1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263085517 第1章 緒論1 HYPERLINK l _Toc263085518 1.1 水文學(xué)的研究現(xiàn)狀及意義1 HYPERLINK l _Toc263085519 1.1.1 水文學(xué)的研究現(xiàn)狀1 HYPERLINK l _Toc263085520 1.1.2 水文學(xué)的研究意義2 HYPERLINK l _Toc263085521 1.2 工程水文學(xué)的研究方法及內(nèi)容3 HYPERLINK l _Toc263085522 1.2.1 水文現(xiàn)象的根本特點(diǎn)3 HYPERLINK l _Toc263085523 1.2.2

2、 工程水文學(xué)的研究方法3 HYPERLINK l _Toc263085524 1.2.3 工程水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容4 HYPERLINK l _Toc263085525 第2章 河川水文的根底知識(shí)6 HYPERLINK l _Toc263085526 2.1 河流和流域6 HYPERLINK l _Toc263085527 2.1.1 水循環(huán)6 HYPERLINK l _Toc263085528 2.1.2 河流6 HYPERLINK l _Toc263085529 2.1.3 流域7 HYPERLINK l _Toc263085530 2.2 河川徑流8 HYPERLINK l _Toc2630

3、85531 2.2.1 徑流形成過(guò)程8 HYPERLINK l _Toc263085532 2.2.2 影響徑流的主要因素9 HYPERLINK l _Toc263085533 2.3 泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變10 HYPERLINK l _Toc263085534 2.3.1 河道水流的結(jié)構(gòu)形式10 HYPERLINK l _Toc263085535 2.3.2 泥沙運(yùn)動(dòng)12 HYPERLINK l _Toc263085536 2.3.3 河床演變13 HYPERLINK l _Toc263085537 第3章 水文統(tǒng)計(jì)的理論和方法15 HYPERLINK l _Toc263085538 3.1

4、概述15 HYPERLINK l _Toc263085539 3.1.1 總體和樣本15 HYPERLINK l _Toc263085540 3.1.2 概率與頻率15 HYPERLINK l _Toc263085541 3.1.3 累積頻率與重現(xiàn)期16 HYPERLINK l _Toc263085542 3.1.4 水文頻率分析17 HYPERLINK l _Toc263085543 3.1.5 常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)18 HYPERLINK l _Toc263085544 3.2 頻率曲線18 HYPERLINK l _Toc263085545 3.2.1 經(jīng)驗(yàn)頻率曲線18 HYPERLINK l

5、 _Toc263085546 3.2.2 理論頻率曲線19 HYPERLINK l _Toc263085547 3.2.3 皮爾遜型曲線20 HYPERLINK l _Toc263085548 3.3 現(xiàn)行水文頻率計(jì)算方法22 HYPERLINK l _Toc263085549 3.3.1 求矩適線22 HYPERLINK l _Toc263085550 3.3.2 三點(diǎn)適線22 HYPERLINK l _Toc263085551 3.4 設(shè)計(jì)洪水流量的推求23 HYPERLINK l _Toc263085552 3.4.1 設(shè)計(jì)洪水23 HYPERLINK l _Toc263085553 3

6、.4.2 特大洪水處理方法24 HYPERLINK l _Toc263085554 3.4.3 適線法推求設(shè)計(jì)流量26 HYPERLINK l _Toc263085555 3.4.4 設(shè)計(jì)洪水流量的計(jì)算26 HYPERLINK l _Toc263085556 第4章 橋孔設(shè)計(jì)30 HYPERLINK l _Toc263085557 4.1 橋涵水文勘測(cè)與設(shè)計(jì)30 HYPERLINK l _Toc263085558 4.1.1 橋孔設(shè)計(jì)的一般規(guī)定30 HYPERLINK l _Toc263085559 4.1.2 橋涵水文勘測(cè)的任務(wù)與工作內(nèi)容30 HYPERLINK l _Toc26308556

7、0 4.1.3 橋涵水文設(shè)計(jì)的內(nèi)容31 HYPERLINK l _Toc263085561 4.2 橋梁孔徑設(shè)計(jì)31 HYPERLINK l _Toc263085562 4.2.1 鐵路橋梁孔徑的計(jì)算32 HYPERLINK l _Toc263085563 4.2.2 公路橋梁孔徑的計(jì)算33 HYPERLINK l _Toc263085564 4.2.3 橋梁孔徑設(shè)計(jì)算例35 HYPERLINK l _Toc263085565 4.3 橋梁高程設(shè)計(jì)38 HYPERLINK l _Toc263085566 4.3.1 引起橋下水位升高的因素38 HYPERLINK l _Toc263085567

8、 4.3.2 橋梁高程42 HYPERLINK l _Toc263085568 第5章 沖刷計(jì)算及導(dǎo)治建筑物的布設(shè)43 HYPERLINK l _Toc263085569 5.1 一般沖刷和局部沖刷43 HYPERLINK l _Toc263085570 5.1.1 一般沖刷43 HYPERLINK l _Toc263085571 5.1.2 局部沖刷45 HYPERLINK l _Toc263085572 5.2 最低沖刷線及根底埋深46 HYPERLINK l _Toc263085573 5.2.1 最低沖刷線46 HYPERLINK l _Toc263085574 5.2.2 公路橋梁基

9、底最小埋深確實(shí)定47 HYPERLINK l _Toc263085575 5.2.3 鐵路橋梁基底最小埋深確實(shí)定47 HYPERLINK l _Toc263085576 5.2.4 鐵路橋根底埋深算例48 HYPERLINK l _Toc263085577 5.3 導(dǎo)治建筑物51 HYPERLINK l _Toc263085578 5.3.1 導(dǎo)治建筑物的類型51 HYPERLINK l _Toc263085579 5.3.2 導(dǎo)治建筑物的布設(shè)原那么52 HYPERLINK l _Toc263085580 第6章 結(jié)束語(yǔ)56 HYPERLINK l _Toc263085581 參考文獻(xiàn)57 H

10、YPERLINK l _Toc263085582 致 謝58 HYPERLINK l _Toc263085583 附錄A 英文翻譯59 HYPERLINK l _Toc263085584 附錄B 海森幾率格紙73 HYPERLINK l _Toc263085585 附錄C 離均系數(shù)表74第1章 緒論1.1 水文學(xué)的研究現(xiàn)狀及意義1.1.1 水文學(xué)的研究現(xiàn)狀水文學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)重要分支。1962年美國(guó)聯(lián)邦政府科技委員會(huì)把“水文學(xué)定義為“一門(mén)關(guān)于地球上水的存在、循環(huán)、分布，水的物理、化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境(包括與生活有關(guān)事物)反響的學(xué)科。1987年?中國(guó)大百科全書(shū)?提出“水文科學(xué)是“關(guān)于地球上水的起源

11、、存在、分布、循環(huán)運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律和運(yùn)用這些規(guī)律為人類效勞的知識(shí)體系。不管如何定義，根本上是把水文學(xué)總結(jié)成“是一門(mén)研究地球上各種水體的形成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相關(guān)問(wèn)題的學(xué)科體系。廣義的水文學(xué)可分為地表水文學(xué)、水文氣象學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)。水文氣象學(xué)研究大氣中水汽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；水文地質(zhì)學(xué)那么是研究地下不同形態(tài)水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。地表水文學(xué)分為陸地水文學(xué)、海洋水文學(xué)兩大類。陸地水文學(xué)根據(jù)研究對(duì)象不同，又分為河川水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文學(xué)、冰川水文學(xué)、河口水文學(xué)，根據(jù)研究?jī)?nèi)容不同分為水文測(cè)驗(yàn)學(xué)、水文地理學(xué)、普通水文學(xué)、工程水文學(xué)。水文測(cè)驗(yàn)學(xué)主要研究水文資料的收集、量測(cè)和成果整編的手段、方法以及布設(shè)水文網(wǎng)站的理論等；水

