２０１７年第５期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—２４６９．２０１７．０５．０１５ 水利规划与设计 水文水资源 水文 匕拟法在计算河川径流量时的修正 周彦龙，刘 燕 （长安大学环境科学与工程学院，陕西西安７１００６４） 摘要：在水文比拟法计算径流量时，为了提高计算精度，保证成果的可靠性，使之能够更精确的反映出真实径流 量的大小，基于流域中影响因素的差异性，引入已知参数对水文比拟法进行一系列修正。由径流量的概念可知， 径流量指一定时段内河流通过某一断面的水量，而实际情况是流域河流中包含有泥沙和水两部分的含量，人们一 贯的把这部分泥沙含量理所当然的当作水来处理，从而不能客观的反映出径流量的大小，特别是在西北干旱多泥 沙流域。基于流域面积和降雨量差异性的修正，考虑悬移质泥沙的差异，引入参数对水文比拟法进行修正。经验 证，修正后计算精度可由１．４０％提高到１．Ｏ６％，从而更好的服务于生产实践。 关键词：水文比拟法；河川径流量；修正；泥沙 中图分类号：Ｐ３３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—２４６９（２０１７）０５—００４４—０３ 近年来，面对水资源短缺，水环境恶化，对各 个用水部门提出了更高的要求。而准确推求地表径 流量，是水资源评价、分配、调度和工程规划等的 基本依据，是推动国民经济发展的基本保障。《水 计流域上来的一种推求径流量的方法，称之为水文 比拟法。 此时认为设计流域与设计流域具有类似的气候 和自然地理条件。同时为了提高计算精度，保证计 利水电工程水文计算规范》对于具有长期实测径流 资料、短期实测径流资料和缺乏实测径流资料的年 径流量计算做了具体的规定。而就缺乏实测水文资 料年径流量的计算，常用到水文比拟法推求径流 量。考虑到流域面积、降水量、下垫面¨ 、雨量站 密度 等因素的差异性，引入已知参数，如流域面 积ｓ、降雨量 、径流系数ｏ、径流深日等对其进 行修正，可显著提高计算精度。其中 、Ｘ、ｎ，Ｈ 为参量，它们可以通过地形图，流域内历年实测资 算成果的可靠性，对两流域的影响因素进行分析， 并引入已知参数，对径流量计算公式进行修正，使 其达到更加精确的目的。 ２现用的水文比拟法 ２．１现用水文比拟法的介绍 水文比拟法计算设计流域径流量时，用武汉大 学编写的《工程水文及水利计算》一书中的计算 公式。 料统计，结合有关等值线图确定…，最终通过不同 移用多年平均流量时，考虑流域面积差异进行 修正的计算公式为： 一 — 的水文比拟公式推求未知流域的径流量。然而，我 国北方很多河流属多泥沙河流，泥沙对径流量的推 求十分重要，在以往的水文比拟法的研究中，未见 考虑河流泥沙而对水文比拟法进行修正。故本文拟 Ｑ设＝ｉ堡Ｑ参 参 （１） 考虑设计流域和参证流域多平均年降雨量的不 通过引入多年平均含沙量ｓ和泥沙的密度Ｐ，对已 有的水文比拟法公式进行修正，以期提高地表径流 分析计算的可靠性。 同，则同时考虑流域面积和多年平均年降雨量的差 异，对其修正公式为： １水文比拟法简介 在推求设计流域年径流量时，遇到完全没有水 文资料，或资料系列太短，无法展延时，引人参证 流域。把参证流域的水文资料和水文规律移植到设 ・收稿日期：２０１６．１１—１７ 基金项目：国家外专局和教育部联合自助“１１１”引智计划项目；干 旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地（Ｂ０８０３９） 作者简介：周彦龙（１９９０年一），男，硕士研究生。 ４４・ 水文水资源 水利规划与设计 ２０１７年第５期 一 Ｆ， — Ｑ设＝ｉ堕 堡Ｑ参 （２） 参Ａ参 式中，Ｑ设、Ｑ参一设计流域与参证流域的年径流 量，ｍ ；Ｆ设、Ｆ鑫一设计流域与参证流域的流域面 积，Ｋｍ ；Ｘ设、Ｘ叁一设计流域与参证流域的多年 平均降雨量，ｍｍ； ２．２现行水文比拟法存在的问题 通过“三性”审查的长系列资料，计算成果可 更准确的反映出径流量的大小。而在我国大多数 中、小河流中，缺乏水文资料，根本无法实现“三 性”审查。为了完成设计流域径流量的计算，用到 水文比拟法。考虑到气候、自然地理条件和人为因 素的差异性存在，科技工作者不断探索影响因素的 分析，开展对水文比拟法的修正，使其计算成果具 有代表性。