要推求各种频率的年径流量,只需估算年径流量分布的3个统计参数:正常径流量、CV和CS。因此,缺乏资料时推求设计年径流量,可归结为如何利用各种方法估算统计参数的问题。下面分别叙述估算三个统计参数的方法。
1.正常径流量(多年平均年径流量)的估算
(1)正常径流深等值线图法。水文特征值的等值线图是表示水文特征值的地理分布规律的。当影响某一水文特征值的因素主要是分区性因素时(如气候因素),则该特征值随地理坐标的不同而发生连续均匀的变化。利用这种特性就可以在地图上做出它的等值线图。反之,如影响特征值的主要是非分区性因素(如下垫面因素——流域面积、河床下切深度、湖泊、沼泽等),则特征值就不随地理坐标而连续变化,自然就无法做出等值线图了。对于同时受到非分区性和分区性两种因素影响的特征值,应当设法消除非分区性因素的影响,才能得出该特征值的地理分布规律,才能提高等值线图的精度。
影响闭合流域的多年平均年径流量的主要因素是气候因素——降水与蒸发。由于降水量和蒸发量具有地理分布规律,所以多年平均年径流量也具有这一规律。因此,可以绘制多年平均年径流量等值线图,或称正常径流量等值线图,并用它来推求缺乏资料地区多年平均年径流量。为了消去流域面积这一非分区性因素的影响,多年平均年径流量等值线图总是以径流深(mm)或径流模数[m3/s•km2]表示,而不以平均流量(m3/s)或径流总量(m3)表示。
绘制水文特征值(例如降水量、蒸发量等)的等值线图时,把各观测点的特征值在地图上标记出来,然后把相同数值的各点连成等值线,即构成该特征值的等值线图。
对于径流量来说,情况就不同了。任一测流断面的径流量(以深度或模数计)是由断面以上流域面积上各点的径流汇集而成。它不是测流断面处的数值,而是流域的平均值。所以,在绘制多年平均年径流量等值线图时,不能将它点绘在测流断面处,而应该点绘在多年平均年径流量最接近于流域平均值的那一点。显然,这一点的位置与流域内多年平均年径流量的分布情况有关。当多年平均年径流量在流域上缓和变化,例如大致呈线性变化时,则流域面积形心处的数值与流域平均值常十分接近。在实际工作中,一般即将多年平均年径流量值点绘在流域面积形心处。但在山区,径流量有随地理高程增加而增加的趋势,所以将多年平均年径流量值点绘在流域平均高程处更为恰当。
按上述原则,将各中等流域的多年平均年径流量(以深度或模数计)标记在该流域的形心或平均高程处,并考虑各种自然地理因素(特别是气候、地形)的特点,勾绘等值线,然后用大流域站的资料加以校核调整,并和多年平均降雨量等值线图对照,消除不合理现象,构成适当比例的图形,以便应用。
用等值线图推求无资料流域的多年平均年径流量时,须先在图上圈出设计断面以上的流域范围,然后定出流域面积的形心。若流域面积较小,且等值线分布均匀,通过形心处的等值线数值即可作为流域的多年平均年径流量。若无等值线通过形心,则以线性内插求得。如流域面积较大,或等值线的分布不均匀时,则采用各等值线间部分面积为权重的加权平均法来计算流域的多年平均年径流量。
对于中等流域,多年平均年径流等值线图有很大的实用意义,它的精度一般也较高。
对于小流域,等值线图的误差可能很大,实际应用时要加以修正。因为小流域一般属于非闭合流域,在影响流域多年平均年径流量的因素中,除了气候因素(分区性因素)以外,下垫面因素(如土壤特性、河槽下切深度、地下水埋藏深度等非分区性因素)常使多年平均年径流量随地区的变化变得极为复杂。各种变化在以中等流域(一般为闭合流域)资料为准而绘制的等值线图上是无法反映的。因此,对不能全部截获地下水的小流域,直接使用等值线图来推求多年平均年径流量时,一般将得到偏大的数值。但对湿润不足地区(干旱草原和沙漠),一般将得到偏小的数值。这是因为流域及河槽表面的蒸发和损失减少的缘故。因此,取自等值线图的径流值用于小河时,需根据具体情况适当加以修正,以使其反映实际的水文特性。