12、文地理學(xué)根據(jù)自然地理因素與水文特征之間的相互關(guān)系，研究水文現(xiàn)象的地區(qū)性分布與變化規(guī)律；普通水文學(xué)研究自然界中各種水體的水文特征、根本變化規(guī)律以及相互依存的一般性問(wèn)題；工程水文學(xué)那么是研究流域內(nèi)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管理各種與工程有關(guān)的水文問(wèn)題。橋涵水文涉及的水文學(xué)知識(shí)即屬于工程水文學(xué)范疇。水文學(xué)研究的對(duì)象主要為大氣、植被、地表、土壤及含水層中的水分運(yùn)移和相互間的水分轉(zhuǎn)化。水文學(xué)既是一門(mén)科學(xué)，又是一種多門(mén)根底科學(xué)應(yīng)用的學(xué)科。隨著學(xué)科的相互滲透、相互交叉以及新科學(xué)新技術(shù)的開(kāi)展和引進(jìn)，水文學(xué)中新分支學(xué)科不斷興起。數(shù)字地球、數(shù)字流域概念的提出以及 “3S系統(tǒng)(地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS和

13、遙感技術(shù)RS)在水文研究和應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，使得開(kāi)發(fā)整個(gè)流域的產(chǎn)匯流過(guò)程，對(duì)洪水演進(jìn)和淹沒(méi)進(jìn)行三維空間的動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)成為可能，進(jìn)一步推動(dòng)了水文學(xué)的開(kāi)展。水文學(xué)研究是21世紀(jì)人類極為關(guān)注的課題之一。目前，水文學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的開(kāi)展時(shí)期，研究的對(duì)象已經(jīng)向微觀和宏觀兩個(gè)領(lǐng)域的深層次開(kāi)展，研究的尺度也呈現(xiàn)區(qū)域、流域、全球平行開(kāi)展的態(tài)勢(shì)，各尺度的轉(zhuǎn)換問(wèn)題研究是當(dāng)今水文學(xué)研究的前沿課題之一。然而，水文現(xiàn)象的復(fù)雜性和水文資料信息的缺乏，在一定程度上限制了水文理論和根底研究的開(kāi)展。水文學(xué)至今仍有許多重大理論問(wèn)題需要探討和研究，水文學(xué)象其他開(kāi)展中的學(xué)科一樣，處在不斷開(kāi)展之中。1.1.2 水文學(xué)的研究

14、意義(1)工程水文學(xué)的研究意義工程水文學(xué)主要研究水文計(jì)算與水文預(yù)報(bào)。如水利工程、給排水工程、灌溉工程、交通橋梁工程、航道工程設(shè)計(jì)所需的水文特征值的計(jì)算，并涉及水文分析的根本原理與方法，水文情勢(shì)的長(zhǎng)期性預(yù)報(bào)等等。在水利工程、取水工程、灌溉工程中，工程規(guī)模的大小取決于河水流量的大小。河水流量估算過(guò)大，將使工程規(guī)模設(shè)計(jì)過(guò)大，造成不必要的浪費(fèi)；反之，估算過(guò)小那么達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能充分利用水利資源，無(wú)法發(fā)揮工程效益。例如，以地表水為水源的取水工程，水源設(shè)計(jì)供水量的大小與水源取水條件的狀況將直接由水文條件給定，如流量、水位、泥沙、冰凌的狀況。排水工程中，雨水的排泄、洪水的防御，其設(shè)計(jì)暴雨、洪水的大小直接

15、決定于水文資料的收集、分析與計(jì)算。工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)期間，對(duì)河流洪水量的估算直接關(guān)系到工程規(guī)模和投資的大小；在施工期間，施工設(shè)計(jì)洪水的估算那么關(guān)系到工程的平安性與經(jīng)濟(jì)性；運(yùn)營(yíng)管理期間，根據(jù)水文預(yù)報(bào)進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)充分利用水庫(kù)的調(diào)節(jié)功能，攔蓄洪水、變害為利，確保工程本身的平安性和下游人民的生命與財(cái)產(chǎn)平安。工程水文學(xué)對(duì)在流域內(nèi)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管理各種工程，具有極其重要的意義。(2)橋涵水文學(xué)的研究意義每年洪水和流冰季節(jié)，一些既有橋梁常發(fā)生水害。如由于洪水主流直沖橋墩(臺(tái))或根底埋深過(guò)淺，致使橋墩(臺(tái))基底沖空而傾斜；由于漂浮物或冰凌阻塞橋孔危及橋梁平安；因橋上、下游水位差過(guò)大而剪斷橋墩，沖走橋梁

16、；由于河灘路堤阻水過(guò)多，或者由于橋頭路堤伸入主槽，導(dǎo)致路堤被沖斷，或橋頭錐體護(hù)坡被被沖坍，有的甚至沖空臺(tái)底，導(dǎo)致橋臺(tái)傾倒，或由于橋孔宣泄能力缺乏，上游壅水過(guò)高，淹沒(méi)農(nóng)田、房舍、工廠，使人民生命財(cái)產(chǎn)蒙受巨大損失等等。還有一些特殊情況：由于河流發(fā)生天然改道或泥石流突然爆發(fā)，使既有橋梁報(bào)廢或沖毀。水害事故的發(fā)生，不僅使橋梁本身遭受直接的損失，而且由于道路中斷停運(yùn)，使國(guó)家在政治經(jīng)濟(jì)各方面所蒙受的損失往往更為驚人。對(duì)水害事故的分析，不難看出，假設(shè)能充分重視并處理好橋涵設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，一些事故可以防止，或可以減輕災(zāi)情。因此，從事道路及橋涵設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)的技術(shù)人員，都應(yīng)具備有關(guān)橋涵水文設(shè)計(jì)的根本知識(shí)，在橋

17、涵設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，充分重視河流及洪水的變化規(guī)律，做到精心設(shè)計(jì)、精心施工、精心養(yǎng)護(hù)維修，使橋涵始終在正常狀態(tài)下工作。1.2 工程水文學(xué)的研究方法及內(nèi)容1.2.1 水文現(xiàn)象的根本特點(diǎn)河流和海洋水文現(xiàn)象受氣候因素、地理?xiàng)l件、河流流域特征和人類活動(dòng)等的綜合影響，情況非常復(fù)雜，其變化規(guī)律具有一定的特殊性。根據(jù)多年水文觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)水文現(xiàn)象具有以下特點(diǎn)：(1)周期性周期性就是許多水文現(xiàn)象具有周期地循環(huán)變化的性質(zhì)。例如黃河下游每年大致到7月進(jìn)入汛期，到11月以后進(jìn)入冰期，2月以后開(kāi)始解冰開(kāi)河，34月間發(fā)生春汛洪水。長(zhǎng)江中游每年最大洪峰發(fā)生在610月，最多的在78月。這都說(shuō)明了水文現(xiàn)象有著年周期

18、變化的規(guī)律。此外，從大量的水文觀測(cè)資料中，也可以看到有些河流存在著多年洪枯水交替的循環(huán)變化。例如黃河陜縣水文站35年的觀測(cè)資料中，發(fā)現(xiàn)枯水年延續(xù)達(dá)111年；洪水年延續(xù)達(dá)14年。洪水年與枯水年交替出現(xiàn)的現(xiàn)象比較明顯，但周期的延續(xù)年數(shù)沒(méi)有一定規(guī)律。(2)地區(qū)性地區(qū)性是表示水文現(xiàn)象隨地區(qū)而異，即每個(gè)地區(qū)都有各自的特殊性。例如我國(guó)南方同北方水文現(xiàn)象差異很大，各有其特殊性。這主要是由于地區(qū)互異，影響水文現(xiàn)象的氣候和下墊面條件不同。但在另一方面，相互鄰近的流域，氣候和下墊面條件往往有一定的相似性，由相類似的氣候和下墊面條件綜合影響而產(chǎn)生的水文現(xiàn)象，在一定程度上就具有相似性。因此，水文現(xiàn)象有一定的地區(qū)分布規(guī)

