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1、第6章 地表水资源的计算与评价,6.1 概述,6.1.1 水资源的分类,(1)水资源的形成条件,-地表水-土壤水-地下水,三者之间的相互转化,称为”三水转化”,6.1.2 基本概念,(1)越流补给:由下层含水层通过粘土层补给上层含水层的现象,(3)地下径流(河川基流):地下水主要来自下渗水量。下渗水量渗到土壤的饱和层后，抬高了潜水的水位。渗流经过相当长的时间，通过潜水及深层地下水补给河道，即地下径流,(2)潜水:赋存于地表之下第一个稳定隔水层顶层之上,具有自由水面的含水层中的重力水,6.1.3 三水转化,水资源是通过大气循环再生的动态资源.目前国内外均以本地降水所产生的地表、地下水总量定义为本
2、地水资源总量，而土壤水则暂尚未作为水资源的一部分对待。地表水和地下水通过包气带紧密联系,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),(1)一定时段的水量平衡方程式为:P=R+E+UG+E采+V,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),P-时段内的降水量;R-时段内的河川径流量;UG-时段内的地下潜流量;E-时段内的地下水净开采量;V-流域的蓄水变化,6.1.4 水资源量的计算方程,1.上游山丘区,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发
3、(EG),(2)山丘区地下水资源计算方程,-地下水资源的计算方程,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),-水资源总量的计算方程,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),地表水回渗补给(Q表补),侧排潜流补给(UG山),2.下游平原区,(1)地下水资源量的计算方程,(2)根据本地水资源的定义,平原区的水资源总量为:,降水(P),包气带,地下潜流(UG),河川基流(RG),饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),地表水回渗补给(Q表补),侧排潜
4、流补给(UG山),全流域,(1)多年平均水量平衡方程：,(2)地表水资源即河川径流量为：,降水(P),包气带,地下潜流(UG),河川基流(RG),饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),(4)全流域水资源总量为：,或,降水(P),包气带,饱和带,下渗(入渗),地表径流(RS),地表蒸散发(ES),潜水蒸发(EG),地表水回渗补给(Q表补),侧排潜流补给(UG山),6.2 降水分析,6.2.1 降水资料的收集与审查,(1)降水资料的来源 水文年鉴、水文资料、水文特征值统计,(2)原始资料的可靠程度分析,6.2.2 系列的代表性分析,样本的代表性是指样本对总体
5、的代表程度,(1)周期性分析 波谱分析、方差分析等 降水量时间序列的分析通常用低通滤波,(2)随机性分析 概率分析,(3)代表性分析的方法 长短序列统计参数对比法,6.2.3 系列的插补展延,地理插值法-直接移用相邻站同年或月降水量:站相近,气候、地形条件一直-降水量等值线法：地形复杂,(2)相关分析法 假相关 辗转相关,设计站X,参证站Y,参证站Z,6.2.4 图解配线法频率计算,6.2.5 年降水量统计参数等值线法,(1)目的:-研究年降水量年际变化的规律;-估算无资料地区各种指定频率的年降水量,(2)等值线合理性检查工作-气候、地形及其他地理条件等方面的检查-与相邻区的等值线是否能拼接-
