[18.10.21][基础] WMO — Manual on Low-flow Estimation and Prediction

开始学习,2008年出版的,Manual on Low-flow Estimation and Prediction。


该手册的目标是发布最先进的分析程序,用于估算和预测所有地点的低河流量,无论观测数据的可用性如何。该手册将用于估算和预测许多应用的低流量,包括水资源规划,污水稀释估算和低流量条件下的水资源管理。

——不依赖实测数据


本手册将成为WMO质量管理框架中包含的技术指导文件之一在水文学和水文学委员会第十三届会议讨论。 “手册”第1章和第2章介绍了预测和预测低流量所涉及的目标,结构和主要问题。

第3章讨论了低流量估算的数据要求,包括河流流量和相关流域属性,例如土壤类型,水文地质和气候。

第4章介绍了关键的低流量过程以及由此产生的各种低流量响应,了解其对于分析和解释低流量信息至关重要。


第5章描述了简单的低流量指数,包括95百分位超标排放和基流和衰退特征。

第6章,第7章和第8章分别提供了估算流量 – 持续时间曲线,极值分布和流量不足分析的逐步指导。

——描述低流量的几种不同方法


第9章描述了估算无流量站点低流量的一系列方法,包括使用短流量和近流量记录来减少流量估算的不确定性。

第10章介绍了如何估算受人工控制影响的河流低流量的关键实际问题,如抽水,污水回流和蓄水。

第11章描述了需要对低流量进行预测的主要应用,并介绍了在一系列时间尺度上预测流量的方法。

第12章介绍了一些案例研究,其中包括跨界问题,水资源决策支持工具,估算小规模水电的区域方法和抽象点以下的剩余流量估算。

第13章介绍了一些重要的与数据收集和能力建设有关的结论和建议。结合其他产品中提出的技术,希望这些结论和建议能够减少估算低流量和改进方法的不确定性,以造福所有用户。


第1章 简介:

1.1 目标

该手册包括对用于低流量预测和预测的当前方法的描述以及操作应用的实际示例。 它解决了连续流量记录,无流量站点和短流量记录(包括自然和人为影响的流域)的低流量估算。 “手册”主要对来自正在开发或更新低流量估算程序的业务机构的水文学家以及教授短期技术课程和应用水文学的第一学位和理学硕士课程的专业人员有价值。

1.3 结构

The Manual presents a range of different techniques for analysing hydrological data to provide operational in-formation for low-flow prediction and forecasting. These are summarized in Table 1.1, which lists different ways of describing the low-flow regime of a river, the specific property of the analysis technique, data require-ments and some common applications.

——描述低流量的几种不同方法(平均流量,年平均流量变化系数,流量历时曲线,年最小流量系列,径流赤字持续时间(历时),径流赤字量(烈度),衰退指数,基流指数)(based on gustard and others, 1992)

1.4 Methodologies not included in the Manual——并没有详细介绍,给出了参考文献
(1) 水库调节库容的计算 (2)水位序列分析(随机水文学)(3)流域水文模型

(4)干旱预报 Tallaksen, L.M. and H.A.J. van Lanen (eds), 2004: Hydrological Drought – Processes and Estimation Methods for Streamflow and Groundwater. Developments in Water Science, 48, Elsevier Science B.V., Amsterdam.