19、律性。(3)不重復(fù)性(隨機(jī)性)不重復(fù)性是指水文現(xiàn)象無(wú)論什么時(shí)候都不會(huì)完全重復(fù)出現(xiàn)。如一條河流某一年的流量變化過(guò)程，與另一年的流量變化過(guò)程不會(huì)完全一致，即它們?cè)跁r(shí)間上、數(shù)量上都不會(huì)完全相同。其他水文特征值也是一樣，都具有不重復(fù)性。這主要是影響水文現(xiàn)象的因素極為復(fù)雜，各因素不斷隨時(shí)間變化，并且在變化過(guò)程中相互影響。因此，所有水文特征值的出現(xiàn)，都可以認(rèn)為是隨機(jī)的。1.2.2 工程水文學(xué)的研究方法根據(jù)水文現(xiàn)象的特點(diǎn)，按工程的不同要求，對(duì)水文現(xiàn)象的分析研究必須以實(shí)測(cè)水文資料為依據(jù)，水文學(xué)的研究方法可以分為以下3種：(1)成因分析法水文現(xiàn)象與其影響因素之間必然存在著某種確定性關(guān)系，依靠這種關(guān)系從某水文現(xiàn)象

20、的觀測(cè)資料和相關(guān)因素試驗(yàn)資料的分析研究中，可以建立水文現(xiàn)象與其影響因素之間的定量關(guān)系，從而到達(dá)預(yù)測(cè)未來(lái)水文現(xiàn)象的目的。這一方法為一理想方法，稱為成因分析法。然而由于水文現(xiàn)象的影響因素較多且錯(cuò)綜復(fù)雜，其形成機(jī)理人們還不完全清楚或不能做定量的計(jì)算，因而成因分析法主要用于水文現(xiàn)象的根本分析和水文預(yù)報(bào)。(2)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法水文現(xiàn)象的隨機(jī)性特點(diǎn)決定了必須以概率理論為根底，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)實(shí)測(cè)水文資料系列進(jìn)行分析計(jì)算，求得水文現(xiàn)象特征值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，從而得出工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)所需的水文特征值，并根據(jù)這一規(guī)律預(yù)測(cè)未來(lái)的水文特征值的變化范圍。水文計(jì)算中廣泛使用這種方法，預(yù)估某些水文特征值的概率與分布，推求一定的設(shè)計(jì)

21、頻率標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)值。(3)地區(qū)歸納法水文現(xiàn)象在各地區(qū)、各流域具有相似性與特殊性，其主要原因是受各地區(qū)自然地理?xiàng)l件綜合因素的影響，水文現(xiàn)象的變化在地區(qū)分布上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。這種地區(qū)性規(guī)律可以用地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)反映水文特征值的變化與分布。假設(shè)與地形圖結(jié)合，可繪制水文特征值的等值線圖。如，多年平均年徑流量等值線圖、暴雨洪峰流量地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式等。利用這些等值線圖或經(jīng)驗(yàn)公式，可以查得實(shí)測(cè)資料短缺地區(qū)的水文特征值。這一方法揭示了水文現(xiàn)象在各流域、各地區(qū)的分布規(guī)律性。以上幾種方法，相輔相成，互相補(bǔ)充。在實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際、地區(qū)特點(diǎn)，綜合分析、合理選用，互為校核，盡可能收集較多的實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列資料，選用

22、合理方法精確計(jì)算，為工程提供準(zhǔn)確的水文分析成果。1.2.3 工程水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容工程水文學(xué)是一門(mén)闡述和運(yùn)用水文規(guī)律、開(kāi)發(fā)和發(fā)揮工程效益、為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)效勞的學(xué)科。其主要研究?jī)?nèi)容包括：水文循環(huán)與徑流形成；水文資料的觀測(cè)、收集與處理；水文統(tǒng)計(jì)根本知識(shí)；河川徑流，水文學(xué)根本原理和方法，水文資料的收集與統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水，流域分析計(jì)算，水質(zhì)及水質(zhì)評(píng)價(jià)；設(shè)計(jì)年徑流及徑流隨機(jī)模擬；由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水；流域產(chǎn)流匯流計(jì)算；由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水；排澇水文計(jì)算；水文預(yù)報(bào)；水文模型；古洪水與可能最大降水及可能最大洪水；水污染及水質(zhì)模型；河流泥沙的測(cè)驗(yàn)及估算等。橋涵水文學(xué)那么是效勞于橋涵工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)

23、，主要表達(dá)水循環(huán)從降水到徑流這一過(guò)程中，關(guān)于地面徑流(特別是河流中的洪峰流量)的形成、觀測(cè)和以設(shè)計(jì)洪峰流量為主的分析計(jì)算等內(nèi)容。在橋涵(或線路)的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需要合理地確定工程的規(guī)模?？紤]到橋涵是泄水建筑物，其規(guī)模決定于通過(guò)洪水的大小。因而橋涵水文計(jì)算的主要任務(wù)是：根據(jù)一定的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行線路跨越河流的位置(橋位)選擇；計(jì)算橋位河段的設(shè)計(jì)流量；設(shè)計(jì)、布置跨越河流最合理的橋梁孔徑和分跨布設(shè)；確定橋梁墩臺(tái)最小埋置深度；確定橋下凈空、橋面高度；以及在橋位上下游布設(shè)合理的導(dǎo)治建筑物等。第2章 河川水文的根底知識(shí)2.1 河流和流域2.1.1 水循環(huán)海洋里有占地球總水量97%左右的水。由于太陽(yáng)的輻射

24、作用，水被蒸發(fā)為水蒸氣，并被氣團(tuán)的流動(dòng)帶向大陸。在適宜的條件下水蒸氣凝結(jié)，成云或雨(雪、冰雹)降落到地面上。降落到地面上的水，有的經(jīng)蒸發(fā)和植物散發(fā)返回大氣中；有的滲入地下，在含水層中流動(dòng)形成地下徑流；有的沿地面流動(dòng)形成地面徑流。地下及地面徑流最終又流入海洋，海洋中的水又被蒸發(fā)，這樣周而復(fù)始，這就是水循環(huán)。2.1.2 河流(1)河流的形成降落到地面的雨水，除局部被植物截留和蒸發(fā)外，在重力作用下，一局部滲入地下，在含水層中流動(dòng)形成地下徑流，一局部沿地面流動(dòng)形成地面徑流，在地面徑流長(zhǎng)期侵蝕下，地表沖成溝壑，形成小溪，最后聚集而成河流。河流流經(jīng)的谷地稱為河谷，河谷底部(谷底)有水流的局部稱為河床。河流

25、由干流及其支流組成，其中直接流入海洋及內(nèi)部湖泊的河流為干流，匯入干流的河流叫一級(jí)支流，匯入一級(jí)支流的叫二級(jí)支流，干流與支流構(gòu)成了脈絡(luò)相通的河流系統(tǒng)，稱為“水系，水系用干流的名稱稱呼，例如，長(zhǎng)江水系、黃河水系。(2)河流的根本特征河流的根本特征，一般用河流斷面、河流長(zhǎng)度及河流比降來(lái)表示。河流斷面河流斷面有橫斷面和縱斷面。垂直的水流方向的斷面稱為河流的橫斷面，如圖2-1所示。洪水位以下的河床，一般由河槽和河灘兩局部組成。河槽是河流宣泄洪水和輸送泥沙的主要通道，植被不易生長(zhǎng)，洪水期有底沙運(yùn)動(dòng)；河槽兩側(cè)洪水漫溢的灘稱為河灘(河漫灘)，河灘上通常長(zhǎng)有草類、樹(shù)木或農(nóng)作物，被洪水淹沒(méi)的次數(shù)較少，無(wú)底沙運(yùn)動(dòng)。

