水文学年径流及洪枯径流

第4章年径流及洪、枯径流第二节设计年径流量在一定时段内，通过河流某断面的累积水量称为径流量W（m3）；也可以用时段平均流量Q（m3/s）或流域径流深R（mm）来表示。径流量与流量之间的关系：年径流（△T=年）季径流（△T=季）月径流（△T=月）TQW一、径流特性1.径流季节分配丰水期和枯水期、汛期和非汛期2.径流的地区分布丰水带、少水带3.径流的周期性丰水期和枯水期交替出现（一年内）连续丰水年和连续枯水年交替出现二、年径流分析计算的目的和内容（一）目的：设计年径流是衡量过程规模和确定水资源利用程度的重要指标。设计保证率（p）：水资源利用工程的设计标准，反映了水资源的利用程度，即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。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）：分析枯水期和最小流量时用p=1-q（a）与（b）的年平均流量Q及需水量过程QR均相等而径流年内分配过程不同，所需库容也有差别（V’V）。如果有20年的年径流资料和用水资料，就可以求出20个大小不同的库容（V1、V2、V3、...、Vn），用多大的库容来设计水库呢？库容大，保证率高，投资大；库容小，投资少，但保证率低。（二）年径流分析计算的内容：1.基本资料信息的搜集和复查2.年径流频率分析计算3.提供设计年径流的时程分配4.枯水流量分析5.成果合理性检验有较长资料时设计年径流频率分析计算实测年径流系列不小于20年。一、资料“三性”审查可靠性测验和整编的正确性一致性资料是否来自同一气候、下垫面条件和同一测站。人类活动的影响最显著。（还原计算）代表性样本接近总体的程度，即样本系列的大小，一般系列越长，代表性越好。（插补展延）还原计算：W天然=W实测+W还原W还原=W农+W工+W城±⊿W库+W损±W引（注意：水库蓄水量的年变化值，蓄水量增加为正；跨流域引水量，引出为正）分析资料的代表性：（n年实测年径流系列、未来工程运行l年的年径流系列）1.进行年径流的周期性分析分析资料的丰水段（年组）、平水段、枯水段的分布。2.与更长系列参证变量进行比二、年径流的频率分析1.选择日历年、水文年度2.线型与参数估计一般是PⅢ型，但经过论证也可采用其他线型x、Cv用矩法估计，Cs=2～3Cv侧重考虑平、枯水年份年径流点群的趋势。3.其他注意事项（1）参数的定量应注意地区综合分析成果（2）历史枯水年径流的考证和引用三、成果的合理性分析短缺资料时设计年径流频率分析计算1.设计代表站只有短系列径流实测资料（n20）设法展延径流系列的长度。2.设计断面附近完全没有径流实测资料利用年径流统计参数的地理分布规律，间接地进行年径流估算。一、有较短年径流系列时设计年径流频率分析方法关键：展延年径流系列。方法：建立设计断面年径流与参证变量（有较长观测系列）的相关关系，来适当展延设计断面年径流系列至规范要求长度。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。参证变量应具备的条件：1.参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系；2.参证变量与设计断面径流量有较多的同步观测资料；3.参证变量的系列较长，并有较好的代表性；（一）利用本站的水位资料延长年径流系列水位——流量关系（二）利用上下游站或邻近站实测径流资料，延长设计断面的径流资料（缺少整年实测数据时，可考虑用月径流量相关）（三）利用年降雨资料延长设计断面的年径流系列利用降雨（具有较长的观测系列）与径流的良好关系。一般应用流域面平均雨量。（四）注意事项1.尽量避免远距离测验资料的辗转相关C参→C2→C1→C设2.系列外延的幅度不宜过大，一般控制在不超过实测系列的50%。二、缺乏实测径流资料时设计年径流的估算方法：间接方法估算设计径流量前提：设计流域所在区域内，有水文特征值（例如年径流深均值、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资利用。