1、第 七 章工程水文學(xué)基礎(chǔ),編著：大連理工大學(xué),2,第7章 工程水文學(xué)基礎(chǔ),7.1 緒論 7.2 水文循環(huán)與徑流形成 7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集 7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算 7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法 7.6 設(shè)計(jì)年徑流,3,7.1 緒 論,水文學(xué)（Hydrolodge)是研究地球上各種水體的一門科學(xué)。 它研究各種水體的存在、循環(huán)和分布，探討水體的物理和化學(xué)特性以及它們對(duì)環(huán)境的作用，包括它們對(duì)生物的關(guān)系。 水體是指以一定形態(tài)存在于自然界中的水的總體，如大氣中的水汽，地面上的江河、湖泊、沼澤、海洋和地面下的地下水。,4,7.1 緒 論,水資源（Water Resources） 地球表層可供人

2、類利用的水稱為水資源。 水資源包括水量、水質(zhì)、水能資源和水域。 工程水文學(xué)（Engineering Hydrology） 應(yīng)用于實(shí)際工程的水文學(xué)稱為工程水文學(xué)。 它研究與工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)管理有關(guān)的水文問題，主要內(nèi)容為水文計(jì)算和水文預(yù)報(bào)。,5,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.1自然界的水循環(huán) 地球上的水因蒸發(fā)成為水汽，經(jīng)輸送、上升、冷卻、凝結(jié)，并在適當(dāng)?shù)臈l件下，再降落到地面，這種往復(fù)的循環(huán)過程，稱為水（文）循環(huán)。 水文循環(huán)是最重要、最活躍的物質(zhì)循環(huán)之一，與人類有密切的關(guān)系。水循環(huán)使得人類生產(chǎn)和生活不可缺少的水資源具有可再生性。水循環(huán)的途徑及循環(huán)的強(qiáng)弱，決定了水資源的地區(qū)分布及時(shí)

3、程變化。,6,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.1 自然界的水循環(huán) 從海洋上蒸發(fā)出來的一部分水汽，被氣流帶到大陸上空，冷凝后降落到陸地表面。其中一部分重新蒸發(fā)又回到大氣中，另一部分從地面和地下匯入河流，最后又注入海洋。這種海陸間的水循環(huán)稱為大循環(huán)。 海洋中的水蒸發(fā)后，在空中冷凝又降落到海洋，或陸地上的水蒸發(fā)后又降落到陸地，這種局部的水循環(huán)稱小循環(huán)。,7,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.1水量平衡原理 根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，在水循環(huán)過程中，對(duì)于任一區(qū)域，任一時(shí)段，進(jìn)入的水量與輸出的水量之差額必等于其蓄水量的變量，這稱為水量平衡原理。 水量平衡原理是水文學(xué)的基本原理之一。 水量平衡法是分析研

4、究水文現(xiàn)象，建立水文要素之間定性 或定量關(guān)系，了解其時(shí)空變化規(guī)律等主要方法之一。,8,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.1 水量平衡方程 根據(jù)水量平衡原理，可以列出水量平衡方程。 對(duì)某一區(qū)域，有 （7.2.1) 時(shí)段內(nèi)輸入、輸出該區(qū)域的總水量。 時(shí)段內(nèi)區(qū)域蓄水量的變化量，可正可負(fù)。 上式為水量平衡方程的通用式。 對(duì)不同的研究對(duì)象，需具體分析其輸入、輸出量的組成，寫出相應(yīng)的水量平衡方程式。,9,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.2 河流的基本特征 河流橫斷面：垂直于水流方向的斷面稱為河流橫斷面。 河流橫斷面是河道水位、流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算的重要依據(jù)。 河流縱斷面：河流中沿水流方向各橫斷面最大水深點(diǎn)的

5、連線，稱為中泓線或溪谷線。 沿河流中泓線的剖面，稱為河流的縱斷面，又稱縱剖面。 縱斷面圖可以用來表示河流的縱坡和落差的沿程分布。它是推算水流特性和估計(jì)水能蘊(yùn)藏量的主要依據(jù)。 河流縱比降： 任意河段（水面或河底）的高差稱為落差。河流比降有水面比降與河底比降。,10,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.2 流域 降落到地表上的水，被高地、山嶺分隔而匯集到不同的河流中，這些匯集水流的區(qū)域，稱為某河流的流域。 流域是河流的集水區(qū)域。 分隔水流的高地，山嶺的山脊線，就是相鄰流域的分界線，稱為分水線（或分水嶺）。 一般大中河流多按閉合流域考慮，即地面分水線與地下分水線相重合的流域，稱為閉合流域。否則叫不閉

6、合流域。,11,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,閉合流域任意時(shí)段水量平衡方程為： （7.2.10) P 時(shí)段內(nèi)的降水量（mm）； E時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)量（mm）； R時(shí)段內(nèi)的流域出口斷面徑流量（mm）； S時(shí)段內(nèi)該流域的蓄水變量（mm）；,12,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,閉合流域多年平均情況，其水量平衡方程為： (7.2.12) 、 、 分別為流域多年平均降水量、多年平均徑流量和多年平均蒸發(fā)量。 我國(guó)利用中小流域的降水量與徑流量觀測(cè)資料，用水量平衡公式推算出全國(guó)各地的總蒸發(fā)量，并繪制了全國(guó)多年平均蒸發(fā)量等值線圖，可供使用。,13,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.3 降水量觀測(cè) 常用的方法：器測(cè)法。

7、觀測(cè)儀器有雨量器和自記雨量計(jì)。 器測(cè)法其分辨率為0.1mm。 一般采用2段制進(jìn)行觀測(cè)，即每日8時(shí)及20時(shí)各觀測(cè)一次。雨季增加觀測(cè)段次，如4段制或8段制，雨大時(shí)還需加測(cè)。 每日8時(shí)至次日8時(shí)降水量為當(dāng)日降水量。,14,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.4 土壤水、下滲與地下水 下滲指降落到流域表面的降水,由地表進(jìn)入地下的過程。 下滲容量(能力)曲線 是指干燥的土壤 在充分供水水條件下 的下滲過程線,圖 7.2.9 下滲曲線和下滲累積曲線,15,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.5 蒸發(fā) 水文學(xué)中研討的蒸發(fā)為自然界（及流域）的蒸發(fā)，包括水面蒸發(fā)，土壤蒸發(fā)及植物蒸散發(fā)。 蒸發(fā)過程是水由液態(tài)或固態(tài)

8、轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程，是水分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 影響蒸發(fā)過程的主要因素有水溫（或土溫）、空氣飽和差、風(fēng)速等。 流域蒸散發(fā)能力Em反映了溫度、濕度、風(fēng)、日照等氣象因素的作用。,16,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.5 蒸發(fā) 我國(guó)水文和氣象部門采用的水面蒸發(fā)器有：20型、80套盆式、E601型蒸發(fā)器，以及水面面積為20m2和100m2的大型蒸發(fā)池。 其中E601型蒸發(fā)器是目前水文部門普遍采用的觀測(cè)儀器。 每日8時(shí)觀測(cè)一次，得蒸發(fā)器一日（今日8時(shí)至明日8時(shí)）的蒸發(fā)水深，即日水面蒸發(fā)量。一月中每日蒸發(fā)量之和為月蒸發(fā)量，一年中每日的蒸發(fā)量總和為年蒸發(fā)量。,17,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.6 徑流的