26、河槽中較高的可移動(dòng)的泥沙堆稱為邊灘，其余局部稱為主槽。只有河槽而無(wú)河灘的斷面稱為單式斷面，有河槽又有河灘的斷面稱為復(fù)式斷面。圖2-1 河流斷面一般形狀河流中沿水流方向各斷面最大水深點(diǎn)的連線，稱為中泓線，沿河流中泓線的斷面稱為河流的縱斷面，如圖2-2所示，反映河流縱斷面沿程的變化。圖2-2 河流縱斷面圖河流斷面由于受水流與河床的相互作用，斷面形狀隨時(shí)間總在不斷的發(fā)生變化。河流長(zhǎng)度從河源到河口的距離稱為河流長(zhǎng)度。近似的河流長(zhǎng)度，可在地圖上畫(huà)出河道中泓線，用兩腳規(guī)逐段量測(cè)。但往往比實(shí)際長(zhǎng)度偏小，需要進(jìn)行修正。河流比降中泓線上單位長(zhǎng)度內(nèi)水面或河底的落差，稱為河流水面比降或河底比降。河流比降由于受各種因

27、素的影響，變化很大。河底比降相對(duì)水面比降較穩(wěn)定，水面比降隨水位不同而有較大變化。河口受海洋潮汐倒灌的影響，水面比降變化更大。河流比降一般自河源向河口逐漸減小。沿程各河段的比降都不相同。2.1.3 流域聚集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域，也就是分水線包圍的區(qū)域。分水線有地面、地下之分。當(dāng)?shù)孛娣炙€與地下分水線相重合，稱為閉合流域，否那么為不閉合流域。在實(shí)際工作中，除有石灰?guī)r溶洞等特殊的地質(zhì)情況外，對(duì)于一般流域，當(dāng)對(duì)所論問(wèn)題無(wú)太大影響時(shí)，多按閉合流域考慮。流域面積與其出口斷面一一對(duì)應(yīng)，如圖2-3所示，流域面積對(duì)應(yīng)著出口斷面1，流域面積對(duì)應(yīng)著出口斷面2，流域是河水補(bǔ)給的源地，流域的特征直接影響河川徑流

28、的形成和變化過(guò)程。流域的特征一般可分為以下兩類： 圖a 圖b圖2-3 流域示意圖(1)幾何特征幾何特征主要指流域面積的大小和形狀。流域分水線包圍區(qū)域的平面投影面積即為流域面積，可以用求積儀量出。用表示，以km2計(jì)。 流域的平均寬度和流域長(zhǎng)度之比為流域形狀系數(shù)，。 扇形流域，如圖2-3a所示，值大；狹長(zhǎng)流域如圖2-3b所示，值小。(2)自然地理特征主要是流域的地理位置和地形。地理位置以流域的中心或流域的邊界所在的經(jīng)緯度來(lái)表示。流域的地形主要以平均高程和平均坡度表示。將流域地形劃分為100以上的正方形，依次定出每個(gè)方格交叉點(diǎn)上的高程以及與等高線正交方向的坡度，取平均值即為流域的平均高度和平均坡度。

29、2.2 河川徑流徑流是由降水產(chǎn)生的由流域內(nèi)聚集到河網(wǎng)沿河槽下泄的水流的總稱。流域內(nèi)的降水經(jīng)損耗(植物截留、蒸發(fā)、填洼)后，一局部沿地面流動(dòng)形成地面徑流，一局部滲入地表土壤，在含水層內(nèi)形成地下徑流，地面徑流和地下徑流聚集到河槽中形成河川徑流。暴雨洪水主要來(lái)源于地面徑流，而大河枯水期的水量補(bǔ)給多來(lái)自地下徑流。2.2.1 徑流形成過(guò)程自降水開(kāi)始到水流流過(guò)出口斷面為止的整個(gè)物理過(guò)程，稱為徑流形成過(guò)程，圖2-4為徑流形成過(guò)程的示意圖。徑流形成是大氣降水和流域自然地理?xiàng)l件綜合作用的過(guò)程，十分復(fù)雜。為了便于研究，一般把它概括為產(chǎn)流過(guò)程和匯流過(guò)程兩個(gè)階段。圖2-4 徑流形成過(guò)程示意圖(1)產(chǎn)流過(guò)程降落到流域內(nèi)

30、的雨水，一局部會(huì)損失掉，剩下的局部形成徑流。降雨扣除損失后的雨量稱為凈雨。我們把降雨扣除損失成為凈雨的過(guò)程稱為產(chǎn)流過(guò)程，凈雨量也稱為產(chǎn)流量。降雨不能產(chǎn)生徑流的那局部降雨量稱為損失量。降雨開(kāi)始后，除少量直接降落在河面上形成徑流外，一局部滯留在植物枝葉上，稱為植物截留；一局部滲入土壤，稱為入滲；另外，還有一局部雨水被蓄留在坡面的坑洼里，稱為填洼。植物截留、入滲和填洼的整個(gè)過(guò)程，稱為流域蓄滲過(guò)程。流域產(chǎn)流過(guò)程又稱為流域蓄滲過(guò)程。(2)匯流過(guò)程凈雨沿坡面從地面和地下匯入河網(wǎng)，然后再沿著河網(wǎng)聚集到流域出口斷面，這一完整的過(guò)程稱為流域匯流過(guò)程。前者稱為坡地匯流，后者稱為河網(wǎng)匯流。流域蓄滲過(guò)程完成以后，剩余

31、雨水沿著坡面流動(dòng)，稱為坡面漫流。坡面漫流的雨水匯入河槽后，順著河道由小溝到支流，由支流到干流，最后到達(dá)流域出口斷面，這個(gè)過(guò)程稱為河網(wǎng)匯流或河槽集流。必須指出，降雨、產(chǎn)流和匯流，是從降雨開(kāi)始到水流流出流域出口斷面經(jīng)歷的全過(guò)程，它們?cè)跁r(shí)間上并無(wú)截然的分界，二是同時(shí)交錯(cuò)進(jìn)行的。2.2.2 影響徑流的主要因素從徑流形成過(guò)程來(lái)看，影響徑流變化的自然因素，可分為氣候因素和下墊面因素兩類。人類活動(dòng)對(duì)河川徑流也有重要影響。(1)氣候因素降雨：降雨是徑流形成的主要因素，降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和降雨面積對(duì)徑流量及其變化過(guò)程都有很大影響。蒸發(fā)：流域內(nèi)的蒸發(fā)是指水面蒸發(fā)、陸面蒸發(fā)、植物蒸發(fā)等各種散發(fā)的總和，在一次降雨過(guò)程

32、中對(duì)徑流影響不大，但對(duì)凈雨前期的流域蓄滲水量卻影響很大。降雨和蒸發(fā)在地區(qū)分布上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，因而徑流變化也具有一定的地區(qū)性規(guī)律。(2)下墊面因素流域的地形、土壤、地質(zhì)、植被、湖泊等自然地理因素，相對(duì)于氣候因素而言，稱為下墊面因素。流域的地理位置直接影響降雨量的多少，流域的地形對(duì)降雨、蒸發(fā)、以及蓄滲和匯流過(guò)程都有影響，流域面積的大小、形狀、又與徑流量有直接關(guān)系。土壤和地質(zhì)因素決定著入滲和地下徑流的情況。植物莖葉截留局部降雨，植物根系又能儲(chǔ)藏大量水分，可改造土壤和氣候。湖泊也有儲(chǔ)存水量、調(diào)節(jié)徑流的作用。(3)人類活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響封山育林和水土保持，將增加降雨的截留和入滲，減少汛期水量和洪峰

