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工程水文学第一章绪论第二章水文基础知识第三章水文资料的收集第四章水文统计第五章设计年径流分析计算第六章小流域设计洪水计算第七章径流调节计算 第一章绪论 第一章绪论1 1我国的水资源概况1 2工程水文学的研究对象及其作用1 3水文现象的特点与水文学的研究方法 一 世界水资源存在形式及比例 地球的总储水量约1386 10 7亿立方米 其中海洋水为1338 10 7亿立方米 约占全球总水量的97 人类主要利用的淡水约35 10 7亿立方米 在全球总储水量中只占2 5 广义的水资源 指人类在一定的技术经济条件下能够直接或间接使用的地球上的各种水体 包括海洋 地下水 冰川 河流等各种水体的总称 气态 液态 固态 狭义的水资源 指人类在一定的技术经济条件下能够直接使用的淡水 冰川 湖泊 大气 沼泽 沼泽 地下 贵州安顺地下暗河 地下 趵突泉 山河 长江 山河 黄河入海口 二 我国水资源总量 1 地表水资源量 年平均径流总量 27115亿立方米 折合年平均径流深284mm 近20年统计最高年份与最低年份径流相差25 以上 年平均入海量17243亿立方米 约占全国河川径流总量的63 呈逐年减少之势 我国有许多国际河流 年出境水量为6057亿立方米 占全国总量的27 流进境内水资源量为172亿立方米 水资源总量2 8万亿m3 0 1万亿m3 2 7万亿m3 河川径流 地下水 三 我国水资源特点 1 水资源总量较丰富 人均拥有水量少 2 水资源时空分布极不均匀 连续最大四个月降水量占年降水量70 以上地区 年内年际分配不匀 旱涝灾害频繁 3 水资源与人口 耕地 矿产资源分布不匹配 全国660个城市中 有近400个城市缺水 全国城市年缺水量为60亿立方米左右 全国有山西 重庆 天津 陕西 河南 贵州 四川 北京 山东等9个省 直辖市 人均用水量小于300立方米 其中山西 重庆 天津不足200立方米 水文学 Hydrology 是一门研究水在自然界中运行 变化和分布规律的科学 应用于实际工程的水文学称为工程水文学 包括有关控制或利用河川和海洋资源所建造的工程 其规划 设计 施工与运行管理所需要的水文学的知识 应用于实际工程的水文学称为工程水文学 2 2 我国的河川和海洋都蕴藏着丰富的资源 有待于我们去综合开发和利用 所有的这些水资源的开发利用 都需要我们进行相应的工程建设 工程水文学是我们利用地球丰富资源的基础 长江三峡 三峡水库世界最大水利枢纽中国长江三峡水库大坝二00三年六月一日上午下闸蓄水成功 十五天后 三峡库区水位将达到135米高程 2009年8月29日 长江三峡三期工程枢纽工程达到正常蓄水 175米水位 正常蓄水 175米水位 验收是三峡工程建设的重要里程碑 是三峡工程按照设计规模全面建成的重要标志 成因法 确定性规律 偶然性规律 区域性规律 随机现象概率论和数理统计 区域性方法 第一章绪论 1 3水文现象的特点与水文学的研究方法 1 1 第二章水文基础知识2 1水循环与水量平衡2 2河流 流域与分水线2 3降水2 4蒸发与下渗2 5径流2 6径流的度量方法 定义 存在于地球上各种水体中的水 在太阳辐射与地心引力的作用下 以蒸发 降水 入渗和径流方式进行的往复交替的运动过程 称为水文循环或水循环分类 大循环 海陆之间的水文循环小循环 海洋或陆地局部的水文循环自然界水循环的意义 水的可更新性 水具有自身净化作用 水存在的形式多样性 分布的广泛性 时空变化的随机性 水资源的分配的巨大差异性 水文循环 水量平衡原理 自然界中的水分不停的运动与循环只是其形态和存在场所的改变 既不会自消自灭又不会无中生有 就全球而言 水的数量保持着平衡 水量平衡 陆地 多年降水量等于多年蒸发量与入海径流量之和海洋 多年蒸发量等于多年降水量与入海径流量之和陆地水量平衡 PL EL RL海洋水量平衡 Po RL EoPL Po 陆地 海洋的多年降水量EL Eo 陆地 海洋的多年蒸发量RL 陆地多年入海径流量两式相加 PL Po EL Eo 全球水平衡 数据来自JohnMbuguaetal 1995 2 2河流 流域与分水线 1 河流的形成和分段河流 汇集地面径流和地下径流的水道河水流经的谷地称为河谷 河谷底部有水流的部分为河床 脉络相通的大小河流所构成的系统为水系 或河系 河源 上游 中游 下游 河口 一般天然河流 按照河谷和河床的情况 冲淤程度 水情变化等特点 分为 黄河分段示意图 2 河流的基本特征 河流长度 从河源到河口的距离 河流比降 单位长度河段的落差 河底或水面比降 河段上游端和下游端水面或河底的高程 河段长度 水面或河底落差 6 10 3 山区与平原河流的一般特性 山区河流流经地势高峻 地形复杂的山区 受水流不断的纵向切割和横向拓宽 河谷断面形成发育不完全的 V 字和 U 字形 平原河流流经地势平坦的平原地区 河谷多为发育完全的河漫滩形态 8 10 在平原河流主槽中 由于水流和河床的相互作用 往往形成各种淤积体 1 4 4 流域分水线与流域面积降水落到地面形成的径流 被高地 山岭分隔而汇集到不同的河流中 汇集水流的同一区域为某河流的流域 概括说就是河流的集水区域 分隔水流的高地 山岭的山脊线 就是相邻流域的分界线 称分水线 或分水岭 地面分水线和地下分水线相重合的流域为闭合流域 地面与地下分水线不重合的流域叫做非闭合流域 