（一）参数等值线图法1.年径流均值的估算利用年径流深等值线图。（流域形心）niiniiiAARR11/ABOAR)700800(700KRAW2.年径流Cv值的估算查Cv值等值线，按比例内插流域重心的Cv值。3.年径流Cs值的估算Cs=2～3Cv年径流均值+Cv+Cs+PⅢ型曲线表，绘制年径流频率曲线，确定设计频率的年径流值。（二）水文比拟法用于无资料流域移置（经过修正）水文相似区内相似流域的实测水文特征要点：将参证站的径流特征值，经过适当修正后移用于设计断面。进行修正的参变量：流域面积修正参数K1和多年平均降雨量修正参数K2QKKQ21第三节设计年径流量的年内分配河川径流的时程分配，一般是按其各月的径流分配比来表示。一、代表年法按比例缩放代表年径流过程（一）代表年的选择（1）流量相近原则：选择与设计年径流量大小相近的年。（2）对工程不利的原则：比如供水期径流较小的年份。（3）根据丰平枯（如p=20%、50%、80%或p=25%、50%、75%）不同年份，以及不同的任务选择代表年。（二）年径流时程分配计算K=Wp/W实K=Qp/Q实用系数K遍乘代表年各月的实测径流过程，即得设计年径流的按月时程分配。二、虚拟年法三、全系列法四、水文比拟法设计年径流：Q90%=106m3/s，Q50%=152m3/s，Q10%=210m3/s代表年：1961～1962、1967～1968、1972～1973（枯水年90%）（丰水年10%）（平水年50%）缩放系数K：90%的枯水年：K=106/104=1.0250%的平水年：K=152/150=1.0110%的丰水年：K=210/200=1.05流量历时曲线的绘制流量历时曲线是累积径流发生时间的曲线，表示等于或超过某一流量的时间占全年的百分数第4节设计洪水一、问题的提出在河流上兴建水库，目的在于兴利除害。为了兴利（灌溉、发电等），需要设置一定的兴利库容，调节年、月径流，使之符合人们的要求。兴利库容的推求用上节讲的设计年径流过程。但水库单单有兴利库容是否就行了呢？为水利水库自身安全和下游防护区的安全，还必须设置一定的库容拦蓄洪水。设计洪水——拦洪库容——设计洪水位；校核洪水——调洪库容——校核洪水位;水库泄洪——泄洪建筑物；死水位Z死和死库容V死；正常蓄水位Z蓄和兴利库容V兴；防洪限制水位Z限和结合库容V结；防洪高水位Z防和防洪库容V防；设计洪水位Z设和拦洪库容V拦；校核洪水位Z校与调洪库容V调；水库总库容：V总=V死+V兴+V调-V结三峡工程，正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，100年一遇洪水位166.9m，设计洪水位（1000年一遇）175m，校核洪水位180.4m，坝顶高程185m。总库容393亿m3（175m以下），兴利库容165m3，防洪库容221.5m3，水库库面面积1084km2。二、设计洪水的涵义和设计标准水库防洪设计的依据。两类水库防洪问题：1.水库本身安全防洪问题，是确定在某一特大Q～t情况下，为了不使洪水漫溢坝顶造成毁坝灾害，所需要的坝顶高程等工程规模数据。如何设计调洪库容和泄洪建筑物？——水工建筑物的设计洪水2.下游地区防洪问题，一般是水库下游河道要求水库下泄流量不超过某一流量值。如何设计防洪库容？——防护对象的设计洪水。设计洪水定义：为解决各类防洪问题，所提供的作为规划设计依据的各种设计标准的洪水。如何选择水工建筑物的设计洪水，涉及一个标准问题，即设计标准。设计标准定得过高，工程投资增大而不经济，但工程比较安全；设计标准定得过低，工程造价降低，但工程遭受破坏的风险增大。确定设计标准是一个非常复杂的问题。我国：SDJ12-78《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）》GB50201-94《防洪标准》水工建筑物的防洪标准：正常运用标准——设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种标准的洪水来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。