9、形成過程 徑流是指降水所形成的，沿著流域地面和地下向河川、湖泊、水庫(kù)、洼地等流動(dòng)的水流。 徑流的形成過程概述 降落到流域表面上的降水，一部分形成地面徑流，一部分滲入地表土壤，在含水層內(nèi)形成地下徑流。地面徑流和地下徑流匯集到河槽中而成河川徑流。 暴雨洪水主要來源于地面徑流，而地下徑流對(duì)大河枯水期的水量補(bǔ)給具有重要意義。 流域內(nèi)自降水開始到徑流形成并流經(jīng)流域出口斷面為止的整個(gè)物理過程，稱為徑流形成過程。,18,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.6.1 徑流的形成過程 為研究徑流的形成過程,將其分為產(chǎn)流過程（降水、流域蓄滲）和匯流過程（坡面漫流及河網(wǎng)匯流）。參見“7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算”。 7.2

10、.6.2 影響徑流的主要因素 1）氣候因素 2）下墊面因素(略） 3）人類活動(dòng)的影響（略）,19,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.6 影響徑流的主要因素 1）氣候因素 降水 是徑流形成的主要因素，降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)、降水面積、暴雨中心以及暴雨移動(dòng)的方向等都對(duì)徑流量及其變化過程都有很大影響。 蒸發(fā) 是水循環(huán)及水量平衡的基本要素之一，對(duì)徑流量有直接影響。若雨前流域蒸發(fā)量大，則雨前流域蓄水量就小，降雨的損失量就增大，而徑流量減小。因此，蒸發(fā)主要影響徑流的產(chǎn)流過程。我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)年降水量的3050%，干旱地區(qū)年降水量的8095%都消耗于蒸發(fā)，其余部分才形成徑流。,20,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7

11、.2.7 徑流的表示方法和度量單位 (1）流量Q ：指單位時(shí)間通過河流某一斷面的水量。常用單位為m3/s。 （2）徑流總量W ：指時(shí)段T內(nèi)通過河流某一斷面的 水量。常用的單位為m3, 億m3 。 (7.2.13),21,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,（3）徑流深R ：指徑流總量平鋪在整個(gè)流域面積上所得的水層深度，以mm為單位。 (7.2.14) （4）徑流系數(shù)a ：指某時(shí)段內(nèi)的徑流深R與形成該時(shí)段徑流量的相應(yīng)降雨深度P之比值。 (7.2.16) 因R P，故a1。,22,7.2 水文循環(huán)與徑流形成,7.2.7 河川水文情勢(shì) 河川水文要素，如水位、流量、泥沙、冰情等長(zhǎng)期變化情況，稱為河川的水文情勢(shì)

12、。 它是流域氣候以及流域下墊面特性和人類活動(dòng)等因素綜合作用的結(jié)果。 從大量的河川徑流資料可看出，河川水文情勢(shì)的特點(diǎn)是不重復(fù)性、地區(qū)性、周期性、確定性。,23,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.1 水文測(cè)站 水位、流量、降水量、泥沙、蒸發(fā)量，下滲量，水溫、冰情、水化學(xué)、地下水等，統(tǒng)稱為水文資料。 水文資料是各種水文分析工作的基礎(chǔ)。水文資料的主要來源是水文測(cè)站對(duì)各項(xiàng)水文要素的長(zhǎng)期觀測(cè)。對(duì)各項(xiàng)水文要素的觀測(cè)，稱為水文測(cè)驗(yàn)。 水文測(cè)站是組織進(jìn)行水文觀測(cè)的基層單位，也是收集整理水文資料的基本場(chǎng)所。水文測(cè)站的主要任務(wù)，就是按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指定地點(diǎn)（或斷面）的水文要素作系統(tǒng)觀測(cè)與資料整理。,24,7.3

13、 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.1 水文測(cè)站 根據(jù)測(cè)站的性質(zhì)，水文測(cè)站可分為三類，即基本站、專用站和實(shí)驗(yàn)站。 基本站是國(guó)家水文主管部門在全國(guó)大中河流上統(tǒng)一布設(shè)和分級(jí)管理的水文測(cè)站。它按國(guó)家頒布的水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，長(zhǎng)期地、系統(tǒng)地進(jìn)行水文要素的觀測(cè)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需要服務(wù)的。 基本站因觀測(cè)項(xiàng)目不同，又分為水位站、雨量站、泥沙站，同時(shí)觀測(cè)水位和流量的測(cè)站也叫水文站。,25,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.1.2 水文站網(wǎng) 水文測(cè)站在地理上的分布網(wǎng)稱為水文站網(wǎng)。 單個(gè)水文測(cè)站觀測(cè)到的水文資料，只能代表站址處的水文情況。在流域內(nèi)的一些適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)站觀測(cè)，對(duì)所得水文資料進(jìn)行整理分析，就可以內(nèi)插

14、出流域內(nèi)任何地點(diǎn)的水文要素的特征值，這就是水文站網(wǎng)的作用。,26,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.1.3 測(cè)站的布設(shè) 測(cè)站的布設(shè)包括測(cè)驗(yàn)河段的選擇和測(cè)站布設(shè)的內(nèi)容。 選擇測(cè)驗(yàn)河段的原則在水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范中有明確規(guī)定。 主要考慮的是在保證工作安全和測(cè)驗(yàn)精度的條件下，有利于簡(jiǎn)化觀測(cè)和資料整理工作。具體地說，就是希望測(cè)站觀測(cè)的水位與流量之間存在著良好的穩(wěn)定關(guān)系，從而可根據(jù)觀測(cè)的水位較容易推求流量，減輕測(cè)驗(yàn)工作。 在一般河段上設(shè)立水文測(cè)站，應(yīng)盡量選擇河道順直、穩(wěn)定、水流集中，便于布設(shè)測(cè)驗(yàn)設(shè)施的河段。其順直長(zhǎng)度一般應(yīng)不小于洪水時(shí)主槽河寬的35倍。,27,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.2 水

15、位觀測(cè) 水位，是指河流、湖泊、水庫(kù)及海洋等水體的自由水面離開固定基面的高程，以m計(jì)。 目前全國(guó)統(tǒng)一采用黃海基面。但各流域由于歷史的原因，多沿用以往使用的大沽基面、吳淞基面、珠江基面，也有使用假定基面、測(cè)站基面或凍結(jié)基面的。使用水位資料時(shí)一定要查清其基面。 水位觀測(cè)的常用設(shè)備有水尺和自記水位計(jì)兩類。 觀測(cè)時(shí)，水面在水尺上的讀數(shù)加上水尺零點(diǎn)的高程即為當(dāng)時(shí)的水位值。可見水尺零點(diǎn)高程是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)，要定期根據(jù)測(cè)站的校核水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)各水尺的零點(diǎn)高程進(jìn)行校核。,28,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,水位的觀測(cè)包括基本水尺和比降水尺的水位。 基本水尺的觀測(cè)，當(dāng)水位變化緩慢時(shí)（日變幅在0.12m以內(nèi)）,每日8時(shí)