2. Estimating, Predicting and Forecasting Low Flows
2.1 Introduction
当需要低流量信息时,有三种主要情况。首先是正在制定水资源计划。这通常需要进行预可行性研究,以确定是否可以实现提案的目标。对于具有大量资本投资的方案,接下来是更详细的设计工作,包括对低流量频率的估计。第二个是在水资源计划建成后的运营阶段,包括如何在日常基础上管理该计划(manage the scheme)的决策。例如,可能有必要确定在没有违反法律抽象条件的情况下可以从河流转移多少水用于水电目的。这些可能取决于一年中的时间或下游点的河流排放。在许多国家,这种运营限制没有正式化,运营商必须意识到并同情许多下游用水户的需求。例如,家庭可能需要水,或农业,电力生产,航海,工业抽象,旅游业,工业或生活污水的稀释,维护粮食生产的生态系统,或维持河流的自然生物多样性。第三种情况是,今天有必要根据未来河流流量的估算做出运营决策 (make operational decisions),这些流量看起来好几天,几周或有时几个月。这些预测可以提高用水效率,在降低水资源计划的运营成本方面具有重要的经济意义。对于长期规划以及为严重干旱制定应急计划(第11章)而言,对于低于平均降水量数月的更普遍的警告是有价值的。(确实是有价值的)
——理解并同意!!! manage the scheme 和  make operational decisions,确实是有区别。

2.3 Design issues 有关的问题
2.3.1 Estimation, risk and forecasting
可以以多种不同方式分析低流量。 有些是单一值,例如衰退常数,基流比例或一系列的平均值。这些被称为低流量指数。更复杂的方法估计低流量概率。这些方法不会尝试估计何时会发生特定的放电或低流量统计。 相比之下,第11章中描述的预测技术估计了低流量的大小以及未来几天或几个月的时间。 随着预测提前期的增加,预测准确度会降低,而且,对于很长的提前期,预测可能不会比使用长期统计平均值更准确。 预测方法根据进行预测的时间间隔进行分类。
——分析和预报的区别!!!

2.3.2 Annual, seasonal and different durations
低流量信息传统上基于估算所有可用数据的统计数据。但是,对于许多应用程序,根据月份,月份组或特定季节来考虑数据可能更为合适。例如,在设计灌溉方案时,分析应侧重于一年中灌溉抽取的时间段,而其余时间的数据可能是多余的。同样,生态模型可以确定特定物种和生命阶段的流量是重要的,并且再一次,分析应该集中在一个关键的季节性时期。年度最小值和流量持续时间分析均可在特定月份或月份组中进行。考虑不同持续时间的年度最小值可能是适当的,例如7天,10天,30天和90天持续时间,以满足特定设计问题的要求。
——以问题为导向,好!!!和为特定工程,做预报,的道理一样。

2.3.3 Scales of estimation ——上一点是时间,这一点是空间,好!!!
最后,为了比较大陆范围内各国的资源,需要使用一致的方法确定可靠的资源可用性估计数。在这些情况下,简单的水文模型是合适的,因为关键要求是确定资源的空间变异性,而简单的低流量指数通常就足够了。低流量调查可以按照河流范围,集水区,国家和国际流域,区域(国家集团)或全球范围进行。研究的规模将对所采用的方法和所需信息产生重大影响。
——研究的规模也涉及到研究的方法!!!

2.3.4 The low-flow cube
水文学家可以采用各种水文设计和水管理程序,其选择取决于所需产出的性质 – 设计要求。 选择取决于与设计决策相关的风险。 例如,与大型蓄水池建设相关的投资风险将需要建立测量站和观察到的河流流量分析。 这些数据为水文设计提供了基础,通常是储存/产量特征和溢洪道容量。 相比之下,小规模取水许可证的申请通常会处于无人值守的位置,不能保证计量站的建设,而且设计通常基于流量统计,例如给定可靠性的干季流量, 不一定需要时间序列分析。
——和中国课本上的典型年法、长系列法是一个意思。

