水文资料的分析与统计：水资源学基础知识

2023-11-05 理论教育版权反馈

【摘要】：水利工程的规划设计及运行管理，要求预估未来的水文情况，也即要求对径流的年内和年际变化给以数量上的分析，以保证工程技术措施的经济合理及安全，这就是研究径流情势的主要目的。这种持续的丰、枯水期过长，对国民经济来说是不利的水文情况，在工程规划设计和运行过程中要慎重考虑这一情况。在我国不少地区通过对大量历史资料的分析，在年径流的多年变化过程中，常有多水年群和少水年群交替出现的规律。

在水资源的分析研究中需要掌握一些水文规律，这些规律对研究水资源、水资源的开发利用是极其重要的，例如降水、径流、地下水、蒸发等时空变化的规律，只有掌握与水资源开发利用相关的水文规律，水资源开发利用的分析研究才有基础。

1.河川径流量的时序规律

现阶段多从大量实测资料中去探索河川年径流量的多年时序变化中间，是否存在着某种周期或准周期，但对其量值变化和发生时间、持续时间等则作为随机事件处理。

（1）径流形成过程：沿地面和地下运动着的水流，称为径流。径流是陆地上重要的水文现象，是水文循环和水量平衡的基本要素，是引起河流、湖泊、沼泽等陆地水体水情变化的直接因素，也是自然地理环境中最活跃的因素之一。

按径流存在的空间位置，可分为地表径流和地下径流。地表径流是指降水经蒸发、入渗等到消耗后的水量沿地表运动的水流。按其形成的水源条件，还可分为降雨径流，冰、雪融水径流。地下径流指降水所下渗的那一部分水量在地下运动着的水流。按其所属的地下水类型，可分为潜水径流和表层流。上述不同的径流汇集于河道，形成河川径流并向河流出口断面运动的过程，称为流域汇流。

径流计算的几种常用单位：

流量Q（m3/s）——瞬时流量（通常以s计）、日平均流量、月平均流量、年平均流量或多年平均流量等。月平均流量是一个月内逐日流量的算术平均值。年平均流量是一年内各月平均流量的算术平均值。或年内逐日流量的算术平均值。多年平均流量（Q0）是历年年平均流量的算术平均值。

径流总量W——以所计算时段内的秒数乘该时段内的平均流量Q，就得径流总量W（以亿m3 或km3 计）。通常用年径流总量计算。径流总量表示时段T 内通过河流某一断面的总水量。

径流深度Y——将计算时段内的径流总量平均分布于测站以上的整个流域面积上，所得到的水层深度（以mm计）。

（2）径流的年内变化和年际变化：径流情势是指径流在一年内和多年期间的变化情况。由于气候在年内变化有明显的周期规律，所以径流情势在年内也反映出洪枯水季节的交替规律。由于影响径流的因素很多，只要这些因素中的某一个因素发生变化，就会引起径流的变化。所以又造成了径流情势在一定周期内的不重复性的特点。水利工程的规划设计及运行管理，要求预估未来的水文情况，也即要求对径流的年内和年际变化给以数量上的分析，以保证工程技术措施的经济合理及安全，这就是研究径流情势的主要目的。

1）径流的年内变化：径流的年内变化又可称年内分配，可以理解为一年的总水量如何分配至各月。径流的年内分配常用年流量过程线来表示。

年内分配主要决定于气候因素和水源补给类型。由于各年的年内分配都不一样，究竟应该采用哪一年的年内分配来代表年径流的年内变化情况，这就要看工程的要求来具体分析了。如为了确定水库兴利库容的大小，就要采用某种特定条件下的年内分配过程，如为了灌溉，则须详细研究灌溉需水量最大的季节各月河流水量的分配才能提高灌溉的保证率。如为了发电则必须重点研究枯水季节各月河流来水量的分配。

用流量过程线表示径流的年内变化和过程线的时序，往往不采用日历年的时序，而采用水文年度的时序。水文年度一般是按照洪水期、枯水期在一年内的周期变化特点来划分的，它的开始是从稳定的地下补给转变为地面补给逐渐增加时起，至枯水期结束止的全年过程。但由于各年气候条件有所不同，枯水期和洪水期的交接日期可能有所变化，为此我国规定：长江及其以南地区的河流的水文年度一般从4月1日或5月1日开始，淮河流域及其以北河流包括华北及东北地区的河流从6月1日开始。水文年度的概念还可以理解为该年的降水所形成的径流基本上在本年度内流泄，这样水文年内的年降雨量和年径流量的相关关系就较为密切。