16、和20時(shí)各觀測(cè)一次（稱2段制觀測(cè)，8時(shí)是基本時(shí)）；枯水期日變幅在0.06m以內(nèi)，用1段制觀測(cè)；日變幅在0.120.24m時(shí)，用4段制觀測(cè)；依次8段、12段制等。有峰谷出現(xiàn)時(shí)，還要加測(cè)。參見“水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范”。 比降水尺觀測(cè)的目的是計(jì)算水面比降，分析河床糙率等。其觀測(cè)次數(shù)，視需要而定。 水位觀測(cè)的精度為0.01m。,29,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.2 水位觀測(cè) 水位觀測(cè)數(shù)據(jù)整理工作的內(nèi)容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的計(jì)算。 日平均水位的計(jì)算方法： 若一日內(nèi)水位變化緩慢，采用算術(shù)平均法計(jì)算； 若一日內(nèi)水位變化較大，則采用面積包圍法，即將當(dāng)日024小時(shí)內(nèi)水位過程線所包圍的面積，

17、除以一日時(shí)間求得。根據(jù)逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保證率水位。 如刊布的水文年鑒中，均載有各站的日平均水位表，表中附有月、年平均水位，年及各月的最高、最低水位。汛期內(nèi)水位詳細(xì)變化過程則載于水文年鑒中的汛期水文要素摘錄表內(nèi)。,30,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.3 流量測(cè)驗(yàn) 7.3.3.1 流速儀法測(cè)流測(cè)流原理 通過全斷面的流量Q 為： (7.3.2) 式中 A過水?dāng)嗝婷娣e，dA則為A內(nèi)的單元面積，m2； v垂直于dA的流速，m/s； B水面寬度，m； H水深，m。,31,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.3 流量測(cè)驗(yàn) 流速儀法測(cè)流，就是將過水?dāng)嗝鎰澐譃槿舾刹糠?，?/p>

18、普通測(cè)量方法測(cè)算出各部分?jǐn)嗝娴拿娣e，用流速儀施測(cè)流速并計(jì)算出各部分面積上的平均流速，兩者的乘積，稱為部分流量，各部分流量的和為全斷面的流量。,32,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.5 水文調(diào)查 水文調(diào)查的內(nèi)容可分為：流域調(diào)查、洪水與暴雨調(diào)查、水量調(diào)查、其他專項(xiàng)調(diào)查等。 洪水調(diào)查 對(duì)歷史上大洪水的調(diào)查工作，包括調(diào)查洪水痕跡、洪水發(fā)生的時(shí)間、災(zāi)情測(cè)量、洪水痕跡的高程；調(diào)查河段的河槽情況及流域自然地理情況；測(cè)量調(diào)查河段的縱橫斷面；對(duì)調(diào)查成果進(jìn)行分析，推算洪水總量、洪峰流量、洪水過程及重現(xiàn)期，最后寫出調(diào)查報(bào)告。 枯水調(diào)查 為了正確擬定設(shè)計(jì)最低通航水位，取得枯水資料具有重要意義，枯水調(diào)查的主要目

19、的是取得歷史上曾發(fā)生的最枯水位。一般根據(jù)當(dāng)?shù)剌^大旱災(zāi)的旱情，下雨天數(shù)，河水是否干涸斷流，水深情況等來分析估算當(dāng)時(shí)的最小流量、最低水位及發(fā)生時(shí)間。,33,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.6 水文數(shù)據(jù)處理 各種水文測(cè)站測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，都要按科學(xué)的方法和統(tǒng)一的格式整理、分析、統(tǒng)計(jì)、提煉成為系統(tǒng)、完整，有一定精度的水文資料，供水文水利計(jì)算和有關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門應(yīng)用。這個(gè)水文數(shù)據(jù)的加工、處理過程，稱為水文數(shù)據(jù)處理（水文資料整編）。 水文數(shù)據(jù)處理的工作內(nèi)容包括：收集校核原始數(shù)據(jù)；編制實(shí)測(cè)成果表；確定關(guān)系曲線；推求逐時(shí)、逐日值；編制逐日表及洪水水文要素摘錄表；合理性檢查；編制處理說明書。 主要介紹流量資

20、料整編，重點(diǎn)介紹水位流量關(guān)系曲線的確定及逐時(shí)、逐日值的推求。,34,圖7.3.6 衢江衢縣水文站臺(tái)1972年水位流量關(guān)系,35,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.6.1 穩(wěn)定的水位流量關(guān)系 穩(wěn)定的水位流量關(guān)系：是指在一定條件下水位和流量之間呈單值函數(shù)關(guān)系，簡(jiǎn)稱為單一關(guān)系。 在同一張圖紙上依次點(diǎn)繪水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線，并用同一水位下的面積與流速的乘積，校核水位流量關(guān)系曲線中的流量。以上三條曲線比例尺的選擇，應(yīng)使它們與橫軸的夾角分別近似為45、60、60，且互不相交（圖7.3.6示）。,36,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.6.2 水位流量關(guān)系曲線的延長(zhǎng) 高水部分的延

21、長(zhǎng)幅度一般不應(yīng)超過當(dāng)年實(shí)測(cè)流量所占水位變幅的30%，低水部分延長(zhǎng)的幅度一般不應(yīng)超過10%。 1)水位面積與水位流速關(guān)系高水延長(zhǎng) 適用于河床穩(wěn)定，水位面積、水位流速關(guān)系點(diǎn)集中，曲線趨勢(shì)明顯的測(cè)站。其中，高水時(shí)的水位面積關(guān)系曲線可以根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面資料確定，高水位時(shí)水位流速關(guān)系曲線常趨近于常數(shù)，可按趨勢(shì)延長(zhǎng)。高水位下的流量，便可由該水位的斷面面積和流速的乘積來確定。這樣即可延長(zhǎng)水位流量關(guān)系曲線（見圖7.3.9）。,37,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,2) 用水力學(xué)公式高水延長(zhǎng) 用水力學(xué)公式計(jì)算出外延部分的流速值來輔助定線。 根據(jù)曼寧公式外延： （7.3.13） 延長(zhǎng)時(shí)，用上式計(jì)算流速，用實(shí)測(cè)大斷面

22、資料延長(zhǎng)水位面積關(guān)系曲線，從而達(dá)到延長(zhǎng)水位流量關(guān)系的目的。,38,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,3)水位流量關(guān)系曲線的低水延長(zhǎng)法 斷流水位是指流量為零時(shí)的相應(yīng)水位。 在水位流量曲線的中、低水彎曲部分，依次選取a、b、c三點(diǎn)，它們的水位和流量分別為 、 、 及 、 、 。 求解得斷流水位為： （7.3.17） 求得斷流水位Z0后，以坐標(biāo)（Z0，0）為控制點(diǎn)，將關(guān)系曲線向下延長(zhǎng)至當(dāng)年最低水位即可。,39,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.6.5 水文數(shù)據(jù)處理成果的刊布 水文資料的來源，主要是由國(guó)家水文站網(wǎng)按全國(guó)統(tǒng)一規(guī)定對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的資料，即由主管單位分流域、干支流及上下游，每年刊