通过“设计场景立方体”(图2.1)的概念化,可以简化不同设计场景(教科文组织,1997年)的复杂性,为设计要求定义三个维度,共有2的立方,8个不同的场景。
(1)是否有实测数据。
(2) The operational requirements of the hydrolo-gical design. ——需求 时间序列 还是 统计值。
(3)天然还是人工。——集水区可能相对自然或受水资源开发的严重影响,在这种情况下,可能需要对流量记录进行自然化(第3章,相当于我国的还原,还原起来确实很麻烦)。 集水用水维度区分了对自然或人为影响流量的要求。
1.自然测量时间序列:在一个测量地点的(每日)流量的时间序列,代表自然流域的河流流量。该设计要求的应用可以是在测量站附近的位置设置环境河流流量状态。
2.人工测量的时间序列:测量地点的日流量的时间序列,代表来自非自然的,受到影响的集水区的河流流量。可以采用不同的“人工”定义,包括历史,当前或未来基于情景的用水。该设计要求的应用是评估不同上游抽象者在一段历史时期内减少下游流量的程度。
3.自然测量统计:流量统计,例如95百分位流量,表示来自测量站点的自然流域的河流流量状况。可能需要这样来确定是否批准提议的抽象。
4.人工测量统计:流量状态统计,表示来自测量站点的受影响的流域的河流流量状况。可能需要这种设计来确定上游抽屉在测量站处减少95%的低流量放电的范围。
5.自然无关的时间序列:河流流量的时间序列,代表未测量地点的自然状态。这需要在一个无人值守的站点设计一个复杂的抽象方案,并需要开发一个捕获模拟模型(第9章)。
6.人工无时间序列:一个时间序列的河流流量,代表了一个无人值守地点的人为影响制度。该设计要求的典型应用可能是在具有地下水抽水但没有排放测量的集水区中设计联合用途(地表水和地下水)方案。
7.自然无用的统计数据:一种流量制度统计数据,表示无人地点的自然制度。初步的区域水资源评估可能需要这样做。
8.人工无统计数据:一种流量统计数据,代表无人值守地点的人为影响制度。该要求的典型应用可能是在人工影响的集水区的小规模水电方案的初步设计中。
————该方案增加的复杂性包括根据历史序列,当前用水或未来抽象情景评估人工影响下游河流的影响。 在大多数情况下,这将需要连续流记录或低流量统计的归化(第10章)。(还原麻烦!!!)

2.6 Key principles in low-flow design
降低低流量估算的不确定性,一般原则如下:
(a)在可能的情况下,低流量估算应以记录的数据为基础;
(b)如果现场没有记录数据,上游或下游或附近集水区的数据传输将导致估计误差减少;
(c)通过某种正式或非正式的数据传输,可以增加对流域描述符中未测量站点的低流量统计数据的估计;
(d)选择最合适的低流量分析和估算方法的能力是一个经验问题。决策将始终受到设计问题的性质,集水区,数据的可用性和从业者的经验的影响;
(e)询问分析员通常可以找到更多信息,如果使用这些信息,将导致估计误差的减少;
(f)鉴于现代分析和估算软件的自动化程度不断提高,专业人员越来越有义务更加注意水文设计工作,并始终向专业合格的专家寻求建议;
(g)来自用户群体的积极和消极反馈,以及方法学和数据可用性的进步,可以对国家设计程序和软件进行微小的修订。重要的是要立即纠正低流量估算技术的任何错误或缺点。然而,用户社区不欢迎对设计方法的持续微小调整,用户社区通常希望主要更新不那么频繁。


第3章 水文资料

——这一章的内容确实很重要,但在科研中,资料相关的问题,常常不被重视,毕竟新方法才是创新点。但有些论文(基于数据驱动、分析数据),其论文的写作基础就是数据、数据、数据,这种情况下,必须重视资料、资料、资料。。。。。。


