系；参证变量与设计断面径流量有较 长期的同步观测资料；参证变量的系列较长，并有较好 的代表性。
行一致性修正，即径流系列的还原计算。
*还原计算方法：一般采用降雨径流相关法和水量平
衡法，即
W天然＝W
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＋实测 W还原
其中
W还原＝W农灌＋W工业±W水库＋W损失±W引水±W分洪
代表性审查—— 样本的经验分布Fn(x)与总体的理论分 布F(x)接近程度，越接近，代表性越好；一般样本系列 越长，代表性也越好。
径流深R(mm)或年径流模数M(m3/s.km2)表示。
日历年：从每年的1月1日～12月31日为止。 水文年：根据水文变化规律对年进行划分，以每年汛
期开始到下一年的枯水期结束为止。
水利年：以兴利为目的对年进行划分，从每年水
库蓄水开始到下一年的水库放空水结束为止。
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季节性变化规律—— 年径流的周期性与峰、枯交替
流域平均蓄水容量，mm；其余符号同前。
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进行相关展延系列时必须注意的几个问题： 1）设计变量与参证变量平行观测资料不能太少，其项数 应在15～20项以上； 2）特殊点据的处理，需尽量避免辗转相关，即 C参→C2→C1→C设 3）应直接采用原始变量建立相关关系，避免假相关现象； 4）外延幅度不宜过大，如年径流量展延不得超过50％； 5）插补项数不得超过实测项数的一半。
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其中 t＝1月,3月,7月,年
注意：要求长时段的水量应包含短时段的水量，即 Q年D> Q7D> Q3D> Q1D 利用设计径流过程的缩放倍比系数Kt 遍乘代表年各月
的实测径流过程，即得设计年径流的年内时程分配。
QP(t)＝Kt QD(t)
见 p.112 算例
2பைடு நூலகம்/43
5.3.2 具有短期实测径流资料时设计年径流量
一般取Cs＝(3～4)Cv，并需注意特大或特小值的处
理。 3）设计年径流量的推求 （另见第7章）
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设计成果的合理性分析:
多年平均年径流量—— 地理分布规律(等值线)，
上、下游站和邻近站的比较水量平衡。
统计参数—— 如X、 Cv 、Cs值的合理性，应注意
与地区综合分析成果统一。
历史洪(枯)水年径流—— 考证和引用的依据。
参数(X、Cv、Cs)。如果短系列的代表性不高时，则应
当插补、展延系列。
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设计年、月径流量系列的选取： 丰、平、枯水年 代表段 有一个或几个完整的调节周期 流量系列的X、Cv、Cs与长系列相近 该代表段即为“设计年、月径流系列”，也称为长
系列操作法、时历法、综合法 或 长期年法。 p.109 例
差。
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利用降雨资料展延系列—— 利用流域内或邻近地区
具有较长的观测系列的降雨与径流的良好关系来延展，
即 P~R相关法。 一般地，年的P~R相关关系明显要好于月的P~R相关 关系。 利用确定性的降雨径流模型插补年、月径流—— R = P－E－(Wm－W0)
式中，Wm流域平均蓄水容量，mm；W0降雨开始时的
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5.4 缺乏实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算 设计流域缺乏实测资料，但所在区域内有水文特征值(年径 流深R、X、Cv、Cs等)的综合分析成果(等值线图)，或在水 文相似区内有径流系列较长的参证站可利用。
参证站的选择原则：
1）气候条件基本一致； 2）下垫面条件相近； 3）流域面积接近； 4）参证站径流资料具有代表性。 5.4.1 多年平均径流量的估算 两种方法：等值线图法和水文比拟法
5.1.2 工程规模与来水、用水、保证率的关系
丰、枯水年的来水和用水的矛盾决定了所需水库的
库容V 的大小。但是，当年水量相同时，年的径流年
内分配将影响库容的大小。
对于不同的年份，因来水与用水有不同的组合，
则各年所需的库容也不相同。如 p.105 图5 -1 V＝(QR－Q2)×T2
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如 (a)与(b)所示的不同来水过程Q1、Q2，所需库容也 有差别( V/＞V )。此外，来水量相等而径流年内分配过程 不同，所需库容不同。如果有20年的年径流资料和用水资 料，可以求出20个大小不同的库容(V1,V2, ..., Vn)，用多大 的库容来设计水库呢？ 考虑到工程规模大小与其投资的关系，因此必须分析 工程规模、来水、用水、保证率四者之间的关系。
《工程水文学》
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第5章 年径流及年输沙量的分析计算
5.1 概述
5.2 影响年径流量及年内分配的因素 5.3 具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的 分析计算 5.4 缺乏实测径流资料时设计年径流量及年内分配的 分析计算 5.5 多年平均年输沙量的估算
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5.1 概述
5.1.1 年径流的特性 在一个年度内，通过河流出口断面的水量称为年径 流。常用年平均流量Q(m3/s)、年径流量W(m3)、年
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多年平均年径流量等值线图法：
利用年径流及其统计参数具有地理分布规律进行地理
插值，检查计算成果的合理性，或估算无资料地区的设 计值。 绘制水文特征值等值线图的依据和条件： 分区性因素—— 气候因素