23、布一次的水文年鑒。1986年起陸續(xù)實(shí)行計(jì)算機(jī)存貯、檢索。 年鑒中載有：測(cè)站分布圖，水文站說明表及位置圖，各站的水位、流量、泥沙、水溫、冰凌、水化學(xué)、地下水、降水量、蒸發(fā)量等資料。 水文年鑒僅刊布各水文測(cè)站的基本資料。,40,7.3 水文測(cè)驗(yàn)與水文資料收集,7.3.6.5 水文數(shù)據(jù)處理成果的刊布 各地區(qū)水文部門編制的水文手冊(cè)和水文圖集，以及歷史洪水調(diào)查、暴雨調(diào)查、歷史枯水調(diào)查等調(diào)查資料，是在分析研究該地區(qū)所有水文站的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上編制出來的。它載有該地區(qū)的各種水文特征值等值線圖及計(jì)算各種水文特征值的經(jīng)驗(yàn)公式。利用水文手冊(cè)和水文圖集便可以估算無水文觀測(cè)數(shù)據(jù)地區(qū)的水文特征值。,41,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)

24、算,本章內(nèi)容是從定量上闡述降雨形成徑流的原理和計(jì)算方法。 流域產(chǎn)匯流計(jì)算是工程水文學(xué)中最基本的概念和方法之一。是由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，降雨徑流預(yù)報(bào)，流域水文模型等內(nèi)容的基礎(chǔ)。 流域產(chǎn)匯流計(jì)算一般需要先對(duì)實(shí)測(cè)暴雨、徑流和蒸發(fā)等資料做一定的整理分析，以便在定量上研究它們之間的因果關(guān)系和規(guī)律。,42,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.1.1 推求流域面雨量的方法 在水文工作中，僅知道流域內(nèi)某一點(diǎn)的雨量是不夠的，因?yàn)槌隽鲾嗝娴膹搅魇怯扇饔蚋魈幗涤陞R集起來形成的，所以還需知道全流域的降雨量。由于降雨在地區(qū)上的分布不均勻性，所以需要推求流域的平均降雨量，常用計(jì)算方法有兩種： 1）算術(shù)平均法：當(dāng)流域內(nèi)雨量

25、站分布較均勻、起伏變化不大時(shí)，可根據(jù)各站同時(shí)段觀測(cè)的降雨量用算術(shù)平均法推求。 2）垂直平分法：垂直平分法也稱為泰森多邊形法，如圖7.4.2所示。每個(gè)多邊形內(nèi)有一個(gè)雨量站，以每個(gè)多邊形內(nèi)雨量站的雨量代表該多邊形面積上的降雨量，最后按面積加權(quán)推求流域平均降雨量。,43,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.1.2 次洪徑流量的計(jì)算見圖7.4.3。 1)徑流過程線分析 一是將前期洪水尚未退完的部分水量及非本次降雨補(bǔ)給的深層地下徑流割去，求出本次洪水的徑流總量。 二是由于不同水源的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，所以還需將本次洪水徑流總量劃分為不同的水源，包括地面徑流、表層流徑流和地下徑流。一般把地面徑流和表層流徑流合并

26、為直接徑流，通常仍稱為地面徑流。,44,7.4.3 流量過程線的分割示意圖,45,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,2）流量過程的分割 流量過程線的分割及不同水源的劃分常采用退水曲線。退水曲線是流域蓄水量的消退過程線。 對(duì)某一流域而言，地下徑流退水過程比較穩(wěn)定，可取多次實(shí)測(cè)洪水過程的退水部分，繪在透明紙上，然后沿時(shí)間軸平移，使它們的尾部重合，最后作光滑的下包線，就是流域地下水退水曲線。見圖7.4.4 。,46,圖7.4.4 流域地下水退水曲線,47,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.2 產(chǎn)流計(jì)算方法 1）降雨徑流相關(guān)法、2）蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、 3）超滲產(chǎn)流計(jì)算 7.4.2.1 降雨徑流相關(guān)法 降雨徑流相關(guān)是在

27、成因分析與統(tǒng)計(jì)相關(guān)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，用每場(chǎng)降雨過程流域的面平均雨量和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量，以及影響徑流形成的主要因素(如前期影響雨量Pa或流域起始蓄水量W)建立起來的一種定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這種方法簡(jiǎn)單，又有一定的精度，所以實(shí)際工作中應(yīng)用較為廣泛。,48,圖7.4.6 降雨徑流相關(guān)圖,49,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.2.2 蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算 1）“蓄滿產(chǎn)流”是指包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量之前不產(chǎn)流，這時(shí)稱為“未蓄滿”，此前的降雨全部被土壤吸收，補(bǔ)充包氣帶缺水量。包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)，稱為“蓄滿”，蓄滿后開始產(chǎn)流，此后的降雨扣除雨期蒸散發(fā)后全部形成凈雨。 因?yàn)橹挥性谛顫M的地方才產(chǎn)

28、流，下滲的雨量形成地下徑流，超滲的雨量成為地面徑流。這種產(chǎn)流模式稱為蓄滿產(chǎn)流。,50,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,2）蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算 濕潤(rùn)地區(qū)或半濕潤(rùn)地區(qū)，植被較好，土壤覆蓋層的下滲能力較大，當(dāng)包氣帶土壤缺水量未滿足時(shí)，所有的降雨基本上被土壤吸收，不容易超滲產(chǎn)流。 在濕潤(rùn)地區(qū)用蓄滿產(chǎn)流法計(jì)算的降雨徑流相關(guān)圖的上部表現(xiàn)為一組間距相等的平行直線 ，如圖7.4.7（b)所示。,51,圖7.4.7 流域蓄水容量曲線與降雨徑流關(guān)系示意圖 (a) 流域蓄水容量曲線; (b) 降雨徑流關(guān)系曲線,52,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,2）蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算 按蓄滿產(chǎn)流模型，只有當(dāng)包氣帶達(dá)到田間持水量，即包氣帶蓄滿

29、后才產(chǎn)流，此時(shí)的下滲率為穩(wěn)定下滲率fc。當(dāng)雨強(qiáng)ifc時(shí)，（i-fc）形成地面徑流，fc形成地下徑流。設(shè)t時(shí)段內(nèi)降雨量為Pt，蒸散發(fā)量為Et，產(chǎn)流面積為FR。由于只有在產(chǎn)流面積上才發(fā)生穩(wěn)定下滲，所以時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的地下徑流量： （7.4.23） 時(shí)段的總產(chǎn)流量： （7.4.24） 產(chǎn)流面積等于徑流系數(shù)： （7.4.25）,53,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,2）蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算 當(dāng)Pt-Etfct時(shí)，不產(chǎn)生地面徑流，（Pt-Et）全部下滲，在產(chǎn)流面積上形成的地下徑流RGt為： （7.4.25）,54,圖7.4.8 下滲曲線示意圖,7.4.2.3 超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算 (略）,55,7.4 流域產(chǎn)匯流