(2)水文比拟法。所谓水文比拟法就是将参证流域的某一水文特征量移用到设计流域来的一种方法。这种移用是基于设计流域影响径流的各项因素与参证流域的各项因素极为相似。很明显,使用水文比拟法时,最关键的问题在于选择恰当的参证流域。参证流域应具有长期观测资料,其主要影响因素应与设计流域接近。所谓主要影响因素,对不同的水文特征量有所差异,就多年平均年径流量而言,其主要影响因素对较大流域应该是气候条件;对于小地区是地面高程和坡面方位;对于干旱地区是河床的水文地质条件、土壤性质和河床下切深度等。在特殊地区,要注意特殊自然地理条件的影响。
当设计站与参证站处于同一河流上、下游,并且参证流域面积与设计流域面积相差不大,或者两站不在一条河流上,但气候与下垫面条件相似时,可以直接把参证流域的多年平均年径流深Y参移用过来,作为设计流域的多年平均年径流深Y设,即:
当两个流域面积相差较大,或气候与下垫面条件又有一定差异时,要将参证流域的多年平均流量Q参修正后再移用过来,即:
式中 KR——考虑不同因素影响时的修正系数。
如果只考虑面积不同的影响,则:
式中 F设、F参——设计流域与参证流域的面积,km2。
如果考虑设计流域与参证流域上的多年平均降雨量的不同,但径流系数接近时,其修正系数为
式中 H设、H参——设计流域及参证流域的多年平均年降雨量,mm,可以从水文手册中查得。(www.daowen.com)
2.年径流量变差系数的估算
当缺乏径流资料时,年径流量CV的估算通常应用下列几种方法:
(1)年径流量CV等值线图法。前面已经讲过,影响年径流量变化的因素主要是气候因素。在一定程度上,也可用等值线图来表示年径流量CV值在地区上的变化规律。因此,可以应用年径流量CV等值线图来估算无实测资料时流域年径流量的CV值。年径流量CV等值线图的绘制方法和使用方法,都与多年平均年径流量等值线图相似。应该指出,CV等值线图的精度一般较低,特别是用于小流域时,误差可能较大(一般偏小)。这是因为影响年径流量变化因素除气候因素外,还有一些非分区性的自然地理因素,后者在小流域上更为突出。从图上查出CV值后,有时尚需修正。修正时可以考虑下述几方面的情况:
1)山区的CV一般小于深丘区,更小于浅丘区。
2)流域土地利用率高,CV相应地大一些;反之则相应地小一些。
3)若流域多森林,一般植被良好,CV小一些;反之则大一些。
4)一般情况下,若流域面积大一些,CV相应小一些;反之则相应大一些。
(2)水文比拟法。在缺乏实测径流资料时,也可设法直接移用邻近测站的年径流量CV值。移用参证流域的年径流量CV值时要求满足下列条件:
1)两测站所控制的流域特征大致相似。
2)两流域属于同一气候区。
如果考虑影响径流的因素有差异时,可采用修正系数K,则设计流域年径流深变差系数为
式中 ——设计流域及参证流域年降雨量的变差系数,可从水文手册中查得;
——参证流域年径流深的变差系数,可从水文手册中查得。
【例5-5】渠江支流明月江明月潭站流域面积为650km2,年径流量CV为0.40,而岷江支流白沙河杨柳坪站流域面积为460km2,其年径流量CV却为0.14,两流域的CV值差别如此之大,即是由于流域特征和气候条件显著不同的缘故。因此,比拟法虽然简便,但必须仔细选择恰当的参证站,这在实际工作中务必注意。
3.年径流量偏态系数CS的估算
当缺乏实测径流资料时,年径流量CS值一般通过CS与CV的比值定出。根据水文比拟法可以将参证站CS与CV的比值直接移用或作适当的修正。在实际工作中,常采用CS=2CV。
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