其中考虑到流域面积和降水量的差异， 对水文比拟法公式进行了修正，在计算精确度上取 得显著效果。但对流域中泥沙含量的差异性的分 析，并没有提出可行的修正，粗略地忽略差异性的 存在。因而，在推求径流量时，由泥沙差异性造成 的精度问题始终没有得到有效解决。 现行水文比拟法存在的问题是：引入参证流域 多年平均径流量推求设计流域径流量时，计算出的 径流量包含了悬移质泥沙和水两部分的含量。而科 技工作者在通常情况下，忽略了这一部分客观存在 的悬移质泥沙含量，一贯的把悬移质泥沙当作纯水 来处理，没有客观的反映出设计流域真实径流量的 大小。特别是在西北地区多泥沙流域，这一问题的 存在，使得计算精度偏低，计算结果偏离真正实际 情况。 ３水文比拟法的修正 ３．１水文比拟法的误差分析 河川径流是指在单位时间内水流流经某一过水 断面的水量。而通常我们在计算径流时，用水流的 流速和过水断面的乘积，因此所求的流量就是泥沙 和纯水的混合流量。而通常人们粗略的把这一部分 泥沙当作纯水来处理，在用水文比拟法求设计流域 河川径流时就产生误差，特别是在多泥沙流域。若 参证流域含沙量大于设计流域含沙量时，计算的设 计流域径流量小于实际的径流量。若参证流域含沙 量小于设计流域含沙量时，计算的径流量大于实际 径流量。当参证流域含沙量与设计流域含沙量差别 越大，所造成的误差就越大。 ３．２水文｝匕拟法的修正 在设计流域和参证流域都具有研究河床演变的 长期泥沙观测资料，用水文比例法求解设计流域的 径流量时，为达到切合实际的效果，对求解公式进 行必要的修正。已知在河流中多年平均含沙量为 ．ｓ，单位为Ｋｇ／ｍ ，将多年平均含沙量换算为体积 公式，则有Ｖ＝Ｓ，单位为ｍ ，Ｐ为泥沙的密度， 一般取值为２６５０～２７００Ｋｇ／ｍ 。将此体积公式变形 为ｖ／Ｑ＝ｓ／ｐ，为无量纲，表示为来水流量中泥沙 所占的比例，即为径流计算公式的相对误差。来水 中纯水的体积所占来水的比例为１一ｓ／ｏ ，将此公 式应用到水文比拟法推求河川径流量的修正中。 移用多年平均流量鑫时，考虑流域面积和悬移 质泥沙差异的修正公式为： ＝等 （３） 考虑设计流域和参证流域多平均年降雨量的不 同，则同时考虑流域面积、多年平均年降雨量和悬 移质泥沙的差异，对其修正公式为： 等寰 （４） 式中，ｓ设、ｓ叁一设计流域与参证流域的多年平均 含沙量，Ｋｇ／ｍ ；ｐ一泥沙的密度，Ｋｇ／ｍ ，通常取 值为２６５０—２７００Ｋｇ／ｍ ； ３．３修正公式的验证 雨落坪水文站，设立于１９５４年８月，地处泾 河一级支流马莲河下游的甘肃省宁县新庄乡雨落坪 村，控制流域面积为１９０１９Ｋｉｎ ，多年平均降雨量 ５１７．９９ｒａｍ，多年平均含沙量２６８Ｋｇ／ｍ ，１９５６～ ２００３年其平均天然径流量为４６４９０万ｍ 。庆阳水 文站，设立于１９５１年９月，地处马莲河最大的一 级支流环河，控制流域面积为１０６０３Ｋｍ ，多年平 均降雨量５１４．８１ｍｍ，多年平均含沙量３６０Ｋｇ／ｍ ， １９５４～２０００年其平均天然径流量为２２１５０万ｍ 。 两站同属泾河水系、干旱气候区的高泥沙河流控制 站，且具有相似的下垫面条件。 若以雨落坪站所控制的流域为设计流域，庆阳 站所控制的流域为参证流域，验证水文比拟法修正 公式的计算精度。 移用参证流域多年平均径流量时，只考虑 流域面积差异进行的修正，计算设计流域年径 流量为３９３７ １．２９万ｍ ，与实测的多年平均径 流量４６４９０万ｍ ，对比分析产生的误差为 １．５３％。而考虑流域面积和悬移质泥沙的差异 ・４５・ ２０１７年第５期 水利规划与设计 水文水资源 进行的修正，计算设计流域年径流量为 ４１ ２９３．３７万ｍ ，与实测的多年平均径流量 ４６４９０万ｍ ，对比分析产生的误差为１．１ ２％， 其验证结果见表１。 表１ 利用流域面积和含沙量的差异性对水文比拟法修正结果的检验 流域面积 多年平均 泥沙密度 站点 （Ｋｍ ） 实测 基于流域面积 流量（万ｍ ） 基于流域面积、 径流量（万ｍ。） 基于流域面积 差异的误差 分析（％） 基于流域面积、 泥沙差异的 误差分析（％） 含沙量 径流量 （Ｋ（Ｋｇ／ｍ ） ｅ，／ｍ。） （万ｍ ） ３６０ ２７Ｏ０ ２２１５０ 差异的计算径 泥沙差异的计算 庆阳站（控制站） １Ｏ６０３ 雨落坪站（设计站） １９０ｌ９ ２６８ ２７００ ４６４９０ ３９３７１．