33、流量，同時(shí)增大地下徑流，能補(bǔ)充枯水期的水量。修建水庫(kù)對(duì)河流能起蓄洪調(diào)節(jié)作用，并使流域內(nèi)的蒸發(fā)面積增大，從而加大蒸發(fā)量。2.3 泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變2.3.1 河道水流的結(jié)構(gòu)形式(1)層流和紊流水力學(xué)中，將液流運(yùn)動(dòng)區(qū)劃為紊流與層流兩種形態(tài)，層流流層與紊流流層互相影響。當(dāng)我們仔細(xì)觀測(cè)水流中某一點(diǎn)的水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，任何一個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均十分紊亂，隨時(shí)隨地均在變化著，但整體上看，水流還是穩(wěn)定的流向出口。這一現(xiàn)象就叫水流的紊動(dòng)現(xiàn)象。具有紊動(dòng)現(xiàn)象的水流稱為紊流。河流流態(tài)一般都為紊流。但是，河流和管流一樣，在中等雷諾數(shù)情況下在其平滑或粗糙的邊界面上，總有一層流薄層依附于其上。在無(wú)擾動(dòng)情況下，其流態(tài)是

34、層流流態(tài)，雖然這個(gè)層流薄層數(shù)量級(jí)只有零點(diǎn)幾毫米，但它對(duì)河道水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的影響卻是巨大的。(2)主流和副流河床中的水流，受河床壁面的制約和河床走向的影響，形成了與總的流動(dòng)趨勢(shì)一致的水流稱為主流。另外，由于過(guò)水?dāng)嗝嫘螤畹母淖兓蚝訛车挠绊懀殡S著主流，在水流內(nèi)部形成一種尺度較大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，這種附屬主流而存在的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，稱為副流。 (1)立軸副流(回流)在橋臺(tái)前緣、丁壩頭部或河槽寬度突變的局部范圍內(nèi)，存在著與主流別離的回流(漩渦)，水流在橋臺(tái)、壩頭等處繞障，產(chǎn)生邊界層別離，在別離點(diǎn)靠近邊界一側(cè)不斷地生成高速旋轉(zhuǎn)的立軸旋渦，旋渦不停地向下游傳播和擴(kuò)展，形成下游回流區(qū)，在橋臺(tái)前緣、丁壩頭部等別離點(diǎn)附近形

35、成很深的沖刷坑，旋渦把這里的床面泥沙挾帶到下游回流區(qū)內(nèi)沉積下來(lái)。 (2)平軸副流(滾流)小橋、涵洞出口河槽中，流出的急流與天然狀態(tài)的緩流銜接處出現(xiàn)水躍，其外表滾流局部就是平軸副流；出口河槽鋪砌末端的垂裙下游，出現(xiàn)底滾而引起垂裙沖刷，導(dǎo)致小橋涵水毀。底滾也是平軸副流。(3)順軸副流(螺旋流)螺旋形向前運(yùn)動(dòng)且旋轉(zhuǎn)軸方向與主流流向一致，稱為順軸副流。又稱螺旋流，在彎道河流及流量急劇變化的河道中，螺旋流十清楚顯。河灣螺旋流 圖a 平面圖 圖b 橫斷圖圖2-5 彎道順軸副流通過(guò)彎道的水流在重力和離心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流動(dòng)的螺旋流，水面出現(xiàn)橫向比降，如圖 2-5所示。致使

36、凹岸沖刷，凸岸淤積；河灣不斷開(kāi)展，凹岸沖刷最深出現(xiàn)在彎道出口斷面附近。水面單位體積的水柱受到重力與離心力的作用，其中為水的密度，為重力加速度，為水流沿河流縱向的流速，為河灣半徑。由于液體的性質(zhì)，重力與離心力的合力必定與水面相垂直，從而可求得河灣橫面上水面的橫向坡度： (2-1)當(dāng)彎道水面寬度為時(shí)，凹岸對(duì)凸岸超高值為： (2-2)位于河灣段的橋梁應(yīng)當(dāng)計(jì)入凹岸沖刷對(duì)橋臺(tái)沖刷的影響和凹岸水面超高對(duì)確定橋面高程的影響。洪水漲落引起的螺旋流河道中流量急劇變化而產(chǎn)生的螺旋流如圖2-6所示，河流漲水時(shí)，兩岸水位低于斷面中間水位，產(chǎn)生向河底聚集的兩個(gè)環(huán)流，此時(shí)兩岸發(fā)生沖刷，中間淤積。當(dāng)河流退水時(shí)形成河底水流向

37、兩岸分散的兩個(gè)環(huán)流，此時(shí)河底沖刷，兩岸淤積。 圖a 漲水 圖b 落水圖2-6 流量急劇變化引起的順軸副流2.3.2 泥沙運(yùn)動(dòng)天然河床是由大小不同，形狀各異的泥沙顆粒組成的。根據(jù)泥沙在河槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩類。在一定的水力條件下，泥沙處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顆粒較細(xì)的泥沙被水流中的紊流旋渦帶起，懸浮于水中向下游運(yùn)動(dòng)，這種泥沙稱為懸移質(zhì)；顆粒稍大的泥沙，那么在床面上滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍著間歇性地向下游移動(dòng)，前進(jìn)的速度遠(yuǎn)小于水流的流速，這些泥沙稱為推移質(zhì)。推移質(zhì)群體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，呈現(xiàn)為床面上的沙波運(yùn)動(dòng)。比推移質(zhì)顆粒更大的泥沙，那么下沉到河床床面靜止不動(dòng)，稱為床沙。懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙之間顆粒大小的分

38、界是相對(duì)的，是隨水流流速大小而變化的。對(duì)于橋梁上下游，因水流急劇變化，引起河床變形和墩臺(tái)附近的沖刷，起主要作用的是推移質(zhì)和床沙，顆粒很細(xì)的懸移質(zhì)泥沙，對(duì)長(zhǎng)河段的河床演變才起主要作用，例如黃河中游黃土高原很細(xì)的黃土顆粒，對(duì)黃河下游河南、山東河段的河床淤積，起著決定性的作用。在水流推動(dòng)下，床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，稱為泥沙的起動(dòng)。泥沙起動(dòng)是泥沙運(yùn)動(dòng)和河床變形開(kāi)始的臨界狀態(tài)。此時(shí)水流的垂線平均流速(m/s)(或斷面平均流速)稱為起動(dòng)流速，一般用表示。泥沙顆粒的起動(dòng)，是床面泥沙顆粒受到的驅(qū)動(dòng)力和抗拒力以及這些力產(chǎn)生的力矩失去平衡的結(jié)果。沙質(zhì)河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙

39、起動(dòng)后出現(xiàn)推移質(zhì)在床面上的集團(tuán)運(yùn)動(dòng)，形成床面沙波。橋梁墩臺(tái)處的河床隨沙波運(yùn)動(dòng)而變化，直接影響墩臺(tái)的沖刷深度，沙波運(yùn)動(dòng)的規(guī)模越大，沖刷深度的變幅也越大。橋梁墩臺(tái)及其他河道建筑物根底的埋置深度，應(yīng)計(jì)入沙波波谷移到建筑附近時(shí)床面下降的深度。起動(dòng)流速是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的條件，沙波運(yùn)動(dòng)是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要形成，而推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度，那么用推移質(zhì)輸沙率表示。推移質(zhì)輸沙率是單位時(shí)間內(nèi)在河槽單位寬度過(guò)水?dāng)嗝嫔?，通過(guò)的推移質(zhì)的數(shù)量。推移質(zhì)輸沙率根據(jù)研究途徑的不同而有不同的計(jì)算方法，我國(guó)橋下河槽一般沖刷計(jì)算中，采用了以流速為主要參數(shù)的推移質(zhì)輸沙率公式。這種方法認(rèn)為影響推移質(zhì)輸沙率的主要因素是水的流速。流速越大，那么

