設(shè)計(jì)徑流分析及徑流隨機(jī)模擬

設(shè)計(jì)徑流分析及徑流隨機(jī)模擬第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1概述一、年徑流的變化特性

1.定義：在一個(gè)年度內(nèi)，通過(guò)河流出口斷面的水量，叫做該斷面以上流域的年徑流量。年度：在水文計(jì)算中多指水文年，而不是日歷年。所謂水文年是從每年雨季或融雪河水上漲的汛期開(kāi)始，到次年枯水期終了為止。但水文年鑒中是按日歷年統(tǒng)計(jì)的。T：一年的總時(shí)間（單位：s）W：一年內(nèi)的總徑流量（單位：m3）

2、水量表示法

(1）平均流量

QtWT第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（2）年徑流深：某斷面一年內(nèi)的徑流總量平鋪到斷面以上集水面積上所達(dá)到的深度(mm)。

R=W/(1000.A)A：斷面以上集水面積(單位：km2)

3、年徑流變化的特性（1）年際之間變化劇烈年徑流量年際之間的變化以隨機(jī)性為主，年與年之間差別較大。一般：第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）具有以年為周期的汛期和枯季交替變化規(guī)律

國(guó)內(nèi)主要河流，一般都由水量豐的汛期和水量少的枯水期這兩種水量組成，與一年之中的氣候相對(duì)應(yīng)，但各年汛期的起止時(shí)間、歷時(shí)、水量大小又都具有隨機(jī)性，并不是各年都一致。

長(zhǎng)江宜昌站2001-2002年月平均流量過(guò)程第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（3）連續(xù)的豐、枯水年組交替出現(xiàn)

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，即又表現(xiàn)出長(zhǎng)持續(xù)性變化的特點(diǎn)。長(zhǎng)江宜昌站年平均流量過(guò)程第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.影響年徑流的因素

分析影響年徑流的因素，可以從流域水量平衡方程著手，以年為時(shí)段的水量平衡方程為：R=P-E+Q+W受氣象因素影響受下墊面因素影響

R：年徑流深；

P：年降水量；

E：年蒸發(fā)量；Q：時(shí)段始末流域蓄水量變化量；W：時(shí)段內(nèi)與外流域的交換水量。PERW入W出第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

氣候因素的影響：年降水量、年蒸發(fā)量等

下墊面因素的影響：地形、地貌、土壤、植被、湖泊、流域大小及形態(tài)等人類活動(dòng)的影響：跨流域調(diào)水、修建水庫(kù)、土地利用、生產(chǎn)用水、生活用水、生態(tài)用水等。第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、工程規(guī)模與來(lái)水用水及保證率關(guān)系

水利工程的規(guī)模是由來(lái)水與用水矛盾的大小和希望解決矛盾的程度（即設(shè)計(jì)保證率）決定的。三、水文設(shè)計(jì)主要任務(wù)

本章的主要任務(wù)是分析研究年徑流的年際變化和年內(nèi)分配規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供“來(lái)水”依據(jù)。

主要步驟包括：

（1）選定保證率；（2）進(jìn)行時(shí)段徑流量的頻率計(jì)算；（3）選擇典型，進(jìn)行徑流量的年內(nèi)分配。按不同工程要求，又分為月分配、旬分配等。第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2具有長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算一、水文資料審查（“三性審查”）

1.資料可靠性審查

主要審查由于人為或天然原因造成的資料錯(cuò)誤或時(shí)空不合理現(xiàn)象。審查的具體內(nèi)容一般包括：

（1）水位資料的審查了解水位基準(zhǔn)面的情況，水尺零點(diǎn)高程有無(wú)變化，檢查施測(cè)斷面有無(wú)變動(dòng)。測(cè)站基面（凍結(jié)基面）絕對(duì)基面不同的高程系統(tǒng)：黃海、廢黃河、吳淞、珠江基面…1956年后，56黃?；妫?985年后，85黃海基面（又稱85國(guó)家高程基準(zhǔn)）。水準(zhǔn)基面第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(2)水位流量關(guān)系的審查水位流量關(guān)系的延長(zhǎng)方法；歷年水位流量關(guān)系的變化。

