流域径流系数的计算方法研究

1流域地表径流系数的计算方法研究摘要：径流系数是描述降雨和径流关系的重要参数,在雨洪控制利用系统的理论研究、规划、设计计算中应用广泛,在流域或区域的雨水径流总量、径流峰流量、流量过程线以及非点源污染物总量、各设施规模的计算中也起着极其重要的作用。由于径流系数有着不同的含义,其相应的统计计算方法、适用条件、应用目的和取值不尽相同。而且要获得流域的径流系数通常是比较困难的，在一些特殊流域基本上很难获得能满足要求的径流实测资料，尤其在多年平均径流量的计算中实测数据资料往往相当缺乏，在这样的情况下有必要利用一些特殊的方法去满足工程建设对水文数据的需求。本文综合了大量的数据以及列举了多个例子，详细地介绍了不同情况下径流系数的推求方法，并在此基础上研究总结提出了过程中发现的一些问题和心得。关键词：流域径流量降雨量径流系数一引言流域径流系数是指同一流域面积、同一时段内径流量与降水量的比值，以小数或百分数表示。计算式为：α＝R/P，式中α为径流系数，R为径流深度，P为降水深度。α值变化于0～1之间，湿润地区α值大，干旱地区α值小。我国台湾地区河流年平均径流系数＞0.7，表明径流十分丰富；径流贫乏的海滦河平原，年平均径流系数仅有0.1。根据计算时段的不同，可分为瞬时雨量径流系数、雨量径流系数、年径流系数、多年平均径流系数等。径流系数综合反映流域内自然地理要素对降水─径流关系的影响。瞬时雨量径流系数是指某一特定的流域或汇水面上,降雨期间随时间变化的径流厚度和降雨厚度之间的瞬时变化关系,是一个动态的变量,这个意义上的径流系数就是瞬时雨量径流系数。雨量径流系数是指降雨时,在某一汇水面上产生的径流量(厚度)和降雨量(厚度)的比值,一般用于估计一场降雨在某一汇水区域内单位面积产生的平均径流厚度。年径流系数和多年平均径流系数反映了流域降雨厚度和径流厚度长时间的关系,是一个累积结果。在各种径流系数中应用较为广泛的是年径流系数和多年平均径流系数。径流系数的计算主要是要计算流域相应时间段内径流量与降雨量。二径流量的计算（一）年径流量的计算流域年降雨次数为n次，且每次降雨所产生的径流量均有实测数据资料，则流域的年径流量可按下式计算。Q=n1iQi（1）式中Q——流域年径流总量（mm）；Qi——第i次降雨产生的径流量（mm）。（二）多年平均径流量的计算1.有长期实测资料的多年平均径流量的计算所谓的有长期实测资料，是指实际观测的年数n在20年以上。它包括有丰、平、枯水年的观测资料，由它计算的径流量多年平均值基本上是稳定的。在这种情况下，可以由下式（2）计算径流量的多年平均值，以此值代表多年平均径流量，即：2Q平均=n1n1iQi（2）式中：Q平均——流域多年平均径流量（mm）；Qi——序列号为i的年份流域径流径流量（mm）。2．有短期实测资料的多年平均径流量的计算若实测系列长度小于20a，用上述方法计算误差会太大，为了提高计算的精度，保证计算结果的可靠性，就必须对实测径流系列进行相关展延，然后用上述方法计算。目前常用的方法有两种。（1）利用径流资料插补延展系列。该方法的关键是找到和流域自然地理条件相似的邻近的参照流域，且参照流域具有长序列实测年径流序列。利用相关分析验证研究区流域和参照流域是否具有相关关系，如果两流域相关关系密切，则可以用两者的相关趋势函数插补延展研究区的短期年径流量实测资料序列。当年径流量资料序列很短，不足以建立年相关时，也可以先建立月相关序列，插补延展月径流量，然后计算年径流量，但用月径流量相关来插补延展年径流量时，会使误差累积，精度较低。（2）利用降雨量资料插补延展序列。如果研究区的上下游或邻近地区找不到具有长序列的径流量资料的参照流域，而在研究区流域或邻近参照流域有较长序列的年降水量资料，则可以选择降水量作为参照变量与研究区短期实测径流量资料进行相关分析，如果两个序列之间相关关系密切，则可以利用较长实测年降水量资料进行插补延展研究区的径流量序列。如下表列举了贵州省大煤矿流域1967年到2004年的降雨量实测系列，而该流域只有1967年到1984年及1991年到2004年的实测径流序列，因此需要用降雨量序列插补延展1984年到1991年径流量序列序列。插补结果如下表。表1贵州省大煤矿流域多年雨量径流量数据年份雨量/mm径流深/mm年份雨量/mm径流深/mm1967~19681035.7846.81968~19691006.0470.31969~1970974.3457.91970~19711133.4532.71971~1972850.5399.71972~19731006.0470.31973~1974992.9466.71974~1975987.6464.21975~1976974.6458.11976~19771013.9476.51977~1978973.0457.31978~1979958.6450.51979~19801026.5482.51980~19811006.5473.11981~1982864.8406.51982~19831082.7508.91983~19841025.3481.91984~1985880.2413.51985~1986973.0457.01986~1987893.9419.91987~1988895.1420.51988~1989860.2404.11989~1990869.3408.41990~1991766.1360.01991~19921056.7496.61992~1993827.9389.11993~1994901.9423.91994~1995966.8454.41995~19961009.5474.51996~19971048.8492.91997~1998824.0387.31998~1999946.7444.92000~20011068.3502.12001~20021038.3488.02002~2003843.1396.32003~2004783.1368.13y=0.4691x+0.5978R2=0.9993350370390410430450470490510530550800900100011001200降雨量(mm)径流量(mm)图1径流量与降雨量相关曲线图3．