6、与年径流量、年蒸发量等值线对照比较，用水量平衡的原理进行协调,6.2.6 降水量的时程变化分析,(1)年内变化-分析多年平均的年内分配-分析指定频率年份的年内分配典型年,(2)年际变化-统计参数-旱涝周期变化和连旱连涝统计,6.3 径流分析及设计年径流计算,(1)年径流量 年径流量是指在一个年度内，通过河流某一断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。它可用年平均流量、年径流总量、年径流深及年径流模数等特征值表示。,6.3.1 概述,(2)设计年径流量 设计年径流是指相应于某一设计频率的年径流量及其年内分配。设计频率需根据各用水部门的设计标准来确定。,(3)设计年径流量计算的任务 设计年径流的
7、计算任务是分析研究工程所在河段径流年际水量变化和年内水量分配的规律，在各种不同资料条件下预估未来径流的变化情势，为合理确定工程规模提供可靠的来水依据。,6.3.2 测站的选择与资料的统计,(1)测站的选择 选择代表性好、资料系列较长的区域代表站作为主要分析站，同时又要注意保证一定的站网密度,6.3.3 资料的审查,年径流资料的审查是水资源评价及水文水利计算的基础。年径流资料审查主要从资料的可靠性、一致性 和代表性三方面进行。,(1)资料的可靠性 主要是对原始资料可靠程度的鉴定，从资料的来源、资料的测验与整编方法等方面进行检查，并通过上下游、干支流水量平衡来检查是否合理。,(2)资料的一致性,年
8、径流计算所用的资料必须具有一致的成因基础。若设计流域的气候条件和下垫面因素是稳定的无明显变化，则其成因是一致的，否则资料的一致性就遭到破坏。例如，设计地点的上游修建了引水工程，使河流的年径流量减小。为保持资料的一致性，修建引水工程后的年份，应根据引水渠道观测或调查资料，对年径流资料进行还原计算。,6.3.4 有较短年径流系列时设计年径流频率分析计算,本法的关键是展延年径流系列的长度。方法的实质是寻求与设计断面径流有密切关系并有较长观测系列的参证变量，通过设计断面年径流与其参证变量的相关关系，将设计断面年径流系列适当地加以延长至规范要求的长度,（1）利用本站的水位资料延长年径流系列（2）利用上下
9、游站或邻近河流测站实测径流资料，延长设计断面的径流系列-相关分析法-面积比法,2.年径流系列的展延,径流是降水的产物。流域的年径流量与流域的年降水量往往有良好的相关关系。又因降水观测系列在许多情况下较径流观测系列长，因此降水系列常被用来作为延长径流系列的参证变量,（3）利用年降水资料延长设计断面的年径流系列,3.注意事项,利用参证变量延长设计断面的年径流系列时，应特别注意下列问题：(1)尽量避免远距离测验资料的辗转相关。(2)系列外延的幅度不宜过大，一般以控制在不超过实测系列的50为宜。,6.3.5 缺乏实测径流资料时设计年径流量的估算,在部分中小设计流域内，有时只有零星的径流观测资料，且无法
10、延长其系列，甚至完全没有径流观测资料，则只能利用一些间接的方法(参数等值线图法和水文比拟法)，对其设计径流量进行估算。采用这类方法的前提是设计流域所在的区域内，有水文特征值的综合分析成果，或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用,(1)年径流深均值等值线图的绘制方法,对于径流量来说，河流任一测流断面的径流量是由断面以上流域各点的径流汇集而成的，径流量不是该断面处的数值，而是流域的平均值。所以在绘制多年平均年径流深等值线图时，不应将数值点绘在测流断面处，而应将点绘在流域的形心处。,所谓流域形心，就是沿任意几个方向都能将流域面积划分成两等份的几条直线的交点。在山区，径流有随高程的增加而加大的