第4章 低流量的机理
低降水时会出现低流量。这导致土壤,含水层和湖泊中储存的水减少,并且流入河流的量减少。耗尽的时间主要取决于先前的天气条件。枯竭的速度取决于水文过程和集水区内的储存特性。本章概述了这些因素如何控制低流量的空间和时间分布。了解这些流动生成过程可以帮助以下方面:
(a)确定低流量调查的数据要求(第3.3节);
(b)评估集水区低流量的可变性;
(c)从本手册中描述的方法中选择最合适的低流量分析方法;——多种方法;
(d)开发水文模型;
(e)结果的解释。
4.2 Processes causing low flows
4.2.1 Climate drivers
(a) An extended dry period leading to a climatic water deficit when potential evaporation ex-ceeds precipitation; or(b) Extended periods of low temperatures during which precipitation is stored as snow.低流量通常发生在长时间的温暖干燥天气中,通常与高压系统和下沉空气有关。 高温,高辐射输入,低湿度和风增加蒸发和蒸腾速率。 降雪和积雪是由持续低于冰点的温度造成的,这通常与寒冷的极地气团和/或高海拔地区的温度降低有关。 在没有融雪的情况下,降水将积聚,这将导致低流量的减少。在许多地区,每年都会发生一种或两种情况。 在中高纬度气候,低流量通常由发生季节描述,即“夏季低流量”和“冬季低流量”(图4.2)。 在低纬度气候下,可能存在一个或多个旱季,因此,一个或多个明显的低流量期。Climate diagrams and maps provide a valuable source of information for assessing the climatic drivers and the expected timing of low flows. 气候图和地图为评估气候驱动因素和低流量的预期时间提供了宝贵的信息来源。 
——降水少或者是降水成为了积雪。
4.2.2 Catchment processes and storage
虽然气候控制可能导致一个季节的气候水量过剩而另一个季节出现赤字,但捕捞过程决定了这些过剩和赤字如何通过植被,土壤和地下水系统传播到溪流
河流从三个不同的流动路径中的一个或多个接收水:陆地流动 overland flow,通流 throughflow 和地下水排放 groundwaterdischarge 。陆上流量和通流对降雨或融雪迅速作出反应,而地下水排放响应缓慢,时滞数天,数月或数年。如果地下水排放来自浅层饱和地下水流,那么它会对降雨或融雪迅速(数小时或数天)作出反应。因此,由陆地流动,通流和/或浅层饱和地下水流控制的集水区被分类为快速响应或“华而不实”的集水区。主要通过地下水排放的集水区被归类为具有高基流的缓慢响应的集水区。水文分离技术可用于将总流量分成快速和延迟组分(5.2节)延迟流量组分,通常称为基流,表示源自储存源的流量比例。较高的基流比例意味着集水区能够在干旱期间维持河流流量基流指数通常与土壤和地质的水文特性以及集水区中湖泊的存在与否高度相关。
湖泊和水库通常对下游低流量产生很大影响。在潮湿和凉爽的气候中,湖泊提供额外的集水区储存,以在干旱期间保持低流量。然而,在半干旱气候下,由于高湖泊蒸发损失超过监管影响造成的低流量增加,下游低流量可能小于湖泊上游。储层对低流量的影响主要取决于其运行,并且通常导致储层下方的排放减少。第10章讨论了对低流量的直接人为影响,包括从河流,湖泊和地下水中抽取水,以及将污水排放到河道中。人为影响还可间接影响土地利用变化导致的低流量,如毁林,植树造林或城市化,以及全球变暖对降水变化的影响,或冰川温度升高的影响。 Tallaksen和van Lanen(2004年)回顾了水文过程与低流量之间的关系以及人类对干旱的影响。有关流域过程的全面描述,读者可参考Dingman(2002)。
4.3 Low flows in different hydrological regimes
4.3.1 Regime distinction
可以从几年的流量数据计算每月流量流量方案(第3.3节)。 该制度说明了河流的季节性,因此说明了低流量的典型持续时间和时间。 以下部分说明了气候驱动的季节性水文状况如何通过集水过程进行模拟的一些例子。 应在开展国家或区域低流量研究之前进行此类分析,以确保了解导致低流量的关键过程。 雨和雪主导的制度之间存在区别(第4.2节)。 前者进一步细分为是否存在明显的年度旱季。 冰川政权将单独讨论。
4.3.2 Rain-dominated regimes
——Climates with no distinct dry season    Climates with a dry season (tropical and temperate)   Dry climates
4.3.3 Snow-dominated regimes
4.3.4 Glacial regimes

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