流域的分水线和出口断面所包围的面积 称为流域面积 或称为集水面积 km2 5 流域特征 几何特征 自然地理特征 几何特征主要指流域面积和流域形状 自然地理特征主要是流域的地理位置和地形 4 4 2 3降水 一 降水的基本概念从云雾中降落到地面的液态水或固态水 如雨 雪 霰 雹 露 霜等称为降水 降水是气象要素之一 也是自然界水循环和水量平衡的基本要素之一 降水量时空分布的变化规律直接影响河川径流情势 所以在水文水利计算中必须研究降水 特别是降雨 2 降水的分类按空气抬升形成动力冷却的原因可以把降水分为4种类型 二 降雨的基本要素和表示方法1 降雨的基本要素降雨的性质和特征用以下几个基本要素表示 降雨量降雨历时 降雨时间降雨强度降雨面积 1 降雨量x降雨量是指一定时段内降落在某一点或某一流域面积上的水层深度 以mm为单位 在表明降雨量时一定要指明时段 如次降雨量 日降雨量等 2 降雨历时和降雨时间降雨历时是指一次降雨自始至终所经历的实际时间 降雨时间是根据需要人为划分的时段 如1h 3h 6h 12h 24h 和1d 3d 5d等 用以计算各时段内的降雨量 降雨历时内的降雨是连续的 而降雨时间内的降雨可能是连续的 也可能是间歇的 3 降雨强度i降雨强度表示单位时间内的降雨量 以mm min或mm h计 简称雨强 雨强大小反映了一次降雨的强弱程度 故常用雨强进行降雨分级 常见分级标准见下表 4 降雨面积指降雨笼罩的水平面积 以km2计 2 降雨资料的图示为了表示降雨在时间上的变化及空间上的分布 常用以下图示方法 降雨过程线降雨累积曲线降雨量等值线图法 1 降雨过程线降雨在时程上的分配可用降雨强度过程线表示 常以时段雨量为纵坐标 时段时序为横坐标 采用柱状图表示 2 降雨累积曲线降雨过程也可用降雨量累积曲线表示 此曲线横坐标为时间 纵坐标代表自降雨开始到各时刻降雨量的累积值 如图示 历时t h 3 降雨量等值线图法降雨量等值线图是表示某一地区或流域的次降雨量或时段 如小时 天 月 年 降雨量地理分布的常用工具 它的具体做法是 在地形图上将各雨量站相同起讫时间内的时段雨量标注在相应的地理位置上 根据直线内插的原理 考虑地形对降雨的影响 勾绘出等值线 三 流域平均降雨量的计算流域内各站降雨量是不同的 分析流域降雨与径流关系时 需要由降雨量计算流域平均面雨量 根据流域内雨量资料 常用以下方法 1 算术平均法 式中 某一指定时段的流域平均雨量 mm 流域内的雨量站数 流域内第站指定时段的雨量 mm 2 泰森多边形法 式中 第站代表面积占流域面积的比值 称权重 该方法适用于雨量站分布不均匀 地形起伏比较大的流域 是生产实践中应用比较广泛的一种方法 泰森多边形 3 等雨量线法 式中 相邻两条等雨量线间的面积 km2 相邻两条等雨量线降雨量的平均值 mm 等雨量线 2 4蒸发与下渗 一 蒸发蒸发是水文循环及水量平衡的基本要素之一 对径流有直接影响 蒸发过程是水由液态或固态转化为气态的过程 是水分子运动的结果 流域的蒸发分为以下几种 一 水面蒸发水面蒸发是指江 河 水库 湖泊和沼泽等地表水体水面上的蒸发现象 水面蒸发是最简单的蒸发方式 属于饱和蒸发 影响水面蒸发的主要原因是温度 湿度 风速和气压等气象条件 水面蒸发常用蒸发器进行观测 换算关系为 式中 天然水面蒸发量 mm 蒸发器实测蒸发量 mm 蒸发器折算系数 二 土壤蒸发土壤蒸发比水面蒸发要复杂得多 湿润的土壤 其蒸发过程一般可以分为三个阶段 三 植物散发土壤中的水分经植物根系吸收后 输送至叶面 再从叶面散发到大气中 称为植物散发 四 流域总蒸发流域总蒸发是流域内所有的水面 土壤以及植被蒸发与散发的总和 目前采用的方法是从全流域综合角度出发 用水量平衡原理来推算流域总蒸发量 式中 计算时段内的全流域平均蒸发量 mm 计算时段内的全流域平均降水量 mm 计算时段内的全流域平均径流量 mm 计算时段始 末流域蓄水变量值 mm 可化简为 二 下渗下渗是指降落到地面上的地下水从地表渗入土壤的运动过程 作为降雨径流形成过程中的一项重要因素 下渗不仅直接影响到地面径流量的大小 也影响到土壤含水量及地下径流量的消长 下渗过程下渗过程按水分所受的作用力及运动特征 可分为三个阶段 润阶段 下渗水分主要是在分子力的作用下 被土壤颗粒吸附而成为薄水膜 毛管力 重力作用 在土壤孔隙中向下作不稳定流动 并逐步充填土壤孔隙 直到全部孔隙为水充满而饱和 渗透阶段 当土壤孔隙被水充满而饱和时 水分在重力作用下呈稳定流动 2 5径流 1 2 1 径流形成过程 2 影响径流的主要因素 2 6径流的度量方法 流量 Q 单位时间内流过断面的水体体积 m3 s 径流总量 W 某时段T内流过断面的总径流体积 m3 径流深 y 径流总量平均分布在流域上的水深 mm 径流模数 M 流域出口断面上的流量与流域面积的比值 径流系数 某时段降雨量x所形成径流深y的比例数 因为降雨总是会有损失 所以一般 只能小于1 3 3 M 1000Q F y x 第三章水文资料的收集 3 1水文测站3 2水位观测3 3流量测验3 4水位 流量关系曲线 水文站分类 3 1水文测站 水位观测设备及其布置水面相对于某一基准面的高程称为水位 水尺 自记水位计 观测水位设备 3 2水位观测 1 7 2 7 1 水位观测的内容和要求内容 基本水尺和比降水尺观测时段要求比降水尺的水位观测要求精度要求 基本水尺读至1cm 比降水尺读到0 