非分区性因素——
下垫面因素
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多年平均年径流深等值线图的绘制和使用：
出现，大致以一年为周期。丰水期(汛期)多水、水浑、 水灾；枯水期(非汛期)少水、水脏、干旱。 年际变化现象—— 丰水年组与枯水年组交替出现，
年径流极值比Q大/Q小较大。年际间的变化也很大。常
用模比系数K丰＝Q丰/Q平 和K枯＝Q丰/Q平 表示。 丰枯水年交替变化—— 在多年变化中有丰水年组和 枯水年组交替出现的现象。
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河流的年径流量具有持续性，逐年的径流量之间并
非独立，具有一定的相关关系。譬如：相邻年的年径 流量Qi～Qi+1相关，i＝1,2,…,n-1 年，其相关系数称 为自相关系数。 地区变化规律—— 年径流按多少分为丰水带、多水 带、过渡带、少水带、干枯带。我国的P、R由东南向 西北方向递减。
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代表年的选择原则：
1）流量相近 年份原则，选择与设计年径流量大小
相近的年；
2）对工程较不利 年份原则：如汛期流量大且供水
期径流较小的年份；
一般地，灌溉工程选需水径流比较枯的年份；水电
工程选枯水期较长且径流又较枯的年份。
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实际代表年法：
根据灌溉工程实际情况选择代表年，并按灌区作物需
用水量进行分配。该法多在灌溉工程规划中采用。
实际代表年。
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径流年内分配计算： 同倍比法—— 用年水量或供水期水量控制缩放倍比， 把设计年径流量按代表年的月径流过程进行分配。 缩放倍比系数
K＝Qp/QD
或
KT＝QTp/QTD
同频率法—— 各时段采用不同的缩放倍比，并使所求 的设计年内分配的各个时段径流量都符合设计频率。 缩放倍比系数 Kt＝QtP/QtD
代表性高低的判断采用长短系列对比法，即选择一个
代表性较好的长系列(参证变量)，将其统计参数与短系列 (设计变量)的统计参数作对比，若统计参数大体接近则认 为短系列在长系列中具有代表性。 见p. 109 例 换言之，参证变量代表性好，且与设计变量的气候和
下垫面条件相似，两者间应具有一定同期观测资料统计
目的：推求不同设计标准(或设计保证率)P的
年径流量QP(设计年径流)及其年内分配。它是
水利计算的依据，并作为衡量工程规模和确定
水资源利用程度的重要指标。 任务：根据水文现象的随机性质，应用数理 统计的原理和方法，通过对径流资料的统计分 析，估算指定频率的径流特征值。
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5.2 影响年径流量及年内分配的因素 从年为时段的流域水量平衡方程可知： R＝P－E＋Δu＋Δw 式中，Δu为流域蓄水量变化；Δw为流域间的交换水量(闭合 流域Δw＝0)，为下垫面因素。其中，P、E属于气候因素；R 随P增大而增大，随E增大而减少；E又与气温、湿度有关。 6.2.1 气候因素对年径流的影响 气温是影响径流的主要因子，属急变因素。 6.2.2 下垫面因素对年径流的影响 包括地理位置、地形、植被、土壤、地质、湖泊、沼泽、流 域大小等，它们从不同的角度影响径流(Δu、Δw)。
方法1—— 根据各干旱年的干旱程度，明确其排序位 置并确定其经验频率；再根据设计频率选定某一实际干
旱年作为代表年；采用该代表年的来水和用水过程规划
设计工程的规模。
方法2—— 通过灌溉用水量计算，求出每年的灌溉定
额，作频率分析并绘制出频率曲线，然后根据灌溉设计 保证率P查频率曲线得到设计灌溉定额，则对应年份为
径流量，并对该设计代表年的径流过程进行缩放，最后
得到设计的年径流过程线。
一般地，小型灌溉工程选枯水年为代表年；水电工程选 “丰－平－枯”(如p＝20%,50%,80%或p＝25%,50%,75%) 16/43三种代表年。
设计时段径流量的计算：
1）计算时期的确定
灌溉工程取灌溉期，水电工程取枯水期。 2）频率计算 按水利年历年逐月径流资料作频率适线，推求指定 频率的设计年径流量或设计时段径流量。
一般地，在汛期，主要是降雨影响径流；在枯季，流域
蓄水对径流的影响起主要作用。
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5.3 具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算
5.3.1具有实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算
所谓长期，指实测年径流系列不小于20～30年。 计算内容及步骤： 1) 年径流资料的搜集和审查，Q1，Q2，…, Qn； 2) 年径流频率分析计算，X、Cv、Cs 和 QP ； 3) 提供设计年径流的时程 分配将QP分配到各月，得到设 计年径流过程，如右图所示； 4) 进行成果合理性检验。
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相关法展延系列: 利用径流资料展延系列—— 利用本站的水位～流量关 系资料展延年径流系列；或利用设计站上下游站或邻近 站实测径流资料，展延设计断面的径流资料。 以月径流量相关展延年、月径流量系列—— 建立设 计站月径流与参证站月径流量的相关方程进行插补，但 精度较差。
一般地，枯期径流间相关关系较好，汛期相对较
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实际代表年年、月径流量的选取： 利用实际的干旱年 作为代表年进行年径流分配和调 节库容的计算，相应年份的年、月径流量就是实际代表 年的年、月径流量。
设计代表年年径流量及年内分配的计算：
Qp 的推求—— 选择水利年，利用P-Ⅲ型理论分布曲 线，用适线法进行频率计算，并侧重考虑丰、平、枯水
年份年径流点群的趋势，推求指定频率的设计代表年年