30、計(jì)算,7.4.3 流域匯流計(jì)算 匯流計(jì)算的方法之一單位線法。 在給定的流域上，單位時(shí)段內(nèi)均勻分布的單位地面（直接）凈雨量，在流域出口斷面形成的地面（直接）徑流過程線，稱為單位線，如圖7.4.10（a）所示。 單位凈雨量（徑流深）一般取10 mm； 單位時(shí)段可取1、3、6、12、24h等，依流域大小而定。,56,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.3 流域匯流計(jì)算 分析使用單位線時(shí)的兩條基本假定： 1）倍比假定 如果單位時(shí)段內(nèi)的凈雨不是一個(gè)單位而是 k個(gè) 單位，則形成的流量過程是單位線縱標(biāo)的k倍。 2）疊加假定 如果凈雨不是一個(gè)時(shí)段而是m個(gè)時(shí)段，則形成的流量過程是各時(shí)段凈雨形成的部分流量過程錯(cuò)開時(shí)段

31、疊加。,57,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.3.2 單位線的推求 單位線可利用實(shí)測(cè)的降雨徑流資料來推求。 一般選擇時(shí)空分布較均勻，歷時(shí)較短的降雨形成的單峰洪水來分析。,58,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.3.4 單位線的應(yīng)用 一個(gè)流域根據(jù)多次實(shí)測(cè)雨洪資料求得多條單位線后，經(jīng)過分類綜合，就可以確定出該流域?qū)嵱玫膯挝痪€，即匯流計(jì)算方案。當(dāng)流域內(nèi)降了一場(chǎng)雨后，先用產(chǎn)流計(jì)算方法推求凈雨過程，再用單位線推求出流過程。,圖7.4.12 長(zhǎng)江三峽區(qū)間按暴雨中心 分類單位線(F=31720km2),59,7.4 流域產(chǎn)匯流計(jì)算,7.4.3.5 單位線存在的問題及處理方法 單位線假定流域匯流符合倍比和疊加原

32、理，事實(shí)上這并不完全符合實(shí)際。因此，一個(gè)流域不同次洪水分析的單位線常有些不同，有時(shí)差別還比較大。 1)洪水大小的影響 大洪水一般流速大，匯流較快。因此，用大洪水資料求得的單位線尖瘦，峰高且峰現(xiàn)時(shí)間早。小洪水則相反，求得的單位線過程平緩，峰低且峰現(xiàn)時(shí)間遲。 2)暴雨中心位置的影響 單位線假定降雨在流域內(nèi)分布均勻。事實(shí)上，全流域均勻降雨產(chǎn)流的情況是較少見的。流域越大，降雨在流域內(nèi)分布不均勻狀況就越突出。暴雨中心在上游的洪水，匯流路徑長(zhǎng)，受流域調(diào)蓄作用也大，洪水過程較平緩，由此洪水求得的單位線也平緩，峰低且峰現(xiàn)時(shí)間偏后。反之，若暴雨中心在下游，由此類洪水推出的單位線過程尖瘦，峰高且峰現(xiàn)時(shí)間早。如圖7

33、.4.12所示。 遇到上述情況，一般按洪水的大小和暴雨中心位置分別確定單位線，在實(shí)際工作中根據(jù)具體情況選用。,60,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.1 概述 水文變化過程具有不確定性和隨機(jī)性，故可用統(tǒng)計(jì)方法探討其概率特性。 這是工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中從經(jīng)濟(jì)與安全的綜合考慮出發(fā)廣泛地采用設(shè)計(jì)頻率與設(shè)計(jì)保證率作為決定工程規(guī)模的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的客觀背景。 對(duì)水文過程進(jìn)行頻率分析的目的是推求符合設(shè)計(jì)保證率的徑流量過程線或符合設(shè)計(jì)頻率的洪水過程線。,61,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.2 水文頻率分析 概率論中是用概率密度函數(shù)或概率分布函數(shù)來表示隨機(jī)變量各種取值的可能性。 水文分析中，是通過實(shí)際

34、觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)來研究水文隨機(jī)變量的各種取值的可能性，即水文頻率分析。 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。,62,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,若f(x)、F(x)分別為隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)，則 （7.5.1) 概率密度曲線（或頻率分布曲線）完整地描述了隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性（見圖7.5.2）。,63,圖7.5.2 概率密度函數(shù)與概率分布函數(shù)的關(guān)系,64,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,皮爾遜型曲線概率密度函數(shù)為： （7.5.14) 顯然，確定以后，該密度函數(shù)也隨之確定?？梢酝谱C，這三個(gè)參數(shù)與總體的三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù) 具有關(guān)系

35、。,65,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換后，可得： (7.5.20) 、 、 對(duì)應(yīng)數(shù)值表參見皮爾遜型累積頻率曲線的離均系數(shù)表。 在進(jìn)行頻率計(jì)算時(shí)，由已知的值 ，查 值表得出不同的P 的 值，然后利用已知的 、 值，通過式（7.5.18）即可求出與各種P 相應(yīng) 的 值從而可繪出頻率曲線。,、,66,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.2.4 統(tǒng)計(jì)參數(shù)估算 水文隨機(jī)變量的總體，多是無限的，現(xiàn)有的水文觀測(cè)系列可以當(dāng)做總體的一個(gè)隨機(jī)樣本來處理?？傮w的分布特性可以在某種程度上由樣本的經(jīng)驗(yàn)分布來推測(cè)。這樣，當(dāng)總體不知或無需取得時(shí)，總體的參數(shù)就可以通過抽得的樣本來估計(jì)。 由有限的樣本資

36、料計(jì)算樣本統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以此去估計(jì)總體相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)總會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，在統(tǒng)計(jì)上稱為抽樣誤差。 矩法估計(jì)參數(shù)，即使用無偏估計(jì)值公式，除具有上述的抽樣誤差外，還有系統(tǒng)誤差（一般小于總體值）。因此，在實(shí)際的工程水文計(jì)算中，不宜直接使用矩法估計(jì)參數(shù)，而是用“適線法”。,67,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,樣本的分布參數(shù)： 樣本的算術(shù)平均數(shù) (7.5.21) 樣本的變差系數(shù) (7.5.22) 樣本代表總體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)的“無偏估計(jì)值”： 均值的無偏估計(jì)仍為樣本估計(jì)算術(shù)平均值。 的無偏估計(jì)量為：,68,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.2.5 現(xiàn)行水文頻率計(jì)算方法適線法 根據(jù)估計(jì)的頻率分布曲線與樣本