5cm2 港航测设中的临时水位观测 水位观测资料的整理 绘制日平均水位过程线与日平均水位历时曲线 日 月 年平均水位计算 编制 逐日平均水位表 3 7 日平均水位法1 算术平均法 2 面积包围法 4 7 编制 逐日平均水位表 5 7 第三章水文资料的收集 2 水位观测 6 7 绘制日平均水位过程线与日平均水位历时曲线 日平均水位过程线是以水位为纵坐标 时间为横坐标绘出的曲线 每年一条 是分析河流水情变化特点的重要资料 日平均水位历时区线是一个累积曲线 表示大于或等于某一水位值1年中出现的天数 航运工程设计时 很注重此特征值 7 7 水文缆道探深取沙 声波自记水位计的记录合远传设备 1 6 3 3流量测验 断面测量 测量水位 沿断面宽度选若干个测点及测深垂线 测量各垂线的水深 将水位减去水深得到河底高程 绘制河槽断面图 计算过水断面面积 起点距 起点距 m 基线长度 m 基线与测深垂线的夹角 横断面图的绘制 根据测深时的水位 测得的水深及起点距数据即可绘制过水断面图 若加上水面以上水准测量各点高程和起点距 就可绘制成大断面图 3 6 流速测量及流量计算 断面流速分布 水面以下0 2倍水深处流速最大 垂线平均流速约在水面以下0 6倍水深处 4 6 实际工作中用实测断面面积和实测流速来推算 5 6 流速仪实测流速的方法 6 6 3 4水位 流量关系曲线 1 定义 用断面的实测流量和相应水位资料点绘的曲线 称为 水位 流量关系曲线 两者关系 单一关系 稳定良好 对应两个以上流量值 不稳定 洪水涨落影响 回水变动影响 河床冲淤影响 1 4 2 用途 3 分类 稳定的水位流量关系一般发生在 河床稳定 河道坡度较大 河段顺直的山区河流 水位 流量关系曲线的延长 水位 流量关系曲线高水位延长方法 水位 面积 流速关系延长法 水力学公式延长法 史蒂文森法 2 4 3 4水位 流量关系曲线 1 水位 面积 流速关系延长法 当需要延长的水位变幅小于总水位变幅的20 时 可按曲线相关分析的趋势外延 先根据本年实测大断面 绘出H A关系曲线 延长高水位的H V曲线 根据任一高水位值 由上述两条的延长部分查出相应的A V值 距Q A V算出延长的流量 就可将H Q关系曲线延长 2 水力学公式延长法 与前区别是延长H v曲线时 流速v时根据水力学公式计算的 n 糙率I 水面比降 R 水力半径A 高水延长的断面积 水位 流量关系曲线低水位延长方法 分析法 纵横断面资料确定法 3 4 4 4 流量资料的整理 第四章水文统计4 1随机变量及其概率分布4 2统计参数的估计4 3水文频率计算求矩适线法4 4相关分析 随机变量 1 6 出现某一数值Xi常具有相应的概率 表明这种变量x带有随机性 称为随机变量 或随机变数 相邻两个随机变量之间 不存在中间值 随机变量的一个有限区间内可以取得任何数值 4 1随机变量及其概率分布 随机变量的概率分布 随机变量与其概率一一对应的关系 称为随机变量的概率分布规律 简称概率分布 是随机变量x的分布函数 代表X大于某一取值x的概率 其几何曲线称为概率分布曲线 如果用实测资料点绘的 水文上称为累积频率曲线 2 6 随机变量的分布参数 能说明随机变量统计规律的某些特征数值 称为统计参数 或特征参数 有时为分布参数 4 6 均值 平均数 均值表示系列的分布中心 代表随机变量系列的平均水平 值越大表示累积频率曲线或密度曲线的平均水平值高 值小则平均水平值低 均方差 描述概率分布离散趋势的特征参数 限于比较均值相同的系列 随机变量分布越分散 均方差越大 分布越集中 均方差越小 变差系数 比较两个不同均值系列的离散程度时 采用均方差与均值之比值 用于衡量系列相对离散程度 对于某条河流的年径流量来说 Cv越大 其年际变化越大 若两个河流比较 一般大河的调节作用比小河要大 所以大河年径流分布的Cv值比小河的小 为模比系数 Cv越大 随机变量x的分布越分散 概率分布曲线的左侧抬高 右侧降低 反之 左侧下降 右侧上抬 偏态系数 反映密度曲线的对称特征 即衡量系列在均值的两侧分布对称或不对称 偏态 程度的系数 当Cs 0 密度曲线峰顶在均值的左边 为左偏或正偏 概率分布曲线为向下凹曲线 当Cs 0 密度曲线峰顶在均值的右边 为右偏或负偏 概率分布曲线为向上凸曲线 当Cs 0 密度曲线峰顶在均值处 为对称分布或正态分布 概率分布曲线为一直线 水文现象大多属于正偏 Cs 0 PIII曲线 统计参数对频率曲线的影响为了避免适线时调整参数的盲目性 必须了解统计参数对频率曲线的影响 1 均值对频率曲线的影响 CV CS不变 越大 则频率曲线越高 越陡 2 变差系数CV对频率曲线的影响 CS不变 CV越大 频率曲线变幅越大 左上方向高处上升 右下方向低处下降 3 偏态系数CS对频率曲线的影响 CV不变 CS 0 若CS增大 曲线左上端逐渐变陡 右下端变缓 中间段下凹 称为的伽马函数 皮尔逊III型曲线 英国生物学家皮尔逊 K Pearson 统计分析大量实际资料 发现概率密度函数曲线的图形是单峰式的 且曲线的两端或一端与横轴线渐近相切 曲线七点的横坐标值 待定参数 特定参数 曲线参数与统计参数之间的关系 已知某河洪峰的均值 变差系数 偏态系数如流量的概率分布与皮尔逊III型相符 求累积频率曲线和百年一遇 P 1 的设计洪峰流量值 解答过程 查表3 取Cs 4Cv Cv 0 6的各项P值和对应的Kp值 填入表格 