1、水資源管理課程輔導（第四期）第6章 年徑流分析與計算21年徑流分析計算的目的和任務(wù)是什么？在一個年度中通過河流某個斷面的水量稱為該斷面以上流域的年徑流量。年徑流量可以用下面方式表示：年徑流總量（單位為萬m3或億m3）、年平均流量（單位為m3/s）、年徑流深（年徑流總量與流域面積的比值，單位為mm）、徑流模數(shù)（年平均流量與流域面積的比值，單位為 L/（skm2），即升/（秒平方公里）。年徑流量的多年平均值表明了某個斷面以上流域地面徑流的蘊藏量，它是重要的水文特征值，同時也是區(qū)域水資源的重要指標。除年徑流總量外，徑流在年內(nèi)分配的情況不同，對于國民經(jīng)濟各部門的用水和水利工程的修建也具有重要影響。因此

2、，通常所說的年徑流還包括徑流年內(nèi)分配的情況。即年徑流包括年徑流量和徑流年內(nèi)分配兩方面。年徑流分析計算的成果主要包括多年平均年徑流量（表明地面水資源的數(shù)量）和年徑流量頻率曲線（表明年徑流量的概率分布），以及不同典型情況（如枯水年、豐水年、中水年等）的徑流年內(nèi)分配。在水文分析計算和水利水電規(guī)劃計算中，因課題不同，掌握的資料不同，規(guī)劃設(shè)計的要求不同，有許多種計算方法。比如，前面已經(jīng)介紹了水資源估算的方法，下面要講到年徑流分析計算方法，以后面還要講到多種計算方法。在學習時應(yīng)當注意首先對計算的基本課題有一提綱挈領(lǐng)的認識，弄清楚各個方法究竟解決什么問題，這樣可以幫助大家更好地理解和掌握這些計算方法，同時避

3、免造成混淆。22影響年徑流的因素有哪些，流域下墊面條件發(fā)生明顯變化后，在水文分析計算中如何處理？進行年徑流分析計算的時候，要分析和掌握影響年徑流的因素，以及各因素對年徑流的影響狀況。徑流是自然界水循環(huán)的組成環(huán)節(jié)，影響年徑流的因素實際上就是影響流域產(chǎn)流和匯流的因素，這些因素可以概括為兩個方面。第一個方面是氣候因素，影響徑流的氣候因素主要是降水和蒸發(fā)。在濕潤地區(qū)，降雨量大，蒸發(fā)量相對較小，降雨對年徑流起決定性作用。在干旱地區(qū)，降水量小，蒸發(fā)量大，降水中的大部分消耗于蒸發(fā)，所以降水和蒸發(fā)均對年徑流有相當大的影響。影響年徑流第二方面的因素是流域的下墊面因素。流域的下墊面因素包括地形、地質(zhì)、土壤、植被，

4、流域中的湖泊、沼澤、濕地，以及流域大小、形狀等。下墊面因素可能直接對徑流產(chǎn)生影響，也可能通過影響氣候因素間接地影響流域的徑流。在下墊面因素中，流域地形主要通過影響氣候因素對年徑流發(fā)生影響。比如，山地對于水氣運動有阻滯和抬升作用，使山脈的迎風坡降水量和徑流量大于背風坡。植物覆被（如樹木、森林、草地、農(nóng)作物等）能阻滯地表水流，同時植物根系使地表土壤更容易透水，加大了水的下滲。植物還能截留降水，加大陸面蒸發(fā)。植被增加會使年際和年內(nèi)徑流差別減少，使徑流變化趨于平緩，使枯水徑流量增加。流域的土壤巖石狀況和地質(zhì)構(gòu)造對徑流下滲具有直接影響。如流域土壤巖石透水性強，降水下滲容易，會使地下水補給量加大，地面徑流