11、趋势，故常将数值点绘在流域平均高程处。,某地区多年平均年径流深等直线图,作用:推求缺乏实测径流资料的多年平均年径流量,(2)年径流深等值线的合理性检查,a.平面上的水量平衡检查 计算控制站以上集水面积的径流深R,要求R与实测系列的均值的相对误差不超过 5%b.垂直方向上的水量平衡检查 对降水量、径流量、陆面蒸发量的多年平均值等值线图对照检查c.等直线的细部检查,-年径流均值的估算,根据年径流深均值等值线图，可以查得设计流域年径流深的均值，然后乘以流域面积，即得设计流域的年径流量。如果设计流域内通过多条年径流深等值线，可以用面积加权法推求流域的平均径流深,式中:R-流域平均径流深,mm Ri-分
12、块面积的平均径流深 Ai-分块面积,km2,面积加权法求流域平均径流深(单位:mm),1.参数等值线图法,在小流域中，流域内通过的等值线很少，甚至没有一条等值线通过，可按通过流域重心的直线距离比例内插法，计算流域平均径流深,-年径流均值的估算,1.参数等值线图法,-年径流Cv值的估算,年径流深的Cv值，也有等值线图可供查算，方法与年径流均值估算方法类似，即按比例内插出流域重心的Cv值就可以了,-年径流Cs值的估算,年径流的Cs值，一般采用Cv的倍比。按照规范规定，一般可采用Cs2-3Cv。,在确定了年径流的均值、Cv，Cs后，便可借助于查用P-型频率曲线表，绘制出年径流的频率曲线，确定设计频率
13、的年径流值。,1.参数等值线图法,2.水文比拟法,水文比拟法是无资料流域移置(经过修正)水文相似区内相似流域的实测水文特征的常用方法，特别适用于年径流的分析估算。,、-分别表示设计流域和参证流域的年径流量,K1、K2-分别表示流域面积、年降水量的参数,6.3.6 设计年径流的年内分配,设计年径流量:符合一定设计标准（设计保证率）的年径流量及其年内分配称为设计年径流量,保证率:供水工程正常工作时间与工程运行时间的比值,即相应年份的频率,设计保证率:在工程设计过程中,根据来水、用水的性质、结构、工程的大致规模等，参考水利水电工程设计规范选定的保证率。又称为供水工程的设计标准,（）当WWoW时，水资
14、源有余，工程供水量有余 WWoW，水资源有余，工程供水量恰好满足需水,（）当WW时，可供水资源量取决于Wo和WWW,需水得不到满足，供水量取决于Wo和W,（）W=W的年份所对应的频率，是在该供需条件下可能达到的最高保证率，相应的工程规模也达极限,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,100,90,80,70,年径流量(mm),图4-4 表示某站年径流量概率分布,F(x),1.典型年的选择,首先,按水量相近的条件选出几个典型年,即选取年径量或时段径流量与设计值相近的年份。其次,选择对工程较为不利的年份 因为在典型年中水量相同的年份可能不止一个，为了安全起见，应从中选取在年内分配对工程不利的作为
15、代表年。,(1)设计代表年法,6.3.6.1设计年径流量的年内分配,设计代表年法常用于水电工程,而较少用于灌溉工程。这是因为灌溉用水与气象资料有关,作物需水量大小,取决于当年蒸发情况。所以灌溉工程选出典型年（选择原则与设计代表年发的相同）后，直接用其年径流量和年内分配作为设计年径流量与年内分配。,(2)实际代表年法 在典型枯水年中，根据代表年选择原则，主要考虑年径流量接近于设计年径流量的实际年份作为代表年。用其径流年内分配不作缩放就作为设计年径流的年内分配。,2.典型年内分配的缩放,(1)同倍比法,-先确定控制时段-求出控制时段内的设计径流量与典型年同时段径流量之比值KT-用KT分别去乘典型年
16、各月的径流量,得设计年径流量的年内分配,通过附表2(P、Cv和Kp三者的关系)查Kp（模比系数）是非常关键的一步,2.同频率法,-分别对年和供水期的径流量进行频率计算求出相应于设计保证率的年径流量W年,P和供水期径流量W供,P-选择年径流量和供水期径流量都与设计值相近且对工程不利的年份作为典型年,K供-供水期径流缩放倍比值，K年，供-年中除供水期外其余各月径流的缩放倍比值W年，D、W供，D-典型年的年径流量和供水期径流量W年，P、W供，P-设计年的年径流量和供水期径流量,2、某流域多年平均径流深等值线图如图6-11所示，该流域的多年平均年径流深y0为_。a、y0=y03；b、y0=y02；c、