根据公式计算累积频率曲线纵坐标Qp值 以累积频率P为横坐标标点绘在概率格纸上 即是皮尔逊III型累积频率曲线 从曲线上即可查得P 1 的设计流量值 P III曲线的绘制 例题 重现期 重现期T与累积频率P的关系 研究某一年的水文特征值 上述累积频率是指多年平均出现的机会 重现期则是平均若干年出现一次 而不是固定的周期 6 6 4 2统计参数的估计 1 4 总体与样本 统计数学将研究对象中全部个体的总和 称为总体 总体所含个体的数目 叫做总体的容量 总体中的一部分个体称为样本 样体所含的个体的数目叫做样本容量 由于样本是总体的一部分 因此样本的特征在一定程度上反映出总体的特征 2 4 统计参数估计 与随机变量总体的概率分布参数相对应 随机变量样本的累积频率曲线参数也有3个 即均值 变差系数和变态系数 4 2统计参数的估计 3 4 矩法估计样本系列统计参数 1 样本的均值估算 2 样本的变差系数估算 3 样本的偏态系数估算 4 4 抽样误差 由随机抽样而引起的误差 在统计学中称为抽样误差 适线法 以经验频率点数据为基础 给它配置一条拟合最好频率的曲线 4 3水文频率计算求矩适线法 1 1 绘制经验累积频率曲线 矩法求样本统计参数 选定线型 适线 4 4相关分析 1 5 1 相关的种类根据变量之间相互关系的密切程度 变量之间的关系有三种情况 1 完全相关 函数关系 两个变量x与y之间 如果每给定一个x值 就有一个完全确定的y值与之对应 则这两个变量之间的关系就是完全相关 或称函数相关 完全相关的形式有直线关系和曲线关系两种 如图所示 完全相关示意图 2 零相关 没有关系 两变量之间毫无联系 或某一现象 变量 的变化不影响另一现象 变量 的变化 这种关系则称为零相关或没有关系 如图所示 3 相关关系 若两个变量之间的关系界于完全相关和零相关之间 则称为相关关系或统计相关 如图所示 3 相关分析的内容相关分析的内容一般包括三个方面 1 判定变量间是否存在相关关系 若存在 就建立它们之间的相关关系的方程式并计算其相关系数 以判断相关的密切程度 2 根据自变量的值 预报或延长 插补倚变量的值 并对该估值进行误差分析 3 进行因素分析 在对于共同影响一个变量的许多因素中 确定哪些是主要因素 哪些是次要因素 并找出这些因素间的关系 二 简单直线相关 1 相关图解法设xi yi代表同步系列的观测值 共有n对 以自变量xi为横坐标值 以倚变量yi为纵坐标值 把它们的对应值点绘于方格纸上 得到很多相关点 如果相关点的平均趋势近似直线 则判定为简单直线相关 用图解法或计算法求出两变量的直线方程式 y a bx 4 50 式中x 自变量 y 倚变量 a b 待定常数 a表示直线在纵轴上的截距 b为直线的斜率 2 相关计算法为避免相关图解法在定线上的任意性 常采用相关计算法来确定的方程 待定常数a b由计算公式确定 式中 x y系列的均方差 x y系列的均值 r 相关系数 表示x y两系列间的密切程度 2 相关系数及其误差 相关系数是反映两个变量r之间关系密切程度的指标 由S r的关系式可知r2 1 且有 1 若r2 1 说明所有观测点都落在回归线上 均方误Sy或Sx等于0 两变量间具有函数关系 即完全相关 2 若r2 0 说明两变量间不具有直线相关关系 零相关 则均方误达到最大值 Sy y或Sx x 3 若0 r 1 则介于上述两种情况之间 说明两变量间为直线关系 其相关程度密切与否 视r的大小而定 r 越大 相关程度赵密切 均方误Sy或Sx的值越小 r为正值表示正相关 r为负值表示负相关 第五章设计年径流分析计算 5 1概述5 2有长期资料时设计年径流量及年内分配分析计算5 3具有短期实测资料时设计年径流量计算5 4缺乏资料时设计年径流量计算5 5流量历时曲线 5 1概述一 径流特性1 年径流的周期性具有大致以年为周期的汛期与枯季交替变化的规律 2 年径流的年际变化 CV 年际变化很大 有些河流丰水年径流量可达平水年2 3倍 枯水年只有平水年的10 20 3 年径流的多年变化连续丰水年和连续枯水年交替出现 二 影响年径流的因素 1 气象因素2 下垫面因素地形 植被 土壤 地质 湖泊 沼泽 流域大小 3 人类活动 三 影响径流年内分配的因素气象因素 下垫面因素 四 设计年径流计算的目的和任务1 目的 对通过河流某指定断面相应于设计标准的年径流量及各时段径流分配进行计算 2 任务 分析研究年径流量的多年变化及其年内分配规律 提供设计所需要的历年 或代表年 逐月 旬或日 流量成果或相应的统计参数 作为水利计算的依据 3 三种情况根据资料情况 有长期实测资料 短期实测资料 缺乏实测资料 5 2有长期资料时设计年径流量及年内分配分析计算实测年径流系列不小于30年 一 资料 三性 审查1 可靠性测验和整编的正确性 2 一致性资料是否来自同一气候 下垫面条件 常用分项调查法 降雨径流模式法 蒸发差值法修正还原 3 代表性样本分布参数与总体参数分布参数接近程度 一般系列越长 代表性越好 资料代表性分析方法 通过分析系列中丰 平 枯水年和连续丰水段 枯水段的组成及径流变化规律 评价其代表性 具体的 1 径流系列较长时 滑动平均 累积平均 差积曲线等 2 径流系列较短时分析参证站相应系列的代表性 与更长系列参证变量进行比 长短系列对比法 设计站 参证站 长短系列对比法示意图 计算参证站长 短系列参数并比较 如大致接近 可认为参证变量短系列在长系列中具有代表性 