5、減少。同時因為土壤和透水層起到地下水庫的作用，會使徑流變化趨于平緩。當?shù)刭|(zhì)構(gòu)造裂隙發(fā)育，甚至有溶洞的時候，除了會使下滲量增大，還可能形成不閉合流域，并影響流域的年徑流量和年內(nèi)分配。流域大小和形狀也會影響年徑流。流域面積大，地面和地下徑流的調(diào)蓄作用強，而且由于大河的河槽下切深，地下水補給量大，加上流域內(nèi)部各部分徑流狀況不容易同步，使得大流域徑流年際和年內(nèi)差別比較小，徑流變化比較平緩。流域的形狀會影響匯流狀況，比如流域形狀狹長時，匯流時間長，相應(yīng)徑流過程線較為平緩，而支流呈扇形分布的河流，匯流時間短，相應(yīng)徑流過程線則比較陡峻。流域內(nèi)的湖泊和沼澤相當于天然水庫，具有調(diào)節(jié)徑流的作用，會使徑流過程的變化

6、趨于平緩。在干旱地區(qū)，會使蒸發(fā)量增大，徑流量減少。在估算區(qū)域水資源數(shù)量，進行年徑流分析計算時，還應(yīng)當充分注意人類活動對于徑流的影響。在課程的錄象教材中介紹過華北南部一個地區(qū)水資源系統(tǒng)變化的例子。實際上，在我國的許多地區(qū)，都有由于大規(guī)模人類活動，使流域下墊面條件發(fā)生了明顯變化的情況。在學習水文統(tǒng)計方法時已明確，按照概率的統(tǒng)計定義，當流域水資源形成的條件發(fā)生明顯變化時，如將發(fā)生變化前后的水文實測資料一起進行水文統(tǒng)計計算是不合理的。此時需進行水文資料的還原計算。還原計算的基本方法是對下墊面條件發(fā)生變化后的年徑流資料進行修正，使其還原到天然狀況。比如，當發(fā)生了因跨流域引水使流域內(nèi)水量增加或減少，因農(nóng)業(yè)

7、或工業(yè)、城鎮(zhèn)引水加大了流域水量消耗，因修建水庫調(diào)節(jié)徑流改變了徑流年內(nèi)或年際分布，因洪水期分洪改變了地面徑流過程，因長期超采地下水造成地下水位持續(xù)下降，改變了地表水和地下資源的產(chǎn)水條件等情況時，都應(yīng)當進行還原計算。還原計算時，對于年徑流量主要按照水量平衡關(guān)系進行還原。對于徑流年內(nèi)分配，可以按照水量平衡關(guān)系逐月或逐季度進行還原計算，求得徑流的年內(nèi)過程。也可以根據(jù)典型分析，確定修正年徑流量的年內(nèi)分配比率，并計算徑流的年內(nèi)過程。還原計算后，就可分析求得流域下墊面沒有發(fā)生明顯改變時的年徑流統(tǒng)計規(guī)律。顯然，進行還原計算的工作量是很大的。在我們的課程中未能對還原計算的方法作詳細介紹，但大家應(yīng)當有這方面的認識

8、和概念。23什么是水文資料的“三性”審查？在應(yīng)用各種水文實測資料進行分析計算時需先進行一步工作，即對資料進行“三性審查”。三性審查包括：可靠性審查排除資料中可能存在的錯誤；一致性審查審查水文現(xiàn)象影響因素是否一致；代表性審查審查資料對于水文變量總體的代表性。文字教材對年徑流資料三性審查的具體內(nèi)容和做法作了介紹。按照“樣本容量越大，抽樣誤差越小”的統(tǒng)計規(guī)律，為滿足代表性要求，對于年徑流分析計算，用徑流資料進行年徑流分析計算時，一般要求年徑流系列長度應(yīng)在20年以上，至少不少于15年。24年徑流分析計算的基本方法有哪幾類？按照掌握水文資料的不同情況，年徑流分析有不同方法。（1）具有較長期徑流實測資料時