2）径流的年际变化：一条河流的水量随着气象条件的不同而年年有变化。也就是说径流不仅有年内变化，还存在着年际变化。

年径流可以指一年的总水量，通常以年平均流量表示；洪水径流指一年中的某一定历时的最大一次洪水流量；同样也可以指一年中的最小流量。(www.chuimin.cn)

年径流的年际变化情况，大体上与本地区年降水量的年际变化情况相符。我国东南沿海及华南一带由于年降水量的年际变化较小，因而年径流年际变化也较小。华北及内蒙古地区，降水量的年际变化大，因而年径流的年际变化也大。

影响径流年际变化的因素比较复杂，其年际变化规律是随机性变化。但如进一步分析研究，可以发现在逐年变化中有丰、枯年的准周期趋势，虽然周期出现的时间是不相等的，数量也不是重复的，即在周期性趋势下，偶然性也是很明显的。实测资料表示，连续丰枯周期趋势是径流年际变化的客观实际。如松花江的1900～1907年，1916～1927年两个枯水年组。黄河的1922～1932年枯水年组；长江的1898～1902年、1927～1929年、1939～1942年三个枯水年组。这种丰枯交替的年径流的变化有以下一些特点。

①丰枯水的持续性：各河流大都出现过较长时期的丰、枯水期。黄河曾出现过连续11年的枯水年组。实测资料表明，黄河以北河流丰、枯水持续性一般较南方河流为长。这种持续的丰、枯水期过长，对国民经济来说是不利的水文情况，在工程规划设计和运行过程中要慎重考虑这一情况。

②丰枯水变化的同步性：邻近流域，特别是中等河流，当气象条件一致时，年径流的多年变化存在着同步性。实测资料表明，这种同步性在稀遇的丰、枯水情况下，表现得更为显著，丰、枯越严重，涉及地区愈大。如河南“75.8”暴雨波及河南、湖北、安徽等省。我国南北河流有时同时出现丰、枯水情况。但也会出现南北各河在同一时间出现丰、枯相反情况，即习惯上有“南早北涝”、“南涝北早”的说法。

在我国不少地区通过对大量历史资料的分析，在年径流的多年变化过程中，常有多水年群和少水年群交替出现的规律。例如：由近50多年的实测资料表明，海滦河流域各河系具有丰、枯水段（或群、组）交替发生的现象。滦河及海河北系丰、枯变化比较频繁，丰、平、枯水段变化时段短。滦河滦县站近44年的实测系列大致可划分成丰、枯两大段，一个丰、枯变化段平均约20年。潮白河苏庄站55年的实测系列中大致可分为两个丰、枯段。即1922～1949年及1949～1972年。永定河官厅站55年实测系列中1925～1967年中具有丰、平、枯的各种情况，一个丰、枯变化段为43年。滹沱河黄壁庄站55年实测系列中有1938～1967年历时30年的丰水段，一个丰、枯变化段约为50年。漳河观台站55年的实测系列大致呈现为一个丰、枯变化段。

2.河川径流量的统计规律

水文现象有必然性的一面，也有随机性的一面。用数理统计的方法研究水文现象，是研究水文现象的随机性的一面，研究水文现象的随机规律。在分析降水量和河川径流量时，常用统计的方法，经常涉及三个参数：均值（X）、变差系数（Cv）和偏态系数（Cs）。

变差系数（Cv）：它是反映随机变量相对集中和离散程度的参数。

偏态系数（Cs）：它是反映随机系列在均值两侧对称或不对称程度的参数。

均值（X）：它是代表样本的水平，表示系列的平均状况。

例如研究河川的年径流、各月径流的统计规律时，要以观测的资料作为统计分析的样本，计算其均值、变差系数、偏态系数。

在对观测资料进行统计分析时，要选择统计分析样本即水文系列，水文系列一般地说是指水文时间序列。水文时间序列是指某种水文特征例如降水、径流等随时间而变的一系列观测值。水文系列的总体是无限的，但由于目前人类对水文现象进行连续使用仪器进行观测的时间有限，所得到的水文观测系列是有限的，将这有限的系列作为一种随机样本来看待，只能用样本来研究水文现象的统计规律。

由于观测到的径流资料是实际测到的径流量，对实测的径流需要进行径流还原计算。在人类活动影响大的地区，实测径流资料已不能反映天然情况，要把人类活动措施对河川径流的影响水量，计入实测径流中，使径流资料复原的分析计算，这个过程也称为径流资料还原。

在我国由于大部分的河流是多泥沙的河流，因此对泥沙问题要进行分析研究，其中有两个主要的指标：含沙量和年输沙量。含沙量是指每立方米中含有的沙量，年输沙量是指每年经过某一河流断面所通过的泥沙总量。

水文资料的分析与统计：水资源学基础知识

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