从而认为设计站也具有代表性 有长期实测资料情况下 根据调节计算所需资料的具体不同又分三种情况 设计年 月径流量系列 长系列操作法 实际代表年年 月径流量 小型灌溉工程 设计代表年年径流量及年内分配计算 中小型水利工程 二 设计年 月径流量系列的选取适用于调节计算中的长系列操作法 将实测系列按水利年度 以水库蓄水开始作为年的起讫时间 排列为一个新的年 月径流系列 从中选出代表段 代表段中应包括丰 平 枯水年 并且有一个或几个完整的调节周期 代表段中的年径流均值 变差系数应与长系列相近 缺点 对资料要求高 计算工作量大 三 实际代表年 多用于小型灌溉工程 从实测年 径流系列月径流量系列中 选出一实际干旱年作为代表年 用其径流分配过程与该年的用水过程进行调节计算 求出调节库容 确定工程规模 缺点 用该方法求出的调节库容 不一定符合规定的设计保证率 四 设计代表年径流量及年内分配计算1 步骤 按工程要求确定计算时段 对各种时段径流量进行频率计算 求指定频率的各种时段的设计流量值 在实测径流资料中 按一定原则选取各种代表年 灌溉工程只选枯水年 水电工程选丰 平 枯代表年 求设计时段径流量与代表年相应时段流量比值 对代表年径流过程按此值进行缩放 设计时段径流量 设计代表年年内分配计算 2 设计时段径流量 计算时段的确定灌溉工程 一般取灌溉期 水电工程 采用枯水期或年 频率计算按计算时段统计资料 如 以年为时段 则以水利年 以水库蓄水开始作为年的起讫时间 统计 以3月 或其它时段 为计算时段 则统计历年最枯3个月的水量 最后利用适线法确定设计时段径流量 线型一般是P 型 经过论证也可采用其他线型 适线时应侧重考虑中 下部 适当照顾上部点据 CS 2 3CV 3 设计代表年内分配计算方法 缩放代表年径流过程线 代表年的选择 流量相近原则 选择与设计年 时段径流量大小相近的年 对工程不利原则 如 对灌溉工程 选取灌溉需水季节径流较枯年份 对水电工程 选取枯水期较长 径流又较枯的年份 径流年内分配计算 同倍比法 同频率法基本思想 分段缩放 使所求的设计年内分配的各个时段径流量都能符合设计频率 设计的时段流量 或 例5 1 同频率法求年内分配 P 90 设计枯水年 年内分配 资料 某水库18年的年 月径流资料 如表1 1 计算时段 采用年 最小3个月 最小5个月 步骤 求丰水年P 10 平水年P 50 枯水年P 90 时段为年的设计径流量和最小3个月 最小5个月的设计时段径流量 年 月径流资料的整理和分析 列表计算各时段径流量 统计表略 频率计算 配线 成果见表1 2 选择代表年 枯水年代表年 按主要控制时段的水量相近来选代表年 选1964 1965 1971 1972年作为枯水代表年 1964 1965代表年 同频率法 求各时段缩放比K 计算设计枯水年年内分配 用各自的缩放比乘对应的代表年的各月径流量 表5 1 3 5 3具有短期实测资料时设计年径流量计算设计代表站只有短系列径流实测资料 n 20 关键 展延年径流系列 方法 建立设计断面年径流与参证变量 有较长观测系列 的相关关系 来适当展延设计断面年径流系列至规范要求长度 1 参证变量应具备的条件 参证变量与设计断面径流量在成因上有密切关系 参证变量与设计断面径流量有较多的同步观测资料 参证变量的系列较长 并有较好的代表性 2 可选择的参证变量 根据规范 利用本站的水位资料水位 流量关系 利用上下游站或邻近站实测径流资料 利用年降雨资料利用降雨 具有较长的观测系列 与径流的关系 一般应用流域面平均雨量 例5 2 利用上下游站径流资料建立相关关系以插补资料 注意事项 1 避免远距离测验资料的辗转相关C参 C2 C1 C设2 系列外延的幅度不宜过大 一般控制在不超过实测系列的50 例5 3 已知某水利工程的设计代表站有1954 1971年的实测径流资料 其下游有一参证站 有1934 1971年的年径流系列资料 如表5 3 1 其中1953 1954年 1957 1958年 1059 1960年分别被选定为P 50 P 75 P 95 的代表年 其年内的逐月分配如表5 3 2 试求 1 根据参证站资料 将设计站的年径流系列延长至1934 1971年 2 根据延长后的设计年径流系列 绘制年径流频率曲线 3 根据设计站代表年的逐月径流分配 计算设计站P 50 P 75 P 95 年份的逐月径流分配过程 计算过程 1 资料系列展延 结果见表5 3 1 2 频率分析 3 设计站P 50 P 75 P 95 年份的设计年径流分别为 4 设计站月径流分配过程计算 对于p 50 的设计年 5 4缺乏实测径流资料时设计年径流量计算设计断面附近完全没有径流实测资料 方法 利用年径流统计参数的地理分布规律 间接地进行年径流估算 前提 设计流域所在区域内 有水文特征值 例如年径流深均值 Cv Cs等 的综合分析成果 等值线图 或在水文相似区内有径流系列较长的参证站可资利用 具体方法 水文比拟法等值线图法 一 水文比拟法 求多年平均年径流量 CV 用于无资料流域移置水文相似区内相似流域的实测水文特征 多年平均年径流量 CV 要点 将参证站的径流特征值 直接或经过适当修正后移用于设计断面 关键 选择恰当的参证流域 多年平均年径流量的移用 直接移用 考虑修正移用用于修正的参变量 流域面积 多年平均降雨量 原则 气候与下垫面条件相似 年径流深不变 流域面积大 年径流量大 