37、經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)分布配合最佳來優(yōu)選參數(shù)的方法叫做適線法。 適線法層次清楚，圖象顯明，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)仍是通過樣本的經(jīng)驗(yàn)分布去探求總體的分布。,69,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.2.5 現(xiàn)行水文頻率計(jì)算方法適線法 1)經(jīng)驗(yàn)頻率 用適線法確定水文隨機(jī)變量的頻率分布，首先要為樣本系列的每一項(xiàng)確定其頻率值。頻率是隨機(jī)事件可能出現(xiàn)的程度的經(jīng)驗(yàn)值。目前水文統(tǒng)計(jì)中廣泛使用下列期望公式： (7.5.32) 式中，n為樣本容量，p為所研究的樣本系列中從大到小排列的第項(xiàng)的頻率。 由上式估算的樣本中每一項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，與各自的變量數(shù)值相對(duì)應(yīng)，可繪出如圖7.5.8所示

38、的樣本經(jīng)驗(yàn)頻率繪點(diǎn)。此經(jīng)驗(yàn)頻率繪點(diǎn)顯示出樣本的頻率分布。,70,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,圖7.5.8 經(jīng)驗(yàn)頻率繪點(diǎn),71,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,(1)設(shè)計(jì)頻率經(jīng)常用平均重現(xiàn)期來表示，若某一設(shè)值的平均重現(xiàn)值為 年，即在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，平均 年出現(xiàn)一次大于或等于該設(shè)計(jì)值的事件。平均重現(xiàn)期 與頻率P的關(guān)系為： （年） （7.5.33) (2)對(duì)于興利用水部門，為設(shè)計(jì)保證率，則其平均重現(xiàn)期為 ，即在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，平均 年出現(xiàn)一次小于該設(shè)計(jì)值的事件。出現(xiàn)此種事件，設(shè)計(jì)的興利指標(biāo)將不能完全實(shí)現(xiàn)。平均重現(xiàn)期 與頻率P的關(guān)系為： (年） （7.5.34）,72,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,2

39、)適線法 有了經(jīng)驗(yàn)頻率繪點(diǎn)以后，在線型已定的情況下，可以通過曲線擬合（即適線）來確定總體分布的參數(shù)。具體步驟如下： （1）在概率格紙上繪制經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)。 （2）確定采用何種分布類型。目前，我國(guó)水文分析中，一般采用皮-型頻率分布曲線。 （3）假定一組參數(shù) 、 和 。為使假定大致接近實(shí)際，可選用矩法估算的 和 值作為第一次使用值。至于 ，因抽樣誤差太大，一般假定 與 的比值,或用其它近似辦法選定。,73,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,2)適線法 （4）根據(jù)初步選定的 、 及 值，利用皮-累積頻率曲線的 值表，可查得一些代表性頻率的 值，按式（7.5.20）即可算得與這些頻率相應(yīng)的 （或 ）。

40、通過這一系列P 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，若不理想，則另設(shè)參數(shù)，再進(jìn)行類似的計(jì)算。 （5）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)點(diǎn)據(jù)配合最佳的曲線作為采用的結(jié)果，相應(yīng)該曲線的參數(shù)，便是總體參數(shù)的估值。,74,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,3）統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)線型的影響 在適線過程中，為了避免修改參數(shù)的盲目性，需要了解參數(shù)、和對(duì)頻率曲線形狀的影響。 圖7.5.9表示 時(shí)，不同值對(duì)頻率曲線的影響（圖中的縱坐標(biāo)為模比系數(shù)，消除了均值的影響）。由圖可以看出，隨的增大，曲線變陡。 圖7.5.10表示 時(shí)各種值對(duì)頻率曲線的影響。顯然，增大時(shí)，曲線上段

41、變陡而下段趨平。,75,76,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.3 樣本分析 通過統(tǒng)計(jì)分析來估計(jì)某種隨機(jī)事件的概率特性，必須要有一個(gè)好的樣本作為基礎(chǔ)。因此，盡可能地提高樣本資料的質(zhì)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 樣本資料的質(zhì)量主要反映在是否滿足下列三方面的要求：資料應(yīng)具有充分的可靠性，資料的基礎(chǔ)應(yīng)具有一致性，樣本系列應(yīng)具有充分的代表性。,77,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.3.1 樣本資料可靠性的審查 對(duì)水位資料的審查，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)基面和水準(zhǔn)點(diǎn)以及各個(gè)水尺的零點(diǎn)高程進(jìn)行仔細(xì)的考證，檢查有無變動(dòng)及錯(cuò)誤。 對(duì)流量資料的審查重點(diǎn)應(yīng)放在以下方面：對(duì)于用流速儀測(cè)流的成果，應(yīng)注意流速儀檢定情況以

42、及施測(cè)時(shí)的工作條件；對(duì)于用浮標(biāo)法測(cè)流的成果，應(yīng)注意浮標(biāo)系數(shù)的確定方法等。 流量整編方面，應(yīng)注意分析測(cè)站歷年水位流量曲線的變動(dòng)規(guī)律，各種因素對(duì)它的影響以及處理方法的合理性。另外，對(duì)流量成果應(yīng)從上下游站的水量對(duì)照來分析成果的合理性。,78,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.3.2 樣本資料一致性審查 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法要求，在同一計(jì)算系列中，所有資料應(yīng)在同一條件下產(chǎn)生，不能選取不同性質(zhì)的資料。例如暴雨洪水和融雪洪水不能放在一起統(tǒng)計(jì)。另外，水庫(kù)興建前后、堤防潰決前后、水土保持措施實(shí)施前后、河道開挖前后、灌溉引水前后等情況下，河道徑流情況都會(huì)有所改變。由于實(shí)測(cè)徑流資料只是記錄了各個(gè)時(shí)期的實(shí)際徑流情況，

43、也就是反映了流域上不同治理水平的徑流情況，因而使這些流域的長(zhǎng)期徑流資料的一致性受到破壞。所以，應(yīng)將資料修正到同一水平上，通常稱為“還原”。,79,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.3.3 樣本代表性分析 由年資料構(gòu)成的樣本，其頻率分布曲線與總體的概率分布曲線有聯(lián)系但又有差異。抽樣誤差和代表性兩個(gè)概念都是說明樣本與總體之間存在離差。經(jīng)驗(yàn)分布與總體分布，兩者之間的差異愈小，愈接近，即說明樣本的代表性愈好，反之則愈差。 減少抽樣誤差，提高樣本資料的代表性的方法之一是增大樣本容量。,80,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.4 相關(guān)分析 在水文分析中,因?qū)崪y(cè)系列較短,代表性較差,常用相關(guān)

44、法來插補(bǔ)和展延系列，即建立設(shè)計(jì)變量與參證站有關(guān)變量之間的相關(guān)關(guān)系，而后利用較長(zhǎng)系列的參證資料通過相關(guān)關(guān)系來展延設(shè)計(jì)變量的資料。 參證資料可根據(jù)下列條件選用： （1）參證變量要與設(shè)計(jì)變量在成因上有密切聯(lián)系，這樣才能保證使設(shè)計(jì)變量與參證變量的時(shí)序變化具有同步性，從而使插補(bǔ)展延成果具有可靠性。 （2）參證變量與設(shè)計(jì)變量要有相當(dāng)長(zhǎng)的平行觀測(cè)資料，以便建立可靠的相關(guān)關(guān)系。 （3）參證變量必須具有足夠長(zhǎng)的實(shí)測(cè)系列，除用以建立相關(guān)關(guān)系的同期觀測(cè)資料以外，還要有用來插補(bǔ)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)變量缺測(cè)年份的資料。,81,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.4.1 樣本系列的插補(bǔ)和延長(zhǎng) 實(shí)際工作中，經(jīng)常利用徑流量或降水量