非常运用标准——校核洪水：确定水库的校核洪水位。这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏，次要建筑物允许损毁，但主要建筑物必须确保安全。防护对象的防洪标准：三、设计洪水计算的基本方法和内容1.我国推求设计洪水的发展（1）历史最大洪水加成法以历史上发生过的最大洪水再加上一个安全值作为设计洪水。缺点：①对未来洪水超过历史最大洪水的可能性考虑不足，降低了工程的安全程度；②对大小不同，重要性不同的工程采用同一个标准，显然不合理。（2）频率计算法以符合某一频率的洪水作为设计洪水，如百年一遇、千年一遇等。此法将洪水作为随机事件，根据概率理论由已发生的洪水来推估未来可能发生的符合某一频率标准的洪水作为设计洪水。此法克服了历史加成法存在的缺点，根据工程的重要性和工程规模选择不同的标准，适用面较宽，在我国水利、电力、交通设计中应用广泛。（3）水文气象法因频率计算缺乏成因概念，如果资料太短，用于推求稀遇洪水根据就很不足。且近年来，我国一再出现超标准的特大洪水，设计标准一再提高。水文气象法从物理成因入手，根据水文气象要素推求一个特定流域在现代气候条件下，可能发生的最大洪水作为设计洪水。2.设计洪水的内容设计洪水三要素：设计洪峰流量、设计洪量、设计洪水过程线对于桥梁、涵洞、调节性能小的水库，一般可只推求设计洪峰流量，如葛洲坝电站，其泄洪闸以设计洪峰流量控制（Qm=110000m3/s)。对于大型水库，调节性能高，可以洪量控制，即库容大小主要由洪水总量决定。如三峡水库，拦洪库容300.2亿m3。一般水库都以峰和量同时控制。四、资料审查“三性”审查：可靠性、一致性、代表性1.资料可靠性的审查与改正实测洪水资料：对测验和整编进行检查，重点放在观测与整编质量较差的年份。包括水位观测、流量测验、水位流量关系等。历史洪水资料：一是调查计算的洪峰流量可靠性；二是审查洪水发生的年份的准确性。2.资料一致性的审查与还原所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性（减少人为的干扰），和能与历史资料组成一个具有一致性的系列。例如上游建了比较大的水库，则应把建库后的资料通过水库调洪计算，修正为未建库条件下的洪水。3.资料代表性的审查与插补延长当洪水资料的频率分布能近似反映洪水的总体分布时，则认为具有代表性；否则，则认为缺乏代表性。实际工作中要求连续实测的洪水年数一般不少于20～30年，并有特大洪水加入。当实测洪水资料缺乏代表性时，应插补延长和补充历史特大洪水，使之满足代表性的要求。插补延长主要是采用相关分析的方法。五、样本选取河流上一年内要发生多次洪水，每次洪水具有不同历时的流量变化过程，如何从历年洪水系列资料中选取表征洪水特征值的样本，是洪水频率计算的首要问题。目前采用年最大值法选样：即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量，组成洪峰流量和洪量系列。固定时段一般采用1、3、5、7、15、30天。大流域，调洪能力大的工程，设计时段可以取得长些；小流域、调洪能力小的工程，可以取得短一些。T=1天T=5天T=3天t(d)Q(m3/s)QmW1W5W3在洪水资料审查中，样本的代表性要求洪水系列长20～30年，并有特大洪水加入。那么下面主要讲什么是特大洪水、为什么要加入特大洪水、加入特大洪水进入后如何进行处理等问题六、特大洪水的处理1.概述(1)什么是特大洪水?特大洪水是指实测系列和调查到的历史洪水中，比一般洪水大得多的稀遇洪水。历史上的一般洪水是没有文字记载和留下洪水痕迹,只有特大洪水才有文献记载和洪水痕迹可供查证,所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水.特大洪水可以发生在实测流量期间之内,也可以发生在实测流量期之外,前者称资料内特大洪水,后者称资料外特大洪水(历史特大洪水).历史调查期实测期QNQN资料内特大洪水资料外特大洪水(历史特大洪水)一般时，QN可以考虑作为特大洪水处理。2/QQKNN