但年径流深不变 平均降雨量大 年径流量大 年径流变差系数CV的估算 直接移用 考虑修正移用用于修正的参变量 降雨量变差系数 原则 降雨量变差系数 径流的变差系数也大 二 等值线图法 年径流均值的估算利用年径流深等值线图 面积加权法 直线内插法 年径流CV CS值的估算查CV值等值线 按比例内插流域重心的CV值 年径流CS值的估算 CS 2 3CV 年径流均值 CV CS P 型曲线表 绘制年径流频率曲线 确定设计频率的年径流值 三 设计年径流年内分配的分析计算 1 使用水文比拟法推求 即直接移用参证流域各种代表年的月径流分配比 2 各省区水文手册分区的丰 平 枯典型分配过程 5 5流量历时曲线流量历时曲线是累积径流发生时间的曲线 表示等于或超过某一流量的时间百分数 流量历时曲线在水利发电 航运等工程设计的水利计算有重要的意义 相对历时 表示某时段内等于 大于某流量数值出现的相对历时 一 多年综合日流量历时曲线根据所有各年份的实测日平均流量资料绘制 二 典型年日流量历时曲线根据选定的各种典型年 丰 平 枯 的实测日流量资料绘制 三 平均日流量历时曲线以各年同历时的日平均流量的平均值为纵坐标 其相应历时为横坐标点绘 是一条虚拟的虚线 第六章小流域设计洪水的计算 6 1概述6 2由流量资料推求设计洪水6 3由暴雨资料推求设计洪水6 4小流域设计洪水估算 6 1概述 一 洪水与设计洪水流域内发生暴雨或融雪时所形成的大量地面径流汇入河流 使河流中流量激增 水位猛涨 这便形成了洪水 减少洪水威胁或根治洪灾 主要措施有两类 1 工程措施 采用一系列水利工程来防止或减轻洪灾损失 常见的工程措施有 蓄洪滞洪工程 湖泊 库 分滞洪区挡水防潮工程 闸 坝 堤防 防洪墙排水泄洪工程 河道 排水渠 管道 泵站伴水工程 桥梁 码头 沿河建筑 长江三峡水利枢纽 拱坝 2 非工程措施 指防洪工程以外的各种防止和减轻洪灾损失的措施 为了解决一个地区或流域的防洪问题 需要作全流域的防洪规划 包括选定各种工程或非工程措施的布设方案以及每项防洪工程的规模尺寸 为此 在规划设计和运用管理这些措施时就会遇到一些水文问题 总的来说 设计洪水计算的目的是通过对暴雨 洪水等资料分析 寻求它们的规律 从而对未来长时期内的洪水情势作出切实可靠的预估 推求出在设计地点将来可能出现的符合设计标准的洪水 对于水利枢纽工程的防洪问题 可分作两类 一类是水库下游地区的防洪问题 另一类是水库本身安全的防洪问题 为考虑自身的安全要进行防洪计算 以确定水库的设计洪水位 校核洪水位 调洪库容和坝高等 二 设计洪水和设计标准设计洪水是指符合设计频率并用于工程设计的一次洪水 设计洪水包括洪峰流量 洪水总量和洪水过程线三部分 设计标准就是工程遭受破坏的风险 用洪水发生的频率或重现期来定义 水利水电工程建筑物的设计标准取决于建筑物的等级 并分为正常应用 设计标准 和非常应用 校核标准 两种情况 按正常运用的洪水标准算出来的洪水称为设计洪水 当河流发生比设计洪水更大的洪水时 选定一个标准称为校核标准 三 设计洪水计算的内容和方法 设计洪水计算内容一般包括设计洪峰流量 不同时段的设计洪水总量和设计洪水过程线三项 工程特点不同 需要计算的设计洪水内容和重点也不同 设计洪水的计算方法 由流量资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水由经验公式求设计洪水 由流量资料推求设计洪水 先求符合一定频率的设计洪峰流量和时段设计洪量 然后通过典型缩放法构成一个完整的设计洪水过程线 由暴雨资料推求设计洪水 假定暴雨与对应的洪水同频率 先推求设计暴雨 经流域产流计算与汇流计算 最后求得设计洪水 6 2由流量资料推求设计洪水 一 洪水资料的选样与审查采用洪峰流量和洪水总量作为特征值进行频率计算 应采用年最大值原则选取洪水系列 即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水总量 组成洪峰流量和洪量系列 洪水资料的审查与处理 洪水资料包括实测洪水资料和调查的历史洪水资料 是洪水频率计算的基础 是决定计算成果精度的关键 在频率计算前一定要对它们的可靠性 一致性和代表性进行审查和处理 1 洪水资料可靠性审查与修正2 洪水资料一致性审查与还原3 洪水资料系列的代表性分析与展延 洪水资料的插补延长 根据短系列洪水资料进行频率计算 成果可能有相当大的误差 满足不了洪水分析计算的要求 为扩大样本容量 减小抽样误差 常用途径是插补展延洪水资料系列 插补延长的方法一般有以下几种 1 根据上下游站的洪水特征值相关关系进行插补延长2 利用本站峰量关系进行插补延长3 利用暴雨径流关系进行插补延长4 根据相邻河流测站的洪水特性特征值进行延长 二 设计洪峰流量和洪量系列的频率计算 历史特大洪水调查的意义我国河流的实测流量资料系列一般不长 通过插补延长的系列也极有限 若只根据短系列资料做频率计算 所得成果很不稳定 往往出现一次新的大洪水以后 就使设计数值发生变动 如果在频率计算中能够正确利用特大洪水资料 所得成果就比较稳定 所谓特大洪水是指比系列中一般洪水大得多的洪水 并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期 特大洪水可以发生在实测流量期间的n年之内 也可以发生在实测流量期间的n年之外 前者称资料内特大洪水 后者称资料外特大洪水 