２９ ４１２９３．３７ １．５３ １．１２ 引入参证流域多年平均径流量，在考虑流域面积 和多年平均降雨量差异进行的修正，计算设计流域年 径流量为３９９７６．１７万ｍ ，与实测的多年平均径流量 与实测的多年平均径流量４６４９０万ｍ’相对比，产生的 相对误差为１．０６％，其验证结果见表２。 由以上计算分析结果可知，用水文比拟法计算 河川年径流量时，考虑悬移质泥沙差异的影响，用 ４６４９０万ｍ ，分析其产生的相对误差为１．４０％。而考 虑流域面积、多年平均降雨量和悬移质泥沙的差异进 行的修正，计算设计流域年径流量为４１５４８．４４万ｍ。， 修正后的公式计算，得到的结果更准确可靠，计算 精度显著提高。 表２ 利用流域面积、多年平均降雨量和含沙量的差异性对水文比拟法修正结果的检验 流域 多年平均 多年平均 泥沙密度 实测 站点 基于流域面积、 基于流域面积、 基于流域面积 基于流域面积、 面积 含沙量 降雨量 径流量 降雨量差异的计 泥沙差异的计算 差异的误差 泥沙差异的误差 （Ｋｍ。） （Ｋｇ／ｍ ） （ｍｍ） （Ｋｇ／ｍ ） （万ｍ ） 算径流量（万ｍ ） 径流量（万ｍ ） 分析（％） 分析（％） ３６０ ５１４．８１ ２７００ ２２１５０ 庆阳站（控制站） ｌ０６０３ 雨落坪站（设计站） １９０ｌ９ ２６８ ５１７．９９ ２７Ｏ０ ４６４９０ ３９９７６．１７ ４ｌ５４８．４４ １．４０ １．Ｏ６ ４ 结果分析 当遇到设计流域完全没有水文系列资料，或系 列资料太短，无法展延时，引入参证流域，用水文 参考文献 ［１］刘冬梅．关于水文比拟法径流计算中径流系数修正的几点看法 ［Ｊ］．水利科技与经济，２ｏ１４（０２）：８８．８９． 比拟法推求设计流域径流量。分析流域中影响因素 的差异性，引入已知参数对计算公式进行一系列修 正，使其提高计算精度，保证成果的可靠性。在传 统水文比拟法计算中，移用参证流域多年平均流 量，考虑到流域面积和降雨量的差异性，对其进行 了修正，在提高计算精度上取得了显著的成效。在 此基础上，基于设计流域与参证流域泥沙的差异 ［２］冉大川．环江流域高含沙洪水特性研究［Ｊ］．泥沙研究，１９９４ （０４）：８６－９３． ［３］欧阳丽华．利用水文比拟法推求径流电站设计流量存在偏差原 因分析及修正方法［Ｊ］．大众科技，２００９（Ｏ１）：１３５．１３６． ［４］朱小荣，黄锦鑫，王朝辉．用水文比拟法推求相邻中小河流测站年 径流量［Ｊ］．长江工程职业技术学院学报，２ｏ１３，３Ｏ（Ｏ１）：２７．２９． ［５］董学阳，李庆银，唐通，等．浅述径流量计算公式的修正［Ｊ］． 水土保持应用技术，２ｏ１３（０２）：１１．１２． ［６］李勋贵．水资源系统耦合理论及其在泾河水文水资源研究中的 性，引人参数（多年平均含沙量ｓ和泥沙的密度Ｐ） 对传统水文比拟法公式进行了修正，得到改进的水 应用［Ｄ］．长安大学，２００８． ［７］茹树青．中小河流河道治理工程设争洪峰流量计算方法的分析 ［Ｊ］．水利技术监督，２０１４（０２）：３６．３８． ［８］白咏梅，关庆国，刘惠群．水文比拟法在无资料中小河流洪水 预报中的应用［Ｊ］．水利科技与经济，２０１０，１６（０２）：１９６．１９７． ［９］姜楠，张丹丹，李金楠．无资料区域河川径流量计算方法对比 分析［Ｊ］．黑龙江水利科技，２０１３，４１（０３）：７７—７９． ［１０］邢爱芳．水文比拟法在迭部县城防洪工程设计洪峰流量推算 文比拟法计算公式。并将修正后的水文比拟法公式 应用到雨落坪和庆阳水文站所控制的流域进行了验 证。结果表明，若考虑流域面积和泥沙的差异时， 误差可由１．５３％降低到１．１２％；若考虑流域面积 和降雨量再加上泥沙的差异时，误差可由１．４０％ 降低到１．０６％．计算成果精度显著提高，从而有 效的提高了缺乏水文监测资料的多沙河流径流分析 的可靠度。 ・中的应用［Ｊ］．中国水运月刊，２０１５，１５（０７）：１７８．１７９． ［１１］刘成，王兆印，隋觉义．黄河干流沿程水沙变化及其影响因素 分析［Ｊ］．水利水电科技进展，２００８，２８（０３）：１—７． ［１２］王巧平．天然年径流量系列一致性修正方法的改进［Ｊ］．水利 规划与设计，２００３（０２）：３８．４０． ４６・