40、推移質(zhì)輸沙率越大。橋梁墩臺(tái)和丁壩等建筑物附近的沖刷，主要與推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。2.3.3 河床演變?cè)谔烊粻顩r下或人類活動(dòng)的干擾后，河床形態(tài)逐漸的變化，稱為河床演變。水流輸沙不平衡是河床演變的根本原因，水流中副流的存在，往往是河床沖淤的直接原因。任一河段或河段的局部河床，如果上游的來(lái)沙量恰好與水流挾沙能力相適應(yīng)，那么形成輸沙平衡，河床不沖不淤，處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果上游來(lái)沙量小于或大于水流挾沙能力，那么形成輸沙不平衡，河床將發(fā)生沖刷或淤積。河床出現(xiàn)沖刷后，過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u增大，同時(shí)床面粗化，粗糙程度增加，流速隨之減小，水流挾沙能力降低，使沖刷過(guò)程減緩，趨向輸沙平衡。對(duì)于淤積河段也有這種促使變形逐漸減緩而趨于

41、停止的情況。沖積河流的這種現(xiàn)象，稱為沖積河流的自動(dòng)調(diào)整作用。自動(dòng)調(diào)整作用促使河床變形趨于停止，使輸沙不平衡趨向輸沙平衡，由于河段的水流條件和來(lái)沙條件總是隨時(shí)間而不斷地變化，同時(shí)，河床的沖淤變形又會(huì)引起水流和來(lái)沙條件的相應(yīng)變化，因而輸沙平衡使河床處于穩(wěn)定狀態(tài)，是暫時(shí)的、相對(duì)的，而輸沙不平衡仍是經(jīng)常的、絕對(duì)的。河床演變從演變形式上看，可分為縱向變形和橫向變形兩種，而這兩者往往是交織在一起進(jìn)行的。(1)河床縱向變形河流縱向輸沙不平衡引起河床沿水流方向高程的變化，亦即河流縱斷面的變化，稱為縱向變形。它可能是因來(lái)沙量的因時(shí)變化和沿程變化，或河流比降、河谷寬度的沿程變化等自然因素所引起，也可能是由于水工建

42、筑構(gòu)的興建所引起。例如橋梁的修建，會(huì)引起橋軸上游河床淤積，橋軸或橋軸下游處發(fā)生沖刷。(2)河床橫向變形河流橫向輸沙不平衡導(dǎo)致河灣開(kāi)展，河槽拓寬、分漢、改道、裁彎等河床平面形狀的變化，稱為橫向變形。例如河灣螺旋流使凹岸沖刷而成深槽，凸岸淤積形成沙灘。河灣逐年開(kāi)展，曲率不斷增大，以至河灣相互靠近，河流自然裁彎取直，然后又開(kāi)始了新的河灣開(kāi)展過(guò)程。水流作用下，床面泥沙能夠自由地運(yùn)動(dòng)，床面形態(tài)隨著沖刷和淤積，在不斷地演變，這種河床稱為沖積河床。沖積河床在水沙長(zhǎng)期相互作用下，逐漸形成與所在具體條件相適應(yīng)的某種均衡狀態(tài)。這種河床均衡形態(tài)的幾何因素與來(lái)水、來(lái)沙條件存在著某種近似的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系稱為河相關(guān)系

43、，又稱均衡關(guān)系。顯然，來(lái)水來(lái)沙總是處于變化之中，“均衡也只是指在一定時(shí)間內(nèi)、一定河段上的平均狀況而言。河床形態(tài)是在無(wú)數(shù)次洪水過(guò)程中，水沙相互作用下連續(xù)演變的結(jié)果。為研究河相關(guān)系，人們引用一個(gè)與多年連續(xù)造床作用相當(dāng)?shù)哪硞€(gè)流量數(shù)值，作為代表流量，稱為造床流量。造床流量應(yīng)是一個(gè)較大流量值，對(duì)河床形態(tài)的塑造作用最大。橋梁工程中，常取平灘水位時(shí)的河槽流量作為造床流量。對(duì)于河灘河槽難以劃分的變遷性、游蕩性河段，可用多年年最大流量的平均值作為造床流量。第3章 水文統(tǒng)計(jì)的理論和方法3.1 概述水文統(tǒng)計(jì)的任務(wù)是研究和分析水文隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)變化特性，并以此為根底對(duì)水文現(xiàn)象未來(lái)可能的長(zhǎng)期變化做出在概率意義下的定量估

44、計(jì)，以滿足工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)期間的需要?？缭胶恿?、溝渠的橋梁和涵洞，必須能夠平安順暢地通過(guò)設(shè)計(jì)洪水，這是選定橋位、確定橋孔長(zhǎng)度、橋面高程和墩臺(tái)沖刷深度的根本要求。確定設(shè)計(jì)洪水流量就是在分析河流長(zhǎng)期水文資料的根底上，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)來(lái)完成的。3.1.1 總體和樣本數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，總體是指統(tǒng)計(jì)研究對(duì)象全部個(gè)體的總和。從總體中抽出一局部隨機(jī)變量系列，這局部系列稱為一個(gè)樣本?？傮w或樣本中隨機(jī)變量的項(xiàng)數(shù)，分別稱為總體或樣本的容量。樣本是總體的一局部，在一定程度上反映了總體的特征，故可以借助樣本具有的規(guī)律性來(lái)推斷總體的規(guī)律。推斷結(jié)果的可靠性是由樣本對(duì)總體的代表性決定的。水文現(xiàn)象的總體都是無(wú)限的，實(shí)際上是

45、無(wú)法取得的，只能利用已有的實(shí)測(cè)水文資料(數(shù)據(jù))組成有限的隨機(jī)變量系列，作為無(wú)限總體中的一個(gè)隨機(jī)樣本，以樣本的規(guī)律推斷總體的規(guī)律，來(lái)解決工程中的水文計(jì)算問(wèn)題，所以要求使用的水文觀測(cè)、調(diào)查資料，必須具有足夠的代表性。根據(jù)樣本推斷的規(guī)律性，不是總體的客觀真實(shí)情況，與客觀存在著一定的誤差。這種由抽樣而引起的誤差，數(shù)理統(tǒng)計(jì)中稱為抽樣誤差。3.1.2 概率與頻率表示某隨機(jī)事件發(fā)生可能性大小的數(shù)值稱為概率。對(duì)簡(jiǎn)單隨機(jī)事件，其概率可用古典概率公式計(jì)算： (3-1)式中，定條件下，隨機(jī)事件A發(fā)生的概率；試驗(yàn)結(jié)果的總數(shù)；隨機(jī)事件A出現(xiàn)的總數(shù)；概率又分為：事先概率和經(jīng)驗(yàn)概率。(1)事先概率對(duì)于拋擲一枚硬幣的試驗(yàn)，其

46、可能的結(jié)果只有兩個(gè)，即出現(xiàn)“正面向上或“反面向上，出現(xiàn)其中任何一種結(jié)果的可能性是相等的，其概率為1/2。這種概率事先就可以計(jì)算出來(lái)，稱為事先概率。(2)經(jīng)驗(yàn)概率頻率概率事先無(wú)法計(jì)算出來(lái)，只能通過(guò)屢次試驗(yàn)來(lái)求得其概率的稱為經(jīng)驗(yàn)概率，經(jīng)驗(yàn)概率也叫頻率。水文現(xiàn)象中如某大小的洪峰流量的發(fā)生率，其概率事先是無(wú)法知道的，我們只能借助于已有實(shí)測(cè)資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)估得它的頻率。頻率與概率不同，概率是隨機(jī)事件在客觀上出現(xiàn)的可能程度，是事件固有的客觀性質(zhì)，不隨人們?cè)囼?yàn)的情況和次數(shù)而變動(dòng)，是一個(gè)常數(shù)，是理論值；頻率是利用有限的試驗(yàn)結(jié)果推算而得的，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，將隨試驗(yàn)次數(shù)的多少而變動(dòng)，只有試驗(yàn)次數(shù)到達(dá)無(wú)限多時(shí)