历史特大洪水 历史特大洪水的调查方法 历史洪水调查的主要内容有 洪水发生时间 洪水位 洪水过程 主流方向 断面冲淤变化及影响河道糙率的因素 并了解雨情 灾情 洪水来源 有无漫流 分流 壅水 死水 以及流域自然条件等情况 在此基础上 还要进行洪水痕迹高程测量及行洪断面测量 洪水调查的方法是进行访问 实地查勘和查阅历史文献档案 历史特大洪水大调查考证期中的排位分析 大历史特大洪水的洪峰 洪量定量以后 要对历史洪水大某一时期内的以分析 即确定它们的排位期N和排位序号M 以计算它们的经验频率 排位分析时常可分出三种排位期 1 考证期N1 2 调查期N2 3 实测期n 三 洪峰流量经验频率的计算 经验频率的计算洪水系列 洪峰或洪量 有两种情况 一是系列中没有特大洪水值 大频率计算时各项数值直接按大小顺序统一排位 各项之间没有空位 序数m是连序的 称为连序系列 二是系列中有特大洪水值 特大洪水值的重现期 N 必然大于实测系列年数n 而大N n年内各年的洪水数值无法查得 它们之间存在一些空位 由大到小是不连序的 称为不连序系列 不连序系列的经验频率 有两种估算方法 1 独立样本法一般洪水的经验频率为 特大洪水的经验频率为 2 统一样本法n项实测一般洪水中第m项的经验频率为 式中m 1 2 n若实测系列中有l项作为特大值处理 则为 式中m l 1 l 2 n 四 统计参数的计算用目估配线法确定统计参数 计算公式如下 推求设计洪峰 洪量 根据上述方法计算的参数初估值 用适线法求出洪水频率曲线 然后大频率曲线上求得相应于设计频率的设计洪峰和各统计时段的设计洪量 例6 1 三 设计洪水过程线 设计洪水过程线是指具有某一设计标准的洪水过程线 为了适应工程设计要求 目前采用放大典型洪水过程线的方法 使其洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计标准的频率值 即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线 放大典型洪水过程线时 可选用同频率放大法和同倍比放大法 一 典型洪水过程线的选择 典型洪水过程线是放大的基础 从实测洪水资料选择典型时 资料要可靠 同时考虑下列条件 1 选择峰高量大的洪水过程线 2 要求洪水过程线具有一定的代表性 3 从水库防洪安全着眼 选择对工程防洪运用较为不利的大洪水典型 二 典型洪水过程线的放大 1 同倍比放大法放大系数k的计算公式如下 2 同频率放大法各种放大倍比的计算公式如下 6 3由暴雨资料推求设计洪水 我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成 在实际工作中 中小流域常因流量资料不足无法直接用流量资料推求设计洪水而暴雨资料一般较多 因此可用暴雨资料推求设计洪水 一 概述 二 设计暴雨计算 一 设计暴雨的推求1 推求设计洪水 2 推求设计洪水过程线 由求得的设计暴雨 利用产流方案推求设计净雨过程 利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程 由暴雨资料推求设计洪水 其基本假定是设计暴雨与设计洪水是同频率的 暴雨资料的收集暴雨资料的主要来源是国家水文气象部门所刊印的垣站网观测资料 但也要注意收集有关部门专用雨量站和社队群众雨量站的观测资料 强度特大的暴雨中心点雨量 往往不易为雨量站测到 因此必须结合调查收集暴雨中心范围和历史上特大暴雨资料 了解当时雨情 尽可能估计出调查地点的暴雨量 暴雨资料的审查 我国暴雨资料按其观测方法及观测次数不同 分为日雨量资料 自记雨量资料和分段雨量资料三种 暴雨资料应进行可靠性审查 重点审查特大或特小雨量观测记录是否真实 有无错记或漏测情况 必要时予以纠正 检查自记雨量资料有无仪器故障的影响 并与相应时段雨量观测记录比较 尽可能审定其准确性 统计选样 在收集流域内和附近雨量站的资料并进行分析审查的基础上 先根据当地雨量站的分布情况 选定推求流域平均 面 雨量的计算方法 如算术平均法 泰森多边形法或等雨量线法等 计算每年各次大暴雨的逐日面雨量 然后选定不同的统计时段 按独立选样的原则 统计逐年不同时段的年最大面雨量 对于大 中流域的暴雨统计时段 一般取1d 3d 7d 15d 30d 其中1d 3d 7d暴雨是一次暴雨的核心部分 是直接形成所求设计洪水的总分而统计更长时段的雨量则是为了分析暴雨核心总分起始时刻流域的蓄水状况 面雨量资料的插补展延 一般来说 以多站雨量资料求得的流域平均雨量其精度较少站雨量资料求得的为高 为提高面雨量资料的精度 需设法插补展延较短系列的多站面雨量资料 一般可利用近期的多站平均雨量x多与同期少站平均雨量x少建立相关关系 基相关关系好 可利用相关线展延多站平均雨量作为流域面雨量 暴雨的时面深关系 1 平均雨量 面积曲线如图所示 可以看出平均雨量随笼罩面积的增大而减小 2 平均雨量 历时 面积曲线由图可知 当降雨历时一定时 暴雨所笼罩的面积愈大 则平均雨量愈小 当暴雨笼罩面积一定时 历时愈长 雨量愈大 点面关系 暴雨的点面关系在设计计算中 有以下两种区别和用法 1 定点定面关系对于一次暴雨某种时段的固定暴雨量 有一个相应的固定面暴雨量 则在定点定面条件下的点面折减系数 0 2 动点动面关系在缺乏暴雨资料的流域上求设计面暴雨量时 以暴雨中心点面关系代替定点定面关系 