17、y0=y01；d、y0=1/2(y01+y03),1、用多年平均年径流深等值线图求小流域的多年平均年径流时，其值等于_。a、该流域出口处等值线值；b、该流域重心处等值线值；c、以上二值的平均值；d、该流域离出口处最远点的等值线值,选择题,图6-11径流深等值线图,4、设计年径流量随设计频率 _。a、增大而减小；b、增大而增大；c、增大而不变；d、减小而不变。,5、某流域根据实测年径流系列资料，经频率分析计算（配线）确定的频率曲线如图6-12所示，则推求出的二十年一遇的设计枯水年的年径流量为 _。a、Q1 b、Q2 c、Q3 d、Q4,图6-12某流域年径流频率曲线,3、在设计年径流的分析计算中
18、，把短系列资料展延成长系列资料的目的是_。a、增加系列的可靠性；b、增加系列的一致性；c、增加系列的代表性；d、考虑安全。,1、参证变量与设计断面径流量的相关系数愈大，说明两者在成因上的关系愈密切。,2、在设计年径流分析计算中，若已知年径流频率曲线便可推求符合某一设计保证率的年径流量及年内分配过程。,判断正误,3、设计年径流的计算中，设计频率愈大其相应的设计年径流量就愈大。,6.4 蒸发分析,6.4.1 水面蒸发,据估计，我国降水量的57%通过蒸发消耗掉了，淮河流域达37%，海河流域高达84%。,（1）蒸发的年际变化特点：年际变化较小（年水面蒸发的Cv值一般小于0.15）一般而言，10a以上的
19、资料即能满足分析要求,（2）蒸发的地区差异 水面蒸发量随着高程的增加而,减小,山区的比平原区的,小,水土流失严重、植被稀疏、干旱、高温地区的,较大,6.4.2 蒸发能力和干旱指数,(1)蒸发能力(Ep):在一定的气象条件下,充分湿润的陆地表面可能最大蒸发量,(2)干旱指数(干燥度r):年蒸发能力与年降水量之比Ep/P,当r1时,偏于干旱,r越大越干旱,6.4.3 陆面蒸发,陆面蒸发(流域的实际蒸发E),即流域内土壤和水体蒸发以及植被蒸腾散发的总和,(1)陆面蒸发量的计算,-水量平衡估算法 陆面蒸发量等于流域的年降水量减去年径流量,-解析法(布迪科法)联解月水量平衡方程和蒸发与土壤湿度的经验公式
20、,6.4.3 陆面蒸发,解析法的思路:,P=E+R+W=E+R+(W2-W1)(6-27),式中：W1、W2-土壤水分变化层月末、月初的含水量，W=1/2(W1+W2),E=Ep(WW0)(6-28a),(WW0)(6-28b),解（6-27）和（6-28a）得：W2=W1+P-R-Ep(6-29a),6.4.3 陆面蒸发,解析法的过程:,已知逐月的Ep、P、R,（）经验方法确定各月的W0和各月的Ep；（）假设1a中正气温第一个月月初土壤含水量W1；（）用式（b）计算W2,如果（W1+W2）W0,以计算的W2作为下一个月的W1,反之，则改用式（a）进行计算W2，如此逐月计算下去，得到各月的E.
21、（）计算至正气温最后一个月的W2，若恰好等于假设的第一个正气温月份的W1,则计算有效，否则，重新假设W1，再进行上述计算,前提假设:1m原表土层土壤的湿度在负气温时期不发生变化,6.4.等值线的协调,从理论上讲，在同一地点,、应满足,目的:保证P、R、E等直线的精度,但是,精度要求：在平原区，与当地P之比，山区则,6.5 泥沙分析,水中含沙,降低了水资源的利用率,泥沙淤积水库、渠道、河道，影响水利工程的正常运行，甚至危机这些工程的寿命，含沙量的多少还反映出产沙区水土流失等情况,6.5.1 资料的收集和选用,泥沙系列 一般只要10a以上即可,(2)泥沙来源 流域表面侵蚀、河段内水流的冲刷、少量的