(3)水量平衡審查根據(jù)水量平衡原理，上游、區(qū)間和下游的水量應(yīng)平衡。原因：經(jīng)核查發(fā)現(xiàn)，江界河浮標(biāo)系數(shù)Kf采用的是0.85，而應(yīng)采用0.9-1.0。例：貴州烏江渡水量平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)：區(qū)間W區(qū)烏江渡江界河第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.一致性審查一致性審查的目的：為了使計(jì)算樣本服從同一總體。為什么要進(jìn)行資料的一致性審查？要求樣本：獨(dú)立（Independent）同分布（Identical

Distribution）目前國(guó)內(nèi)外：水文計(jì)算采用純隨機(jī)模型??！即樣本獨(dú)立隨機(jī)抽自同一總體。檢查資料是否一致？YesOk進(jìn)行資料一致性修正No第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不一致原因:上游修建水庫(kù)蓄水、泄水，改變了原天然徑流過(guò)程；大洪水情況下分洪或發(fā)生決口、潰堤。。。分析方法：水量平衡原理修正；降雨徑流相關(guān)法修正。。。第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.代表性審查

代表性是指樣本與總體接近的程度。

其它條件相同時(shí)，樣本容量越小，抽樣誤差愈大。提高樣本代表性的主要途徑是增加樣本容量。方法：①插補(bǔ)延長(zhǎng)；②歷史洪水調(diào)查；③古洪水探測(cè)。。。

有限樣本x1,x2,…,xn無(wú)限總體存在“抽樣誤差”

由于樣本總體未知，故樣本代表性的分析不能由自身來(lái)評(píng)判。可以根據(jù)參證站樣本的代表性來(lái)間接分析。參證站設(shè)計(jì)站nnN第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計(jì)年、月徑流量系列選取

設(shè)計(jì)年徑流是指相應(yīng)于設(shè)計(jì)頻率的年徑流量，設(shè)計(jì)年徑流在年內(nèi)各月(或旬)的分配稱設(shè)計(jì)年徑流的年內(nèi)分配。將年徑流量看作為簡(jiǎn)單獨(dú)立隨機(jī)變量，則實(shí)測(cè)年徑流量系列為年徑流量總體的一個(gè)隨機(jī)樣本，而未來(lái)工程運(yùn)行期間的年徑流量系列也是總體的一部分。因此，可以由以往n

年實(shí)測(cè)年徑流系列求得的分布函數(shù)（頻率曲線）推斷總體分布，并作為未來(lái)工程運(yùn)行期間年徑流量的分布函數(shù)。實(shí)測(cè)徑流系列經(jīng)過(guò)審查和分析后，再按照水利年構(gòu)成一個(gè)新的年、月徑流系列，并從中選出代表段的年月徑流系列。

豐水年、平水年、枯水年、一個(gè)或幾個(gè)完整的調(diào)節(jié)周期代表段包括代表段的年徑流均值、離散系數(shù)第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)際代表年的年、月徑流量

實(shí)際年法是從實(shí)測(cè)年、月徑流量系列中，選出一個(gè)或幾個(gè)實(shí)際年作為設(shè)計(jì)代表年，用其年徑流分配過(guò)程直接與相應(yīng)的用水過(guò)程相配合進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，求出調(diào)節(jié)庫(kù)容，確定工程規(guī)模。

方法形象、簡(jiǎn)單、方便、在灌溉工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)于水電工程，有時(shí)從實(shí)際資料中選出能代表豐水年、平水年、枯水年3種分配特性的實(shí)際年分別作為豐水年、平水年、枯水年的設(shè)計(jì)代表年。選擇的原則是設(shè)計(jì)代表年的各設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量盡量盡可能接近設(shè)計(jì)要求的徑流量；若其實(shí)段徑流量與設(shè)計(jì)要求相差較大時(shí)，不能采用此法。第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、設(shè)計(jì)代表年的年、月徑流量

上述方法雖然為解決長(zhǎng)期預(yù)估難題提供了一種途徑，但存在明顯不足的是：歷史事件只能以大致相似的情況出現(xiàn)，但決不會(huì)完全復(fù)制/重復(fù)。流域是一個(gè)高阻尼系統(tǒng)，徑流量受各種因素影響，其變化呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)性，故可以采用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究其變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為未來(lái)工程運(yùn)行期間徑流量做出預(yù)估。