即以流域中心设计点暴雨量及地区综合的暴雨中心点面关系去求设计面暴雨量 这种暴雨中心点面关系是按照各次暴雨的中心与暴雨分布等值线图求得的 各次暴雨中心的位置和暴雨分布不尽相同 所以说是动点动面关系 三 设计净雨的推求 特大值的处理特大值处理的关键是确定重现期 对特大暴雨的重现期必须作深入细致的分析论证 若没有充分的依据 就不宜作特大值处理 若误将一般大暴雨作为特大值处理会使频率计算成果偏低 影响工程安全 直接法求设计面雨量 面雨量统计参数的估计 一般采用适线法 间接推求设计面暴雨量 1 设计点暴雨量的计算推求设计点暴雨量 此点最好在流域的形心处 如果流域形心处或附近有一观测资料系列较长的雨量站 则可利用该站的资料进行频率计算 推求设计暴雨量 若长系列站不在流域中心附近 可先求出流域内各测站的设计点暴雨量 然后绘制设计暴雨量等值线图 用地理插值法推求流域中心站的设计暴雨量 2 设计面暴雨量的计算流域中心设计点暴雨量求得后 要用点面关系折算成设计面暴雨量 设计暴雨时程分配的计算 1 典型暴雨的选择和概化典型暴雨过程应在暴雨特性一致的气候区内选择有代表性的面雨量过程 若资料不足也可由点暴雨量过程来代替 2 缩放典型过程 计算设计暴雨的时程分配选定了典型暴雨过程后 就可有同频率设计暴雨量控制方法 对典型暴雨分段进行缩放 设计净雨计算 净雨量是指降雨扣除损失后剩余的雨量 又称为产流量 设计净雨的推求也就是设计条件下产流量的推求 是从设计暴雨中扣除损失量的计算过程 通常用间接的方法来确定 其常用方法有降雨径流相关图法和初损后损法两种 二 降雨径流相关法 1 降雨径流相关图降雨径流相关图是指流域面雨量与所形成的径流深及影响因素之间的相关曲线 一般以次降雨量H为纵坐标 以相应的径流深Y为横坐标以流域前期影响雨量Pa为参数 然后按点群分布的趋势和规律 定出一条以Pa为参数的等值线 如图所示 2 降雨径流相关图的应用 利用降雨径流相关图由设计暴雨及过程可查出设计净雨及过程 其方法是由时段累加暴雨量查降雨 径流相关图曲线得相应的时段累加净雨量 然后相邻累加净雨量相减得到各时段的设计净雨量 由实测降雨径流资料建立起来的降雨 径流相关图 应用于设计条件时 必须处理如下两方面的问题 1 降雨径流相关图的外延 2 设计条件下P P的确定 设计产流过程的推求 利用降雨 径流相关图和P P值 推求产流过程的具体步骤如下 1 雨量过程按时序逐时段累加起来 求得时段累积雨量H1 H1 H2 H1 H2 H3 H2 H3 2 在y f H1 P P 图上 用时段累积雨量加P P值为纵坐标值 查读横坐标值 求得时段累积径流深Y1 Y2 Y3 3 将各时段累积径流深相减 即求得各时段径流深 从而也就求得了产流过程 即 Y1 Y1 Y2 Y2 Y1 3 设计净雨的划分 对于湿润地区 一次妊所产生的径流量包括地面径流和地下径流两部分 由于地面径流和地下径流的汇流特性不同 在推求洪水过程线时要分别处理 为此在由降雨径流相减图求得设计净雨过程后 需将设计净雨划分为设计地面净雨和设计地下净雨两部分 按蓄满产流方式 当流域降雨使包气带缺水得到满足后 全部降雨形成径流 其中按稳定入渗率fc入渗的水量形成地下径流fg 降雨强度i超过的那部分水量形成地面径流fs 高时段为 t 时段净雨为h 则1 当i fc时 hg fc t hs h hg i fc t 2 当i fc时 hg h i t hs 0 三 初损后损法 初损后损法把实际的下渗过程简化为初损和后损两个阶段 产流以前的总损失水量成为初损 记为I0 后损是流域产流以后下渗的水量 以平均下渗率表示 四 设计洪水过程线 由径流形成过程可知 流域上各点产生的净雨 经过坡地和河网汇流形成出口断面流量过程线的整个过程为流域汇流 设计洪水过程线的推求 就是设计净雨的汇流计算 一般中小流域的设计地面洪水过程线采用综合单位线法来推求 设计地下洪水过程线采用简化的方法推求 综合单位线又分为综合时段单位线和综合瞬时单位线两种 时段单位线及其应用 1 单位线的基本概念单位线是指在给定的流域上 单位时段内均匀降落单位深度的地面净雨 在流域出口断面形成的地面径流过程线称为单位线 如图所示 单位净雨一般取10mm 单位时段可取1h 3h 6h 12h 24h等 依流域大小而定 单位净雨 10mm 单位线包围的面积W 径流量 换算成径流Y应为10mm 可据此校核单位线 由于实际的净雨不一定正好是一个单位和一个时段 所以分析使用时有如下两条假定 1 倍比假定2 叠加假定 2 单位线的推求 1 直接分析法 2 试错优选法 i 1 2 n j 2 m 3 单位线的时段转换 单位线应用时 往往因实际降雨历时和书籍单位线的时段长不相符合 不能任意移用 另外 在对不同流域的单位线进行地区综合时 各流域的单位线也应取相同的时段长才能综合 解决上述问题的方法就是进行单位线的时段转换 最常用的方法是S曲线法 如图所示 4 单位线的应用 根据单位线的设计净雨过程可推求流域出口断面处的地面流量过程线 将此过程加上相应基流过程 即可得到设计洪水过程线 计算步骤如下 1 将设计暴雨过程经产流计算后求得设计净雨过程 并将各时段净雨深化为单位净雨 10mm 的倍数 2 以各时段净雨倍数分别乘以单位线的坐标值 并按时序以此错开一个时段相加 即求得设计净雨过程产生的地面流量过程 3 将所求得的地面满州里过程线加上相应的地下径流过程 即为流域出口断面的设计洪水流量过程线