47、，才穩(wěn)定在一個(gè)常數(shù)并等于理論值概率。3.1.3 累積頻率與重現(xiàn)期(1)累積頻率頻率只能預(yù)示某單個(gè)水文現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，在橋渡設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)流量的選取是以大于或等于某設(shè)計(jì)頻率流量為度量的。分析這種等量和超量的問(wèn)題就是累積頻率的計(jì)算問(wèn)題，工程應(yīng)用簡(jiǎn)稱為頻率計(jì)算，以百分?jǐn)?shù)(%)或以多少分之一表示。累積頻率等于等量和超量值的累計(jì)頻數(shù)與總觀測(cè)次數(shù)之比，由此有： (3-2)式中，等于或大于某量值出現(xiàn)的次數(shù)(即累積出現(xiàn)次數(shù))；總觀測(cè)次數(shù)。在水文分析中，通常提到的某洪水頻率均指累積頻率。(2)重現(xiàn)期累積頻率這一名詞比較抽象，工程界常用重現(xiàn)期來(lái)代替它，同樣用來(lái)表示水文現(xiàn)象發(fā)生的可能性大小。重現(xiàn)期是指很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)某事

48、件平均多少年出現(xiàn)一次，可用以下公式表達(dá)：當(dāng)頻率時(shí)，重現(xiàn)期： (3-3) 當(dāng)頻率時(shí)，重現(xiàn)期： (3-4) 3.1.4 水文頻率分析對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行頻率分析的目的是推求符合設(shè)計(jì)保證率的徑流量過(guò)程線或符合設(shè)計(jì)頻率的洪水過(guò)程線。概率論中是用概率密度函數(shù)(或曲線)或概率分布函數(shù)(或曲線)來(lái)表示隨機(jī)變量各種取值的可能性。水文分析中，是通過(guò)實(shí)際觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)來(lái)研究水文隨機(jī)變量的各種取值的可能性，即水文頻率分析。假設(shè)、分別為隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)，那么 (3-5) (3-6)圖3-1為頻率密度曲線，顯示出年最大流量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即特別大的和特別小的流量出現(xiàn)次數(shù)很少，接近平均值的流量出現(xiàn)次數(shù)最多；而且

49、經(jīng)驗(yàn)證明，絕大多數(shù)的水文資料系列搜具有這樣的規(guī)律性。圖3-2為頻率分布曲線，表示年最大流量的累積頻率分布，同樣能顯示出年最大流量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 圖3-1 流量與頻率密度關(guān)系曲線 圖3-2 流量與累積頻率關(guān)系曲線頻率分布曲線與頻率密度曲線的關(guān)系如圖3-3所示。圖3-3 頻率密度曲線和頻率分布曲線圖3-3中陰影局部的面積就是隨機(jī)變量所對(duì)應(yīng)的累積頻率，其與頻率密度函數(shù)的關(guān)系表達(dá)為： (3-7)頻率密度曲線和頻率分布曲線完整地描述了隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。在工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，水文頻率分析的任務(wù)就是找出代表各種水文隨機(jī)變量的分布規(guī)律的頻率曲線。3.1.5 常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨機(jī)變量系列的頻率分布特征和頻率密度

50、及頻率分布曲線形狀，能夠用該系列的幾個(gè)特征值來(lái)確定。系列的數(shù)值特征值稱為該系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。一般水文系列常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)有：、，分別反映頻率分布三個(gè)方面的特征：均值是系列中隨機(jī)變量的算術(shù)平均數(shù)，以表示，反映系列中隨機(jī)變量數(shù)值大小的特征；均方差反映系列均值相等時(shí)，隨機(jī)變量系列的離散程度；對(duì)于均值大小不等的兩個(gè)系列，由于均值的影響，均方差就缺乏以說(shuō)明它們的離散程度大小，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，通常采用均方差與均值的比值來(lái)反映系列的相對(duì)離散程度，稱為變差系數(shù)或離差系數(shù)，以表示；偏差系數(shù)反映各隨機(jī)變量在均值兩側(cè)的對(duì)稱程度。根據(jù)上述內(nèi)容計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的方法在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中習(xí)慣上稱為矩法。對(duì)一個(gè)系列，可以用它的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)描述

51、頻率分布曲線和頻率密度曲線的特征。同理，對(duì)一個(gè)未知系列，假設(shè)能求得它的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，就可以利用這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)確定它的頻率分布曲線和頻率密度曲線。水文統(tǒng)計(jì)中，就是利用實(shí)測(cè)水文資料系列(樣本)推求近似總體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并用以確定總體的頻率分布和頻率曲線。3.2 頻率曲線在工程實(shí)踐中不僅需要了解已有系列期內(nèi)的事件發(fā)生規(guī)律，往往還要推求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系列年限的事件可能發(fā)生情況，這需要借助于頻率曲線。頻率曲線分為兩種：一種是經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，它是根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料系列，計(jì)算各項(xiàng)隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率，點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率與其對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量值而得到的曲線；另一種是為了配合經(jīng)驗(yàn)頻率曲線頻率點(diǎn)群外延而提供的一種用數(shù)學(xué)方程式表示的頻率曲線，

52、稱為理論頻率曲線。3.2.1 經(jīng)驗(yàn)頻率曲線(1)經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算在統(tǒng)計(jì)系列的容量無(wú)窮大時(shí)，隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率可用幾率的古典定義公式來(lái)計(jì)算。實(shí)際工程中，搜集到的水文資料系列，大多年限較短，容量有限，直接應(yīng)用古典定義公式計(jì)算樣本中各項(xiàng)隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率將得到不合理的結(jié)果。為了利用樣本近似地推求各項(xiàng)隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率，各國(guó)學(xué)者提出了很多計(jì)算么式。目前，各國(guó)應(yīng)用最廣的經(jīng)驗(yàn)頻率公式是維泊爾公式，又稱均值公式、數(shù)學(xué)期望么式，即 (3-8)式中，統(tǒng)計(jì)系列中第m項(xiàng)(以遞減次序排列)隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率(%)； 統(tǒng)計(jì)系列的容量； 計(jì)算隨機(jī)變量的序號(hào)(遞減次序)。(2)經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的繪制為了表示多年水文觀測(cè)系列中各項(xiàng)

53、觀測(cè)值的出現(xiàn)頻率，以及觀測(cè)值數(shù)值大小隨頻率數(shù)值的變化，以計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)頻率為橫坐標(biāo)，水文觀測(cè)值為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪各個(gè)觀測(cè)值的點(diǎn)據(jù)分布圖，然后根據(jù)各點(diǎn)據(jù)分布趨勢(shì)，目估連出一條光滑曲線，這條曲線稱經(jīng)驗(yàn)頻率曲線。(3)海森幾率格紙點(diǎn)繪在等分格紙上的經(jīng)驗(yàn)頻率曲線呈形，且兩端陡而中間平緩。求很小頻率的設(shè)計(jì)流量需要向左端上方外延，這樣可能產(chǎn)生很大的誤差。海森設(shè)計(jì)了一種海森幾率格紙，以頻率(%)為橫坐標(biāo)，隨機(jī)變量(流量、降雨量)為縱坐標(biāo)，縱坐標(biāo)均勻分格，橫坐標(biāo)分格是根據(jù)正態(tài)分布曲線在該坐標(biāo)紙上呈一條直線的要求確定的，以為中心對(duì)稱分格，中間格密而兩邊漸疏。由于水文現(xiàn)象很少為正態(tài)分布，點(diǎn)繪在海森幾率格紙上

