长期实测资料的设计径流计算技术

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：4.2.1.2统计工的合理性分析设计径流成果的分析主要对径流系列均值、变差系数Cv和偏态系数Cs进行合理性审查，一般可借助于水量平衡原理和径流的地区分布规律进行。

4.2.1.1　径流频率计算

在水利工程规划设计阶段，当具有长期实测径流资料时，可以通过频率计算方法计算径流设计成果。

实测径流资料是设计径流计算的依据，它直接影响着工程设计精度，因此，对于使用的径流资料应进行可靠性、一致性、代表性审查。

径流计算应采用天然径流系列。当径流受人类活动影响较小或影响因素较稳定、径流形成条件基本一致时，径流计算也可采用实测系列。

径流的统计时段可根据设计要求选用年、期等。对水电工程，年径流量和枯水期径流量决定着发电效益，采用年或枯水期作为统计时段；而灌溉工程则要求灌溉期或灌溉期各月作为统计时段等。当统计时段确定后，就可根据历年逐月径流资料，统计时段径流量。若计算时段为年，则按水利年度统计年径流量。水利年度的起讫时间可能每年不同，一般按多年平均情况，以每年某月1日为固定起点。将实测年、月径流量按水利年度排列后，计算每一年度的年平均径流量，并按大小次序排列，即构成年径流量的计算序列。若选定的计算时段为特定分期，如最枯3个月（或其他时段），则根据历年逐月径流量资料，统计历年最枯3个月的径流量，不固定起讫时间，可以不受水利年度分界的限制。同样，把历年最枯3个月的径流量按大小次序排列，即构成计算序列。

设计年径流的计算步骤为：

（1）根据审查分析后的长期实测径流量资料，按工程要求确定计算时段，对各个时段的径流量进行频率计算，求出指定频率的各种时段的设计径流量值。

（2）在实测径流资料中，按一定的原则选取各种代表年。对于灌溉工程只选取枯水年为代表年；对于水电工程一般选取丰水、平水、枯水3个代表年。

（3）求设计时段径流量与代表年的时段径流的比值，对代表年的径流过程进行缩放，即得设计的年径流过程。

工程所在地正常的径流量，应是无限长样本的数学期望值。由于实测资料有限，若根据短期资料计算正常径流量，可能引起较大的误差，观测资料愈短，误差愈大。因此，我国水利水电工程水文计算规范对系列长度有明确的规定，其长度应不小于30年。误差的大小除受样本容量影响外，还随各年径流变化性质而定，径流的实际变化，通常用变差系数Cv值来表示其统计变化规律，它是径流量的主要统计特征，变差系数Cv愈大，正常径流量计算值的稳定性愈小，确定正常径流量所需的观测资料愈长。

为分析年径流量分配的不对称性，用Cs表示年径流量偏差系数。在n项连序径流系列中，按大小次序排列的第m项的经验频率pm，有实测或调查的特枯水年，应考证确定其重现期。

在实际工作中，我国学者根据实测水文资料经验分布的情况，选配各种不同概率分布线型进行模拟，并根据所选配的曲线与经验分布点据拟合的好坏程度，认为皮尔逊Ⅲ型曲线适用性强，基本满足径流频率计算要求。为统一设计标准，规范建议径流频率曲线的线型采用皮尔逊Ⅲ型，经分析论证，也可采用其他线型。

众所周知，P-Ⅲ型采用均值、变差系数Cv和偏态系数Cs表示。统计参数一般采用矩法等方法初估，然后用适线法调整确定。有关皮尔逊Ⅲ型的参数估计将在第5章设计洪水中详细叙述，其基本原理适用于径流频率计算。唯有在径流频率适线时，应在拟合点群趋势的基础上，侧重考虑平、枯水年的点据。

年径流频率计算中，Cs值用Cs／Cv值按具体配线情况而定，一般可采用2～3。

4.2.1.2　统计工的合理性分析

设计径流成果的分析主要对径流系列均值、变差系数Cv和偏态系数Cs进行合理性审查，一般可借助于水量平衡原理和径流的地区分布规律进行。

（1）多年平均径流量的检查。影响多年平均年径流量的主要因素是气候因素，而气候因素具有地区分布规律，所以多年平均年径流量也具有地区分布规律。将设计站与上下游站和邻近流域的多年平均径流量进行比较，便可以判断所得成果是否合理。若发生不合理现象，应查明原因，作进一步分析论证。

（2）年径流量变差系数Cv的检查。反映径流年际变化程度的年径流量Cv值也具有一定的地区分布规律，我国许多单位对一些流域绘有年径流量Cv等值线图，可以检查年径流量Cv值的合理性。但是，这些年径流量Cv等值线图，一般根据大中流域的资料绘制，对某些具有特殊下垫面条件的小流域年径流量Cv可能并不协调，在检查时应深入分析。一般来说，小流域的调蓄能力较小，它的年径流量变化比大流域大些。

（3）年径流量偏态系数的检查。可以利用Cs／Cv值的地理分布规律，来检查Cs的合理性。但Cs／Cv值是否具有地理分布规律还待进一步研究，尚无公认的适当方法，在我国一般可采用2～3。

4.2.1.3　设计年径流量的年内分配

根据资料条件和设计要求，可采用长系列或选用代表段、代表年的径流资料作为设计的依据。代表段的径流系列中应包括丰、平、枯水年，且其年径流的均值、变差系数应与长系列接近。代表年应选择测验精度较高的年份，其年、期的径流量应与设计径流量接近。年径流量年内分配形式不同，对工程设计的影响不同。因此，在求得设计年径流量或设计时段径流量后，还需根据径流分配特性和水利计算的要求，确定其年内分配。

在水文计算中，一般采用缩放代表年径流过程线的方法来确定径流量的年内分配。其方法是先从实测的历年径流过程线中选择代表年径流过程线，然后将设计时段径流量按代表年的月径流过程进行分配。

（1）代表年的选择。代表年的选择可按如下原则进行：

1）选择年径流量接近于设计年径流量的过程线。

2）选择对工程不利的过程线。

年径流量接近设计年径流量的实测径流过程线可能不止一条，这时，应选择其中较不利的，使工程设计偏于安全。究竟何种过程线较不利，往往要经过水利计算才能确定。一般来说，对于灌溉工程，选择灌溉需水季节径流比较枯的年份；对于水电工程，则选取枯水期较长，径流又较枯的年份。

（2）径流年内分配。径流年内分配有同倍比法和同频率法两种方法，分述如下：

1）同倍比法。常见的有按年水量控制和按供水期水量控制的两种同倍比法。用设计年水量与代表年的年水量比值或用设计的供水期水量与代表年的供水期水量之比值，即：

对整个代表年的径流过程进行缩放，即得到设计年内分配。

2）同频率法。同频率法就是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，可以采用各时段不同倍比缩放代表年的径流过程线，以获得同频率的年内分配。其计算的方法与原理与设计洪水放大基本一致（参见第5章）。