上述以設(shè)計(jì)的年、月徑流量或?qū)嶋H代表年的年、月徑流量來(lái)預(yù)估工程運(yùn)行期間年、月徑流量變化是基于歷史上發(fā)生的事件在未來(lái)可能重現(xiàn)的概念，也就是以歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的徑流變化來(lái)預(yù)估未來(lái)徑流可能的變化。

第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)計(jì)代表年年徑流量及年內(nèi)分配的計(jì)算步驟：

1.設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量的計(jì)算

(1)計(jì)算時(shí)段的確定計(jì)算時(shí)段根據(jù)工程要求確定。灌溉工程取作物需水期作為計(jì)算時(shí)段；發(fā)電工程選枯水期和全年作為計(jì)算時(shí)段。

(2)頻率計(jì)算根據(jù)確定的計(jì)算時(shí)段統(tǒng)計(jì)時(shí)段徑流量(按水利年統(tǒng)計(jì))。對(duì)年徑流量系列或時(shí)段徑流量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，推求指定頻率的設(shè)計(jì)年徑流量或設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量。頻率曲線的線型采用皮爾遜（P-Ⅲ）型。參數(shù)采用目估適線法確定。參數(shù)初值可用矩法估計(jì)。第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

適線法是目前我國(guó)生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛采用的方法。（3）計(jì)算步驟①由矩法初估參數(shù)EX和Cv，Cs通常由地區(qū)上Cs/Cv的比值確定。年徑流頻率計(jì)算中Cs/Cv一般采用2～3。②樣本由大到小排列，由期望公式確定的各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)頻率。m——從大到小排隊(duì)的序號(hào)；

n——樣本容量。第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③在海森機(jī)率格紙上點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)。

第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P(％)0.010.112510205075…φQP

④由P-Ⅲ型理論曲線進(jìn)行適線。以矩法計(jì)算的EX、Cv和Cs為適線的初值。將此線畫(huà)在繪有經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的圖上，看與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配合的情況，若不理想，則修改參數(shù)(主要調(diào)整Cv以及Cs),再次進(jìn)行計(jì)算。第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

⑤根據(jù)頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的配合情況選定最終的頻率曲線。

相應(yīng)于該曲線的參數(shù)便看作是總體參數(shù)的估值。該曲線上指定頻率的設(shè)計(jì)值便是所要求的設(shè)計(jì)年徑流量或設(shè)計(jì)時(shí)段徑流量。

2.年徑流的年內(nèi)分配

在水文計(jì)算中，一般采用縮放代表年徑流過(guò)程線的方法來(lái)確定設(shè)計(jì)年徑流量的年內(nèi)分配。（1）代表年的選擇①水量相近原則選年徑流量與設(shè)計(jì)年徑流量相近的年份。②對(duì)工程不利原則對(duì)灌溉工程：選作物需水季節(jié)來(lái)水少的年份；對(duì)發(fā)電工程：選枯水季長(zhǎng)，枯季水少的年份。第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）徑流年時(shí)分配計(jì)算

常用的有同倍比法和同頻率法兩種。①同倍比法用設(shè)計(jì)年徑流量與代表年年徑流量的比值或設(shè)計(jì)的供水期水量與代表年的供水期水量的比值，對(duì)整個(gè)代表年的月徑流過(guò)程進(jìn)行縮放，得到設(shè)計(jì)年內(nèi)分配。②同頻率法同頻率法的基本思想是使所求的設(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，采用各時(shí)段不同的倍比縮放代表年的逐月徑流。第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①根據(jù)工程性質(zhì)選定幾個(gè)計(jì)算時(shí)段，如最小3個(gè)月、最小5個(gè)月、全年等；②進(jìn)行各時(shí)段水量的頻率計(jì)算，求得指定頻率的各時(shí)段徑流量Q3,P、Q5,P

、Q全年,P…③按水量相近和對(duì)工程不利的原則選取代表年，在代表年的逐月徑流量過(guò)程線上，統(tǒng)計(jì)最小3個(gè)月、最小5個(gè)月、最小7個(gè)月流量Q3,D、Q5,D