45、作為參證資料來展延設(shè)計(jì)站的年、月徑流量，利用參證站的洪峰、洪量或暴雨等資料來插補(bǔ)展延設(shè)計(jì)站的洪峰、洪量系列。一般優(yōu)先使用同一河流相鄰測(cè)站上同類變量的資料來作參證資料，當(dāng)缺乏此種資料時(shí)才用鄰近河流的同類變量或本流域的雨量資料來作參證資料。,82,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.4.2 相關(guān)關(guān)系的概念 徑流與相應(yīng)的降雨量之間的關(guān)系，或同一斷面的流量與相應(yīng)水位之間的關(guān)系等。如果把它們的對(duì)應(yīng)數(shù)值點(diǎn)繪在方格紙上，便可看出這些點(diǎn)子雖有些散亂，但其關(guān)系有一個(gè)明顯的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)可以用一定的曲線（包括直線）來配合，如圖7.5.11所示。 以上研究?jī)蓚€(gè)變量（現(xiàn)象）的相關(guān)關(guān)系，一般稱為簡(jiǎn)單相關(guān)。,83,

46、圖7.5.13 相關(guān)關(guān)系示意圖 （a)直線相關(guān)； (b)曲線相關(guān),84,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.4.2 相關(guān)關(guān)系的概念 自然界中的許多現(xiàn)象之間有著一定的聯(lián)系，它們之間既不是函數(shù)關(guān)系，也不是完全無關(guān)。例如，降水與徑流之間、上下游洪水之間、水位與流量之間等等都存在著這樣的聯(lián)系。相關(guān)分析就是要研究?jī)蓚€(gè)或多個(gè)隨機(jī)變量的聯(lián)系。 兩種現(xiàn)象（變量）之間的關(guān)系一般可以有三種情況： （1）完全相關(guān)（函數(shù)關(guān)系） （2）零相關(guān)（沒有關(guān)系） （3）相關(guān)關(guān)系 若兩個(gè)變量之間的關(guān)系屆于完全相關(guān)和零相關(guān)之間，則稱之為相關(guān)關(guān)系。 在水文計(jì)算中常用簡(jiǎn)單相關(guān)，水文預(yù)報(bào)中常用復(fù)相關(guān)。本節(jié)僅介紹簡(jiǎn)單相關(guān)中的直線相關(guān)

47、關(guān)系。,85,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.4.2 簡(jiǎn)單直線相關(guān) 設(shè)直線方程的形式為： （7.5.35）,86,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,相關(guān)系數(shù)r (7.3.29) 在水文計(jì)算中，要求同期觀測(cè)資料不能太少，值應(yīng)在12年以上。資料短，計(jì)算成果不可靠。一般要求相關(guān)系數(shù) ，且回歸線Sy的均方誤不大于均值的15%。,87,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.1 設(shè)計(jì)洪水概述 1)洪水過程特征要素 第7.2、7.3 章曾論述徑流成因及其流量測(cè)驗(yàn)，最后整理得到的汛期洪水摘錄可提供洪水變化過程圖，如圖7.5.16。 洪水過程通常用三個(gè)要素描述，即洪峰流量 、一次洪水過程總量W

48、（圖中ABCDEA 所包圍的面積）、洪水歷時(shí)（由漲水歷時(shí) 與退水歷時(shí) 相加求得）。 實(shí)際洪水過程可能退水歷時(shí)很長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化而取C 點(diǎn)，使其與起漲流量相等，假定C 以后的退水水量與A 點(diǎn)以前上次洪水的退水水量相等。,88,圖7.5.16 洪水流量過程,89,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,2)設(shè)計(jì)洪水和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)任何水工建筑物時(shí)，都需要選定某一量級(jí)的洪水作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以便確定工程的規(guī)模?，F(xiàn)行的方法是選擇某一累積頻率（如1%、0.1%）的洪水作為設(shè)計(jì)依據(jù)，或標(biāo)準(zhǔn)。可視工程大小與重要程度選定不同的累積頻率。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定后，按標(biāo)準(zhǔn)推求的洪水，稱為設(shè)計(jì)洪水。 如在水利工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，由國(guó)家制定統(tǒng)

49、一規(guī)范，按工程的種類、重要性，將水工建筑物劃分為若干等級(jí)，根據(jù)不同級(jí)別規(guī)定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)正常運(yùn)用累積頻率的設(shè)計(jì)洪水，調(diào)節(jié)計(jì)算決定水利樞紐工程的設(shè)計(jì)洪水位。如所設(shè)計(jì)的水工建筑物負(fù)擔(dān)保護(hù)下游地區(qū)的防洪任務(wù)時(shí)，還規(guī)定有下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn), 但此標(biāo)準(zhǔn)都比大壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，通過洪水調(diào)節(jié)計(jì)算求得相應(yīng)的防洪高水位。,90,表7.5.4 水庫(kù)工程水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn),表7.5.5 城市的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn),表7.5.6 鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn),表7.5.5 城市的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn),91,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,3）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的內(nèi)容和方法 (1)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的內(nèi)容 主要包括設(shè)計(jì)洪峰流量、

50、不同時(shí)段（最大一、三、五、七、十五日）的設(shè)計(jì)洪水總量和設(shè)計(jì)洪水過程等三項(xiàng)內(nèi)容。工程特點(diǎn)不同，需要計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水內(nèi)容和重點(diǎn)亦不同。 如蓄洪區(qū)、水庫(kù)工程，都有一定的調(diào)節(jié)庫(kù)容，水庫(kù)的出流過程與水庫(kù)的整個(gè)入流過程有關(guān)，不只是與一、兩個(gè)入流洪水特征（如峰或某時(shí)段洪量）有關(guān)。此時(shí)，不僅需要計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量或某時(shí)段設(shè)計(jì)洪量，還須計(jì)算完整的設(shè)計(jì)洪水過程線。 而無調(diào)蓄能力的堤防、橋涵和航運(yùn)為主的渠化工程，調(diào)節(jié)能力極低的小水庫(kù)，徑流式電站等，要求計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，因?yàn)樗鼘?duì)工程起控制作用。,92,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,(2)推求設(shè)計(jì)洪水的基本方法 按資料條件和設(shè)計(jì)要求，基本方法有三種類型： 由流量資料推