9、的年徑流分析計算具有較長期徑流實測資料時，可直接對流量資料進行分析計算，得到年徑流分析計算成果。一般具有30年以上徑流實測資料時，可以認為是具有較長期徑流資料。為求得年徑流量的統(tǒng)計規(guī)律，可直接對年徑流量進行頻率分析計算，求得年徑流量頻率曲線，以及多年平均年徑流量和年徑流量的離勢系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs等統(tǒng)計參數(shù)。對年徑流量頻率分析計算后，對于計算成果還應(yīng)進行合理性分析，包括以下方面：1）均值成果檢查影響多年平均徑流深（或多年平均流量）的各因素中，氣候因素具有一定的地理分布規(guī)律。同時，上下游、干支流的流量和徑流量都具有一定的水量平衡關(guān)系。將計算所得的多年平均徑流深（或多年平均流量）和鄰近流域、上下

10、游的相比較，同時考慮下墊面及流域面積等因素的影響，如果發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果在地理分布和水量平衡關(guān)系上存在不合理的情況時，就應(yīng)對其原因作進一步分析，尤其應(yīng)當注意是否存在人類活動的影響。必要時，要對年徑流資料進行還原和修正。2）離勢系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs成果檢查影響徑流年際變化的氣候因素具有一定的地理分布規(guī)律，因而反映年徑流量變化狀況的離勢系數(shù)Cv也有一定的地理分布規(guī)律。同時，按照經(jīng)驗，偏態(tài)系數(shù)Cs與Cv的比值Cs/Cv也有一定的分區(qū)性。故可按照地理位置檢驗離勢系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs的合理性。但因Cv受下墊面因素影響較大，與均值相比，Cv和Cs表現(xiàn)出的地理分布規(guī)律性較弱。在濕潤地區(qū)，徑流與降水關(guān)系密切，年

11、徑流的Cv和Cs值與降水的Cv和Cs值在地區(qū)分布上應(yīng)有一致的規(guī)律，可按此檢驗?zāi)陱搅麟x勢系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs的合理性。進行年徑流分析計算時，除進行年徑流量的分析計算外，還需分析徑流年內(nèi)分配的規(guī)律。在水利水電工程規(guī)劃設(shè)計工作中，可能需要提供各種具有代表意義的年份（即設(shè)計代表年）的徑流年內(nèi)分配。設(shè)計代表年可采用典型年和實際年兩種形式。典型年可以是設(shè)計枯水、豐水、中水典型年，它們的年內(nèi)分配按照某一個實際發(fā)生的年份確定。在實際發(fā)生年確定后，可對其各個月的流量進行縮放，從而確定代表年徑流的年內(nèi)分配。對于農(nóng)業(yè)灌溉工程，因為灌溉用水受氣候因素影響較大，來水情況不同時，需水情況往往也不同，而灌溉用水過程又不便

12、于用放大的方式確定，故常同時采用實際年的來水和灌溉用水過程作為設(shè)計依據(jù)，即采用實際年作為代表年。采用實際年作為代表年時，代表年在對當?shù)貧v史上發(fā)生的旱情、災(zāi)情進行調(diào)查分析后確定。 如規(guī)劃設(shè)計工作需要對長系列水文資料進行計算時，可用經(jīng)過資料審查，滿足可靠性、一致性和代表性的實測水文年月徑流系列，代表工程未來運行期間年月徑流的變化過程。這種系列稱為設(shè)計年月徑流系列。（2）具有短期徑流實測資料或缺乏資料時的年徑流分析計算具有短期徑流實測資料時，年徑流分析計算的基本的方法是借助水文變量的相關(guān)關(guān)系，插補或者展延年月徑流系列。因掌握資料的情況不同，插補或展延年月徑流系列有不同方法。如可以利用參證站的年徑流資