无实测资料时河流径流量推求方法（1）等值线图法把相同数值的点连接起来的线叫等值线。某一流域的水文特征值的等值线图即可反映出该流域水文特征值的地理分布规律。闭合流域多年径流量的主要影响因素是气候因素，而气候因素有地区性，即降雨量与蒸发量具有地理分布规律，同理，受降雨量和蒸发量影响的多年平均年径流量也具有地理分布规律。因此可利用这一特点绘制多年平均年径流量的等值线图，并可以用它来推算无实测资料流域的多年平均年径流量。应用等值线图推求多年平均年径流深时，先在图上勾绘出研究流域的分水线，再找出流域的形心，而后根据等值线内插读出形心处的多年平均年径流深值。如果流域面积较大或地形复杂，等值线分布不均匀，也可用加权平均法推算，即：Y=（y1f1+y2f2+……+ynfn）/F（3）式中：y1——相邻两径流深等值线的平均值；f1——相邻两等值线间面积；F——流域总面积。（2）水位比拟法如前所述，水文现象具有地区性，如果某几个流域处在相似的自然地理条件下，则其水文现象具有相似的发生、发展、变化规律和相似变化特点。与研究流域有相似自然地理特征的流域称为相似流域（即参证流域）。水文比拟法就是以流域间的相似性为基础，将相似流域的水文资料移用至研究流域的一种简便方法。其中移用相似流域研究资料的方法较多，如选择相似流域的径流模数、径流深度、径流量、径流系数以及降水径流相关图等。但是，地球上不可能有两个流域完全一致，或多或少都存在一些差异，倘若相似流域与研究流域之间仅在个别因素上有些差异时，可以考虑不同的修正系数加以修正。若研究流域与相似流域的气象条件和下垫面因素基本相似，仅流域面积有所不同，这时只考虑面积的影响，则研究流域的正常年径流量有如下关系式：Q研/F研=Q相/F相。如果使用径流深或径流模数，则不需要修正即可使用。若两流域的年降水量有不同时，则Q研/P研=Q相/P相。4式中：P研和P相——分别为研究流域、相似流域的年降水量。（3）径流系数法当小流域内（或附近）有年降水量资料，且降水量与径流关系密切时，可利用多年平均降雨量与径流量间的定量关系计算年径流量，即利用年降雨量的多年平均值乘以径流系数推求多年平均径流量间的流量，可由下式计算之：W=1000×C×P×F（4）式中：W——多年平均径流总量，m；C该地区年径流系数，与研究区植被、地形，地质、主河道长度等因素有关，可通过调值并参考省、地《水文手册》确定；P——研究地区多年平均降雨量（mm），可从省、地区的《水文手册》查出，或向附近水文站、雨量站查询；F——研究流域的集水面积（km）。（4）水文查勘法对于完全没有资料，也找不到相似流域的小河或间歇性河流，此时可进行水文查勘，收集水文资料，进行正常年径流量的估算。这项任务一般是通过野外实地查勘访问，了解多年期间典型水位过程线，河道特性，建立水位流量关系曲线，从而推算出近似的流量过程线，并估算其正常年径流量。水文查勘工作，不仅对完全无资料的小河有必要，就是对有资料的水流域也是不可缺少的。（5）经验公式法经验公式都是根据各地实测资料分析得出的，这些径流公式一般可以在当地的《水文手册》中查得。如：Q=KFn（5）式中：Q——多年平均径流量（m3）；F——流域面积（km3）；K、n——分别为地区性参数，取值可查水文手册。三降水量的计算（一）一次降水过程中降水量的计算方法1．算术平均法算术平均法是将该流域各站测得的同期雨量相加后,除以总站数,即为流域面雨量。其数学表达式为:P平均=n1n1iPi（6）式中：n——总站数；Pi——为各站同期雨量（m）。2．等雨量线法根据流域内各测站实测的雨量资料绘出等雨量线,然后用求积仪或其它方法求各相邻两等雨量线间的面积,再分别乘以各相邻两等雨量线雨深的平均值,即得该面积上的降水总量。将各面积上的降水总量相加,除以全流域的总面积,即得流域的面雨量。用数学关系式表示为:P=A1n1i2PPi1-iai（7）式中：Pi-1，Pi——第i-1和第i条等雨量线代表的降雨量，i=1,2,3，…，n；ai——第i-1和第i条等雨量线之间的面积，i=1,2,3，…，n；A——总面积；5n——等雨量线的条数。表2邵阳地区2000年各站年降水量站名东经北纬降雨量/(°)/(°)/mm站名东经北纬降雨量/(°)/(°)/mm汪家田110.5826.521744.3武冈110.6026.721391.2鸦槎铺110.8026.751313.8武阳110.3226.731514.2瓦屋塘110.3326.931582.7红岩110.5026.901548.3高沙110.6826.971326.9黄桥110.8527.031369.2洗马110.4727.321768.0栗山界110.4527.151693.0长塘110.5227.131563.4金屋塘110.3527.071982.3金盆形110.4527.031658.7洞口110.5527.071541.5山门110.6827.231495.8苏家洞110.8027.321396.1匡家铺110.9327.531423.4隆回110.9827.131329.9枯桑111.0326.931276.6麻林110.6326.471623.6新宁110.8726.451599.4回龙寺111.1026.751264.2三门江111.2326.931425.8罗家庙111.2527.021333.7檀木塘111.8527.121223.6邵东111.7327.231301.1官桥铺111.6227.181292.2五丰铺111.4726.881429.9诸家亭111.5827.031284.9短陂桥111.5727.271330.5茅坪111.4727.23139