51、求設(shè)計(jì)洪水。流量資料比較充分時(shí)，先求一定累積頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量和各時(shí)段的設(shè)計(jì)洪量；然后選擇典型洪水過程線，用所求得的設(shè)計(jì)洪峰、洪量放大或縮小成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)洪水過程線。 由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水。 資料非常少或缺乏時(shí)，可用水文比擬法、等值線圖法、水力學(xué)公式法等來推求。 本教才僅介紹由流量推求設(shè)計(jì)洪水的方法。,93,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.2 洪水資料的選擇 目前采用“年最大值法”。 對(duì)于洪峰流量來說，年最大值法是每年只選一個(gè)最大的洪峰流量，若有年資料，就選個(gè)年最大洪峰流量值組成一個(gè)n年系列，作為洪峰流量頻率計(jì)算的樣本。 各種歷時(shí)的洪量也應(yīng)分別獨(dú)立地選取其年最大值組成樣本系列。如

52、圖7.5.17所示。它們可以發(fā)生在年內(nèi)同次或不同次洪水中，常取的時(shí)段有一天、三天、五天、七天、十五天、三十天等等。選取的最長(zhǎng)時(shí)段，取決于對(duì)設(shè)計(jì)洪水過程線的要求。,94,圖7.5.17 年最大洪量選樣示意圖,95,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.3 不連序洪水系列的經(jīng)驗(yàn)頻率 1)獨(dú)立樣本法 此法是把包括歷史洪水的長(zhǎng)系列(N年)和實(shí)測(cè)的短系列(n年)看作是從總體中隨機(jī)抽取的兩個(gè)獨(dú)立樣本。對(duì)特大洪水和一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率要分別按兩個(gè)互不相干的樣本進(jìn)行估算。設(shè)歷史調(diào)查考證期N年中有a次特大洪水，在實(shí)測(cè)系列之內(nèi)有l(wèi)次特大洪水，則兩個(gè)樣本計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率的公式分別為： (7.5.51) (7.5.

53、52),96,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.3 不連序洪水系列的經(jīng)驗(yàn)頻率 2)統(tǒng)一樣本法 此法把歷史洪水和實(shí)測(cè)洪水看作是一個(gè)統(tǒng)一的樣本。在這種情況下，系列按大小次序排位的前幾項(xiàng)就是特大洪水，并認(rèn)為實(shí)測(cè)系列中的一般洪水（共有n-l項(xiàng)）的頻率分布可以代表N項(xiàng)系列中除特大洪水以外的所有一般洪水（包括實(shí)測(cè)的和缺測(cè)的洪水）的頻率分布。 特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率公式仍為式（7.5.51）。 一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式則為： （7.5.53),97,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.4 洪水峰量頻率分析 我國(guó)設(shè)計(jì)洪水規(guī)范規(guī)定，頻率計(jì)算采用目估配線法（即適線法）。 1)線型問題 我國(guó)統(tǒng)一

54、采用皮-型頻率曲線。采用統(tǒng)一線型是為了便于在相同的基礎(chǔ)上進(jìn)行地區(qū)性綜合分析比較。皮-型頻率曲線不能認(rèn)為是洪水系列的“理論線型”，它不過是我國(guó)部分地區(qū)與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)配合較好的一種外延工具而已。 2)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的確定 目前我國(guó)普遍采用目估配線法。在線型和經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)確定后，試湊參數(shù)使曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)看上去配合得最好，此時(shí)的參數(shù)就是采用結(jié)果。相應(yīng)的設(shè)計(jì)值也就計(jì)算出來了。目估定線時(shí)要盡量照顧點(diǎn)群的趨勢(shì)，使曲線通過點(diǎn)群中心。如確有困難，可側(cè)重考慮上部和中部點(diǎn)據(jù)。,98,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,99,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.5 頻率計(jì)算成果的抽樣誤差 SL44-93水利水電工程

55、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范規(guī)定，對(duì)大型工程或重要的中型工程用頻率分析計(jì)算的校核標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)計(jì)算抽樣誤差。經(jīng)綜合分析檢查后，如成果有偏小的可能，應(yīng)加安全修正值，一般不超過計(jì)算值的20%。 7.5.5.6 計(jì)算成果的合理性檢查 對(duì)洪峰流量及各種歷時(shí)的洪量的頻率計(jì)算成果,包括各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的采用值和各種頻率的設(shè)計(jì)值,應(yīng)進(jìn)行合理性檢查。,100,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,7.5.5.7 設(shè)計(jì)洪水過程線的推求 設(shè)計(jì)洪水過程線是指具有某一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水過程線。 目前仍采用放大典型洪水過程線的方法，使其洪峰流量和時(shí)段洪水總量的數(shù)值等于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的頻率值，即認(rèn)為所得的過程線是待求的設(shè)計(jì)洪水過程線。,101,7.5

56、水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,1)典型洪水過程線的選擇 典型洪水過程線是放大的基礎(chǔ)，從實(shí)測(cè)洪水資料中選擇典型時(shí)，資料須可靠，同時(shí)應(yīng)符合下列條件： （1）選擇峰高量大的洪水過程線，其洪水特征接近于設(shè)計(jì)條件下的稀遇洪水情況。 （2）選擇具有一定的代表性洪水過程線，即它的發(fā)生季節(jié)、地區(qū)組成、洪峰次數(shù)、峰量關(guān)系等能代表本流域上大洪水的特性。 （3）選擇對(duì)工程防洪運(yùn)用較不利的大洪水典型，如峰型比較集中，主峰靠后的洪水過程。 一般按上述條件初步選取幾個(gè)典型洪水過程線，分別放大，并經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，取其中偏于安全的作為設(shè)計(jì)洪水過程線的典型。,102,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,2)放大方法 根據(jù)工程和流域洪水特

57、性，放大典型洪水過程線時(shí)，可選用同頻率放大法或同倍比放大法。 （1）同頻率放大法 此法要求放大后的設(shè)計(jì)洪水過程線的峰和不同時(shí)段（1天、3天、）的洪量均分別等于設(shè)計(jì)值。具體做法是先由頻率計(jì)算求出設(shè)計(jì)的洪峰值和不同時(shí)段的設(shè)計(jì)洪量值QmP、W1P、 W3P ，并求典型過程線的洪峰和不同時(shí)段的洪量QmD、W1D、W2D，然后按洪峰、最大1天洪量、最大3天洪量、的順序，采用以下不同倍比值分別將典型過程進(jìn)行放大。,103,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,（1）同頻率放大法 洪峰放大倍比為： (7.5.58) 最大1天洪量放大倍比為： (7.7.59) 最大3天洪量中除最大1天以外，其余兩天的放大倍比為： (7.5.60) 用同頻率放大法求得的洪水過程線，比較符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算成果較少受所選典型不同的影響，但改變了原有典型的雛形，適用于峰量均對(duì)水工建筑物防洪安全起控制作用的工程。,104,7.5 水文統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)及方法,（2）同倍比放大法 以峰控制的放大系數(shù)為： （7.5.58) 以量控制的放大系數(shù)為： (7.7.62) 同倍比放大法計(jì)算簡(jiǎn)便，適用于防洪安全主要由洪峰或某時(shí)段洪量控制的工程。,105,7.6 設(shè)計(jì)年徑流,7.6.1.1 年徑流分析計(jì)算的目的 在一個(gè)年度內(nèi)，通過河