13、料展延設(shè)計斷面的系列，可以利用參證站的月徑流資料展延設(shè)計斷面的系列。在濕潤地區(qū)（如我國長江以南地區(qū)），徑流主要受降雨影響，年降雨量與年徑流量有較好的相關(guān)關(guān)系，此時可由年降雨量展延年徑流量系列，也可由月徑流量展延設(shè)計站的年月徑流系列。需注意，月徑流和月降雨的時段比較短，影響因素較多，故月徑流、月降雨的相關(guān)點據(jù)一般比較散亂，在進行相關(guān)分析的時候，要進行一些必要的處理。進行中小水利工程規(guī)劃設(shè)計時候，還可能會遇到徑流資料系列太短又無法展延，或完全缺乏徑流資料的情況。此時，可采用等值線圖法求得年徑流量的均值及離勢系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)等統(tǒng)計參數(shù)，或移用參證流域的統(tǒng)計參數(shù)求得設(shè)計年徑流量，并按前述確定典型年年內(nèi)分

14、配的方法確定徑流的年內(nèi)分配。文字教材中，介紹了具有短期徑流實測資料和缺乏資料時年徑流分析計算的具體方法和注意事項，并且提供了例題。第7章 洪水分析計算25什么是洪水三要素，洪水分析計算的主要任務(wù)是什么？如前述，洪澇災(zāi)害、水資源不足、水污染是我國的三大水問題。1998年大水以后，雖然中央和地方都加大了防洪的投入，重點堤防的工程狀況有了比較大的改善，但從總體上來看，目前我國江河的防洪工程系統(tǒng)還沒有達到規(guī)劃標準，許多城市的防洪標準還很低，防治洪澇災(zāi)害是我們面臨的重大課題。另外，在當前水資源緊缺的形勢下，如何調(diào)蓄洪水，利用洪水的水量，變水害為水利，也具有重大意義。正因為這樣，洪水分析計算成為水資源管理

15、課程的重要內(nèi)容。洪峰流量、洪水總量以及洪水過程線可全面地描述洪水，稱為洪水的三個要素。洪水分析計算的主要任務(wù)，就是按照一定的標準，推求洪水的三要素，掌握洪水的規(guī)律。26什么是防洪標準，我國現(xiàn)行的防洪標準怎樣？為防治洪水災(zāi)害，需要采取工程措施和非工程措施。工程措施即修建各種防洪工程。非工程措施是指像防洪立法，推行防洪保險等的措施。在采取防洪措施的時候，必須以一定標準的洪水作為依據(jù)，這種依據(jù)稱為防洪標準。當采取一定的防洪措施時，采用的防洪標標準越高，防護地區(qū)受洪水危害的風險越小，但同時采取措施的投入就越大。由此可知防洪標準取得過高和過低都是不合理的。防洪標準應(yīng)依照國家有關(guān)規(guī)范，按照防洪工程和防護地

16、區(qū)的重要性確定。我國現(xiàn)行的防洪標準是從1995年1月開始實施的中華人民共和國國家標準防洪標準（GB 5020194）。文字教材的第7章和第15章對此規(guī)范作了比較詳細的介紹。概括地說，工程規(guī)劃設(shè)計中防洪設(shè)計標準分為兩類。第一類是保證水工建筑物自身安全的防洪設(shè)計標準，第二類是保障下游防護對象免除一定洪水災(zāi)害的防洪標準。水工建筑物的防洪標準又可以分為設(shè)計標準（對應(yīng)正常運用情況）和校核標準（對應(yīng)非常運用情況）。工程遇到設(shè)計標準洪水時應(yīng)能保證正常運用，遇到校核標準洪水時，主要建筑物不得發(fā)生破壞，但是允許部分次要建筑物損壞或失效。水工建筑物的設(shè)計標準洪水都是以某一個頻率的形式給出的，比如50年一遇洪水、百