22、风沙降落,(3)流域产沙模型,式中:W-流域的年输沙量;A-反映流域产沙量的下垫面因素的影响参数,与流域特性、流域坡度等有关;M-降水指标 n-降水指标指数，反映降水指标年际变化对产沙的影响，n越大年际变化越剧烈,其中:M=aK1+bK30+cK汛 A=CfnFJm,6.5.2 统计参数的计算与等值线的绘制,(1)悬移质分析,(2)推移质分析 资料缺乏时,常用比值法估算多年平均推移质年输沙量Wb,(3)等值线的绘制 泥沙的地区分布规律,多用多年平均年侵蚀模数、多年平均含沙量、Cv等值线描述 侵蚀模数:流域单位面积侵蚀土壤的数量,6.5.3 悬移质年输沙量的年内分配,目的：确保水利工程规划设计和
23、运行的合理,表示方法:悬移质输沙量的年内分配用各月输沙量占全年输沙量的比表示,在选择典型年时不能仅仅考虑年输沙量的大小,还要注意产沙特性,6.6 区域地表水资源,6.6.1 区域地表水资源的估算,6.6.1.1 径流系列的还原,在进行地表水资源计算时,应将年径流量系列向现状条件还原,然后进行分析计算.,1.确定现状条件代表期2.地表水资源估算,一.山区地表水资源估算,区域地表水资源估算的主要内容有区域面积的确定,区域年径流系列的组成及统计参数的计算等.,现状条件代表期分区径流量是在单站年径流量还原计算的基础上,根据分区水文站网分布等情况,分别采用不同的方法进行计算,2.地表水资源估算,(1)单
24、站年径流量还原计算 当有单站实测年径流资料时,可采用分项还原法进行还原水量的调查和估算.单站年径流量为实测年径流量与分项还原水量之和,(2)分区年径流量还原计算,-面积比法（面积加权）上、下游自然地理条件较一致，且有一个或几个代表性较好的水文站控制本区域的大部分面积,可按面积比求出历年的年径流量,组成年径流系列.,-降水量加权计算法 仅有一个控制站，且上下游降水差别较大,下垫面却相差不多.,Wab-全区或某年的径流量Wa-控制站以上实测的年径流量Pa、Pb-控制站以上和以下面积内的平均年降水量fa、fb-控制站以上和以下集水面积,6.6.1.1 径流系列的组成,-降水径流关系法 区域内的水文站
25、控制面积很小，或区域由几个独立的水系组成，仅个别水系有水文站,则借助于相似流域的降水径流关系,用计算区逐年的面降水量推求地表水资源量系列,-等值线法 区域内无控制站，降水缺乏。-在年径流量均值等直线上查算区域的均值-邻近地区相似流域的实测资料修正后移用（水文比拟法）,年径流深小于5mm时,一般不再估算地表水资源,二.平原区地表水资源估算,建立以地下水埋深为参数的平原区综合降水径流关系,来进行平原区地表水资源量的计算,首先,计算分区面平均年降水量(或时段降水量),以相应年6月面平均地下水埋深h6月作参数其次,从降水量径流关系图上查算出逐年平原区地表水资源量,(1)降水径流关系法(以地下水埋深作参
26、数),按照流域不同的下垫面(水田产流、旱地产流、水面产流、城镇及不透水层产流)分别采用不同的产流法,(2)模型法,6.6.1.2 山丘区的地表水资源分析,自然条件下,山丘区的河川径流R(RS+RG)通常就是总水资源(闭合流域,UG=0),地表水资源既地表径流量RS,(1)降水资料插补展延河川径流,-R、RS、RG均可用年降水量P插补展延系列 R-P、RS-P的关系均可以用以下数学模型拟合 R=AeBp式中：A、B-经验性参数；e-自然对数的底,-对原系列进行转换,(1)降水资料插补展延河川径流,RG系列按递减顺序排列，RGi(1,2,n)称为原系列，对应的经验频率为Pi引进常数A,使ARG1,令新系列RGi=A-RGi,Pi=1-Pi对新系列进行分析，得统计参数、，则先按（1-P）在新系列的频率曲线上得到相应值RG（1-p），再按RGp=A-RG(1-p)计算RGp,6.6.1.3 区域地表水资源的汇总,水资源分区示意,参考文献:(1)郎洪钢,河北省地表水资源计算方法和成果分析,海河水利,2003(5):30-33（2）耿玉琴，平原河网地区地表水资源量估算方法探讨，海河水利，2003（5）：33-34,