54、的經(jīng)驗(yàn)頻率曲線仍為曲線，只是曲度要小得多，呈現(xiàn)較平順曲線分布形式。3.2.2 理論頻率曲線根據(jù)自然界大量實(shí)際資料的頻率分布趨勢(shì)，很多學(xué)者建立了一些頻率曲線的線形，并選配了相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)式。這種具有一定數(shù)學(xué)函數(shù)式的頻率曲線，習(xí)慣上稱為理論頻率曲線。理論頻率曲線的建立，使頻率曲線的繪制和外延以數(shù)學(xué)函數(shù)為依據(jù)，消除了曲線外延的任意性缺點(diǎn)。理論頻率曲線的線形很多，適合于水文現(xiàn)象的也不少。根據(jù)我國(guó)多年使用經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為皮爾遜型曲線(Pearson-曲線)比較符合我國(guó)多數(shù)地區(qū)水文現(xiàn)象的實(shí)際情況。因此，SL44-93?水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)?、JTJ214-2000?內(nèi)河航道與港口水文標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定，頻率曲線

55、的線型一般應(yīng)采用皮爾遜型，特殊情況，經(jīng)分析論證后也可采用其他線型。3.2.3 皮爾遜型曲線英國(guó)生物學(xué)家皮爾遜通過(guò)很多資料的分析研究，提出一組概括性的曲線族，包括13種分布曲線，其中第型曲線就是皮爾遜型曲線被引入水文計(jì)算中，成為當(dāng)前水文計(jì)算中常用的頻率曲線。皮爾遜型曲線是一條一端有限，一端無(wú)限不對(duì)稱單峰、正偏曲線(如圖3-4)，它反映的是水文現(xiàn)象總體的規(guī)律。圖3-4 皮爾遜型曲線一般為研究方便，將坐標(biāo)原點(diǎn)移至水文資料系列的實(shí)際零點(diǎn)，那么皮爾遜型曲線的密度函數(shù)為 (3-9) 式中，曲線左端起點(diǎn)到系列零點(diǎn)的距離；、曲線的參數(shù)；為函數(shù)， 。曲線的三個(gè)參數(shù)、，經(jīng)過(guò)換算可以用系列的三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)、和來(lái)表示。

56、其關(guān)系式為： (3-10) (3-11) (3-12)在一般水文資料中如年最大洪峰流量、年降雨量均不可能為負(fù)值，所以 故可得 (3-13)當(dāng)時(shí)，那么為負(fù)值，這在水文資料中不常見(jiàn)。但有些情況如水位，當(dāng)標(biāo)高零點(diǎn)位置取得較高時(shí)，就會(huì)出負(fù)水位。往往樣本系列里的最小值不一定是總體的最小值，一般有即，用代表的變率，那么，所以 (3-14)在工程水文中，一般滿足的條件，但也有實(shí)際關(guān)系可能不符合上述理論關(guān)系的情況，故應(yīng)按實(shí)際情況進(jìn)行分析。三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)、和后，那么皮爾遜型曲線及其函數(shù)就可以確定，也就是確定了密度曲線及密度函數(shù)。水文計(jì)算中，一般需求出指定頻率所相應(yīng)的隨機(jī)變量取值，即： (3-15)直接由式(3-1

57、5)計(jì)算值非常麻煩，實(shí)際做法是對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即用離均系數(shù) 進(jìn)行變換那么有 (3-16) (3-17)是標(biāo)準(zhǔn)化變量，稱為離均系數(shù)，其均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1。經(jīng)這樣標(biāo)準(zhǔn)化變換后，可得： (3-18)上式中被積函數(shù)只含有一個(gè)待定參數(shù)，其他兩個(gè)參數(shù)和都包括在中。只要假定一個(gè)值，即可通過(guò)積分求出、與之間的關(guān)系。與型曲線的對(duì)應(yīng)數(shù)值表參見(jiàn)皮爾遜型曲線的離均系數(shù)值表。在進(jìn)行頻率計(jì)算時(shí)，有的值，查值表得出不同的值，然后利用的、值，通過(guò)式(3-18)即可求出與不同相應(yīng)的值，從而可繪出頻率曲線。對(duì)于年最大流量系列，公式(3-16)可寫(xiě)成 (3-19)式中，頻率為P的洪峰流量(m3/s)； 平均流量(m3/s)

58、； 離均系數(shù)，可查附表C。3.3 現(xiàn)行水文頻率計(jì)算方法現(xiàn)行水文頻率的計(jì)算方法為適線法。頻率曲線的適線方法很多，常用的有：求矩適線和三點(diǎn)適線。3.3.1 求矩適線利用矩法求出統(tǒng)計(jì)參數(shù)初試值，并假定，確定理論頻率曲線，視其與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的吻合程度，反復(fù)調(diào)整直到兩曲線到達(dá)最正確適配情況。其主要做法是；先將資料系列從大到小排序，求出隨機(jī)變量所對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，并點(diǎn)繪在海森幾率格紙上，繪出經(jīng)驗(yàn)頻率曲線；確定采用何種分布類型。目前，我國(guó)水文分析中，一般采用P-型頻率線；用矩法計(jì)算出、因抽樣誤差太大，一般假定與的比值,或用其它近似方法選定；根據(jù)初步選定的、及值，利用P-累積頻率曲線的值表，可查得一些代表性頻率

59、的 值，按式(3-19)即可算得與這些頻率相應(yīng)的；通過(guò)這一系列繪點(diǎn)，可得出一條頻率曲線，審查此頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率繪點(diǎn)的配合情況，假設(shè)不理想，那么另設(shè)參數(shù)，再進(jìn)行類似的計(jì)算；最后根據(jù)頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的配合情況，從中選擇一條與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)配合最正確的理論頻率曲線作為采用的結(jié)果，相應(yīng)該曲線的參數(shù)，便是總體參數(shù)的估值。綜上所述，求矩適線法層次清楚，圖象鮮明，方法靈活，操作容易，所以在水文計(jì)算中被廣泛采用。這一方法的實(shí)質(zhì)乃是通過(guò)樣本的經(jīng)驗(yàn)分布去探求總體的分布。3.3.2 三點(diǎn)適線三點(diǎn)法是在經(jīng)驗(yàn)頻率曲線上取三個(gè)點(diǎn)，建立三個(gè)聯(lián)立方程式，解出它們的數(shù)值，最后配出適宜的頻率曲線。具體做法是；先繪制經(jīng)驗(yàn)頻率曲線

60、，在曲線上選三個(gè)點(diǎn)(，)、(，)、(，)，那么有： ， ， ，三式聯(lián)解得 = (3-20) (3-21) (3-22)式中、是與、對(duì)應(yīng)的離均系數(shù)，可查表得到。由查表得出，用式(3-21)(3-22)算出及，把此三數(shù)作為初試值作理論頻率曲線，并檢查與經(jīng)驗(yàn)曲線的吻合程度，反復(fù)調(diào)整參考值，直到吻合為止。三點(diǎn)選取時(shí)，其間距要盡量大，一般選取=1%，50%，99%，=3%，50%，97% ，=5%，50%，95%，=10%，50%，90%。但不能超出實(shí)測(cè)范圍太遠(yuǎn)。三點(diǎn)法計(jì)算簡(jiǎn)便，但受工作者的主觀影響，定線因人有異。另外當(dāng)較小(2033 m2，滿足要求，此時(shí)橋長(zhǎng)為主槽寬度，即460m2。(4)橋跨布置通過(guò)