17、年遇洪水等等。而校核標準洪水除以某一個頻率的形式給出外，對于土石壩，一旦其失事可能使下游造成特別重大損失時，對于級水工建筑物，還可能以可能最大洪水作為校核洪水（可能最大洪水是現(xiàn)代氣候條件下可能發(fā)生的最大洪水。采用可能最大洪水作為校核標準，實際上是要求工程做到萬無一失）。需注意，下游防洪對象的防洪標準不應(yīng)高于上游防洪工程建筑物的防洪標準，因這樣規(guī)定防洪標準實際上是沒有意義的（試想如上游防洪水庫已失事，下游防護對象如何保證安全？）。27推求設(shè)計洪水有哪幾種基本途徑？如前述，絕大多數(shù)情況下，設(shè)計洪水就是某一頻率的洪水。故推求設(shè)計洪水一般就是推求符合設(shè)計頻率的洪峰流量、洪水總量和洪水過程線。因掌握資料

18、的情況和工程規(guī)劃設(shè)計要求不同，推求設(shè)計洪水有不同途徑。當設(shè)計流域具有較長期的實測洪水資料，且具有歷史洪水調(diào)查和考證資料時，可直接由流量資料推求設(shè)計洪水。當流域具有較長期實測暴雨資料，而且有多次暴雨洪水對應(yīng)觀測資料，可以分析產(chǎn)流和匯流規(guī)律時，可由暴雨資料推求設(shè)計洪水。小流域往往既缺乏洪水資料，又缺乏暴雨資料，此時可采用推理公式法和地區(qū)經(jīng)驗公式等方法推求設(shè)計洪水。當采用可能最大洪水作為校核洪水時，需由可能最大降雨求得可能最大洪水，從而確定相應(yīng)的設(shè)計洪水（可能最大洪水的計算屬較專門的問題，在本課程中未作介紹）。28什么是特大洪水處理？洪水變量（如洪峰流量、洪水總量）的變化幅度遠比年徑流為大，使得我們

19、掌握的洪水變量系列中可能出現(xiàn)一些特大值?；蛘哒f洪水變量系列可能是不連序的（指序號上的不連續(xù)）。比如，在幾十年實測洪水資料中有幾個特大值，而這幾個特大值的重現(xiàn)期并不是幾十年，而是幾百年或者更長時間。又如，通過歷史洪水調(diào)查，確定了歷史上曾經(jīng)發(fā)生過的，重現(xiàn)期是幾百年或更長時間的特大洪水。以上情況下并不掌握介于特大洪水和實測一般洪水之間的洪水變量，需進行特大洪水處理。 特大洪水的處理主要是解決特大洪水經(jīng)驗頻率的計算方法問題。在文字教材中介紹了兩種頻率計算方法，在這兩種方法中，特大洪水的頻率計算公式實際上是相同的。對于一般洪水的頻率計算公式，望理解其假定和來源。29推求設(shè)計洪水過程線的基本方法是什么，洪

20、水過程線放大有哪兩類方法？推求設(shè)計洪水時要確定設(shè)計洪水過程線，亦即確定設(shè)計洪水的時程分配。目前，生產(chǎn)上一般采用放大典型洪水過程線的方法確定設(shè)計洪水過程線。進行洪水過程線放大通常采用兩種方法，即同倍比法和同頻率法。同倍比法較為簡單，可采用設(shè)計洪峰流量與典型洪峰流量的比值或某時段的設(shè)計洪量與典型洪量的比值對典型洪水過程線進行放大。但按此法進行放大后，不能保證設(shè)計洪水過程線各個時段的洪量或洪峰流量都與設(shè)計值相等。采用同頻率法放大典型洪水過程線時，對洪峰流量和各個時段的洪量采用不同倍比，使得放大以后的過程線洪峰流量以及各時段的洪量可分別等于設(shè)計洪峰流量和設(shè)計洪量值。這兩種放大典型過程線的方法在水文分析