、Q全年,D

…，并要求短時(shí)段的水量包含在長(zhǎng)時(shí)段的水量之內(nèi)。④計(jì)算各時(shí)段的放大倍比。⑤

按各時(shí)段不同的倍比縮放代表年的逐月徑流同頻率法推求設(shè)計(jì)年徑流過(guò)程的步驟如下：第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月K3=1.06K5-3=0.844K12-5=0.858第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一般n＜20為短系列。與長(zhǎng)系列資料相比，計(jì)算方法相同。但之前必須多做一項(xiàng)工作——對(duì)資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。7.3有短期實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算

選擇參證變量的條件：

1）參證變量與設(shè)計(jì)站的年、月徑流在成因上有密切聯(lián)系；

2）參證變量與設(shè)計(jì)站的年、月徑流有一段相當(dāng)長(zhǎng)的平行觀測(cè)期；

3）參證變量必須具有足夠長(zhǎng)的實(shí)測(cè)系列。

在水文計(jì)算中，常用相關(guān)法來(lái)展延系列。即選擇參證變量，根據(jù)設(shè)計(jì)站年、月徑流與參證變量的同期觀測(cè)資料建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，然后利用較長(zhǎng)系列的參證資料通過(guò)相關(guān)關(guān)系來(lái)展延設(shè)計(jì)站的年、月徑流資料。第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月y參y設(shè)參證站設(shè)計(jì)站一、利用徑流資料展延系列

1.鄰近站徑流量相關(guān)法以上、下游站建相關(guān)關(guān)系為例：

(1)區(qū)間不大，則直接建立y設(shè)~y參關(guān)系第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)區(qū)間面積較大，y設(shè)~x參關(guān)系不好時(shí)，可加入?yún)^(qū)間的因素區(qū)間因素可以用區(qū)間年徑流量y區(qū)間或年降雨量x區(qū)間來(lái)表示。y區(qū)間y參y設(shè)y設(shè)y參x區(qū)間第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、利用降雨資料展延系列

一般對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)，徑流量y與降雨量x的關(guān)系較好；而干旱地區(qū)，蒸發(fā)量z的作用不可忽略，y與x的關(guān)系不好。當(dāng)資料充分時(shí)，可直接建立y年~x年關(guān)系。由于地區(qū)的不同，相關(guān)圖各有所異。如：濕潤(rùn)地區(qū)：相關(guān)關(guān)系較好干旱地區(qū)：要把z加入相關(guān)圖中

y年x年濕潤(rùn)地區(qū)x年y年z干旱地區(qū)第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.4缺乏實(shí)測(cè)徑流資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算

無(wú)資料情況下，一般采用等值線圖法或水文比擬法，直接估計(jì)年徑流量分布的參數(shù):均值、CV和CS，然后求某指定頻率下的設(shè)計(jì)年徑流量，再移用鄰近流域代表年的年徑流過(guò)程進(jìn)行時(shí)程分配。一、水文比擬法將參證流域的某一水文特征量移用到設(shè)計(jì)流域的方法。方法的關(guān)鍵在于選擇恰當(dāng)?shù)膮⒆C流域。所

選參證流域的氣候及下墊面條件要盡可能相似；有較長(zhǎng)的資料，以保證計(jì)算誤差小。

1.直接移置第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.修正移置當(dāng)參證流域與設(shè)計(jì)流域降水量差異明顯時(shí)，根據(jù)雨量進(jìn)行修正。二、參數(shù)等值線圖法

1.多年平均徑流深估算閉合流域的年徑流平衡方程為：

降水量和蒸發(fā)量具有地區(qū)分布規(guī)律，所以徑流深也具有地區(qū)分

布規(guī)律。隨地理坐標(biāo)不同發(fā)生連續(xù)均勻的變化。

2.直接將參證流域年徑流量Cv移用至設(shè)計(jì)流域,或根據(jù)參證流域年降雨量Cv與設(shè)計(jì)流域年降雨量Cv的比值進(jìn)行修正。第30頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.年徑流量CS可根據(jù)Cs/Cv的比值來(lái)確定。Cs/Cv查水文手冊(cè)得到，或取Cs=2Cv。

4.設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算

yP=y(1+CV

P)

其中，P可根據(jù)CS和P查