21、計算中都是經(jīng)常采用的，需注意掌握。30什么是蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，如何對這兩種產(chǎn)流方式進行產(chǎn)流計算？在由暴雨資料推求設(shè)計洪水時，需對流域的產(chǎn)流和匯流分別進行分析計算。蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流均為流域產(chǎn)流計算所采用的模型。（1）蓄滿產(chǎn)流濕潤地區(qū)或者干旱地區(qū)的雨季，雨量充沛，地下水位較高，土壤通氣層較薄，而且通氣層下層常已達到田間持水量，通氣層上層的缺水容易被一次大雨所滿足。同時，濕潤地區(qū)往往植被良好，土壤下滲能力較強，在土壤沒有達到田間持水量以前，降雨強度不容易超過下滲能力，只有在流域降雨滿足了通氣層的缺水以后才能產(chǎn)生徑流。這種產(chǎn)流方式概化為蓄滿產(chǎn)流。粗略地說，蓄滿產(chǎn)流就是把產(chǎn)流概化為流域表層土壤的蓄水

22、得到滿足以后才產(chǎn)流。對流域的多次降雨徑流資料反復(fù)進行產(chǎn)流分析計算后，可得到流域蓄滿產(chǎn)流的降雨徑流相關(guān)圖。文字教材中的圖7.20即為降雨徑流相關(guān)圖。圖中，縱軸表示累計降雨量P，橫軸表示累計徑流量R。圖中的各條曲線是以流域的前期降雨量Pa為參數(shù)的降雨徑流相關(guān)線（前期影響雨量Pa表示了流域降雨以前的土壤蓄水情況）。當流域的前期影響雨量和設(shè)計暴雨確定后，即可運用降雨徑流相關(guān)圖求得一次降雨產(chǎn)生的徑流量（按照前期影響雨量和各個時段的降雨量，可由降雨徑流相關(guān)曲線查出相應(yīng)時段的徑流量，從而確定產(chǎn)流的徑流過程）。流域上的降雨，一部分損失了，只有一部分生成徑流，故在水文計算中又將流域產(chǎn)生的徑流稱為凈雨。相應(yīng)地，地

23、面徑流稱為地面凈雨，地下徑流稱為地下凈雨。為進行匯流計算，需對地面凈雨和地下凈雨進行劃分。因蓄滿產(chǎn)流開始后，降雨中的一部分以穩(wěn)定下滲的形式補充地下徑流，所以可按穩(wěn)定下滲率劃分地面凈雨和地下凈雨。文字教材中介紹了劃分凈雨的具體方法。（2）超滲產(chǎn)流干旱地區(qū)，或者濕潤地區(qū)的干旱季節(jié)，雨量稀少，地下水位低，通氣層厚，土壤缺水量很大，一般降雨不能滿足流域缺水量，也不產(chǎn)生徑流，只有當降雨強度超過下滲強度時才能形成地面徑流，這種產(chǎn)流方式概化為超滲產(chǎn)流。超滲產(chǎn)流可以粗略地說成，把產(chǎn)流概化為降雨強度超過下滲強度時流域才產(chǎn)流。對于超滲產(chǎn)流，可用初損后損法進行產(chǎn)流計算。初損后損法是一種簡化計算方法。該法將超滲產(chǎn)流的降雨損失分為兩個階段，產(chǎn)流開始以前的損失稱為初損，產(chǎn)流以后的損失稱為后損。如用表示后損的平均強度，則式中 P 一次降雨的降雨量；R 一次降雨產(chǎn)生的徑流量（凈雨量）；I0 初損；P0后損期內(nèi)不產(chǎn)流的降雨量（后損期間下滲水量）；tR后損歷時（后損小時數(shù)）。對流域的多次降雨徑流資料進行分析，可求出流域后損平均強度的平均值，并可將該平均值作為流域的后損平均強度。另外，可建立以月份為參數(shù)的前期影響雨量Pa 和初損I0 的關(guān)系