注册土木工程师培训课程工程水文

1、水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所注册土木工程师培训课程注册土木工程师培训课程主讲教师:梁国华梁国华 Email:第7章 工程水文学基础水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所学学 习习 要要 点点（1 1）水循环概念）水循环概念（2 2）水量平衡原理）水量平衡原理（3 3）工程规划）工程规划设计和施工、运行管理所需的资料主要来源设计和施工、运行管理所需的资料主要来源（4 4）单位线的概念及应用）单位线的概念及应用（5 5）水文现象的特点及水文统计的背景）水文现象的特点及水文统计的背景（6 6）设计洪水及设计频率的概念）设计洪水及设计频率的概念（7 7）参数估计、适

2、线法的基本思想和目的）参数估计、适线法的基本思想和目的（8 8）资料的三性审查：可靠性、一致性和代表性）资料的三性审查：可靠性、一致性和代表性（9 9）推求设计洪水的样本选样方法：年最大法）推求设计洪水的样本选样方法：年最大法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所第7章 工程水文学基础7.1 7.1 工程水文学主要任务工程水文学主要任务7.2 7.2 水文循环与径流形成水文循环与径流形成7.3 7.3 水文测验与水文资料收集水文测验与水文资料收集7.4 7.4 流域产汇流计算流域产汇流计算7.5 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法7.6 7.6 设计洪水与设计年径流设计洪水

3、与设计年径流水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所第7章 工程水文学基础保护区域保护区域库区库区（1）规划设计阶段：）规划设计阶段：确定确定合理合理的的工程工程规模规模（2）施工）施工阶段：阶段：确保规划设计的工程付诸实施确保规划设计的工程付诸实施（3）管理运行阶段：管理运行阶段：发挥工程作用和效益发挥工程作用和效益水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.1 7.1 绪论绪论u工程工程水文学：水文学：应用应用于实际工程的于实际工程的水文学。水文学。它它研究与研究与工程的规划、设计、施工以及运工程的规划、设计、施工以及运营管理营管理有关的水文问题，主要内容为有关的水文问题，主要内容为水文水文计算计

4、算和和水文水文预报预报u工程水文学应用水利工程实施的三个阶段工程水文学应用水利工程实施的三个阶段（1）规划设计阶段：）规划设计阶段：确定确定合理合理的的工程工程规模规模（2）施工）施工阶段：阶段：确保规划设计的工程付诸实施确保规划设计的工程付诸实施（3）管理运行阶段：管理运行阶段：发挥工程作用和效益发挥工程作用和效益水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.1 7.1 绪论绪论水库名称水库名称密云水库密云水库三峡水库三峡水库总库容总库容43.75 亿亿m3393亿亿m3防洪库容防洪库容18.97 亿亿m3221.5亿亿m3坝顶高程坝顶高程160 m185 m设计标准设计标准千年设计洪峰流量千年设

5、计洪峰流量: 15,200m3/s千年设计洪峰流量千年设计洪峰流量: 98,800m3/su工程水文学应用水利工程实施的三个阶段工程水文学应用水利工程实施的三个阶段（1）规划设计阶段：）规划设计阶段：确定确定合理合理的的工程工程规模规模u设计年径流设计年径流u推求设计洪水推求设计洪水（2）施工）施工阶段：确保规划设计的工程付诸实施阶段：确保规划设计的工程付诸实施（3）管理运行阶段：管理运行阶段：发挥工程作用和发挥工程作用和效益效益水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.1 7.1 绪论绪论u工程水文学应用水利工程实施的三个阶段工程水文学应用水利工程实施的三个阶段（1）规划设计阶段：）规划设计阶

6、段：确定确定合理合理的的工程工程规模规模（2）施工阶段：确保规划设计的工程付诸实施）施工阶段：确保规划设计的工程付诸实施u分析整个施工期的来水情势，以确定临时建筑分析整个施工期的来水情势，以确定临时建筑物的物的规模规模u了解了解近期更确切的水情，以确定施工的进度，近期更确切的水情，以确定施工的进度，为施工期的防洪安全提供短期洪水预报为施工期的防洪安全提供短期洪水预报（3）管理运行阶段：管理运行阶段：发挥工程作用和发挥工程作用和效益效益水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.1 7.1 绪论绪论u工程水文学应用水利工程实施的三个阶段工程水文学应用水利工程实施的三个阶段（1）规划设计阶段：）规划设

7、计阶段：确定确定合理合理的的工程工程规模规模（2）施工阶段：确保规划设计的工程付诸实施）施工阶段：确保规划设计的工程付诸实施u水文预报（指导发电、防洪等）水文预报（指导发电、防洪等）u通过水文预报，通过水文预报，了解未来一定时期内的来水情了解未来一定时期内的来水情况，以确定最佳的水调度运营方案，以充分发挥况，以确定最佳的水调度运营方案，以充分发挥工程的效益工程的效益（3）管理运行阶段：管理运行阶段：发挥工程作用和发挥工程作用和效益效益水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所地球水量地球水量与分布与分布7.27.2水文循环与径流形成水文循环与径流形成水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.2 水文循

8、环与径流形成 （1 1）水循环：）水循环：地球上各种水体地球上各种水体通过不断的通过不断的蒸发蒸发、水汽输送、水汽输送、冷凝降落冷凝降落、下渗下渗，形成径流形成径流的的往复循环的过程往复循环的过程主要环节：主要环节：蒸发蒸发、降水降水、下渗下渗、径流径流 （2 2）水循环的作用）水循环的作用u水循环使得人类生产和生活不水循环使得人类生产和生活不可或缺的水资源具有可再生性可或缺的水资源具有可再生性u途径途径及循环的强弱，决定了水及循环的强弱，决定了水资源的地区分布及时程变化资源的地区分布及时程变化（3 3）水循环分类：大循环和小循环）水循环分类：大循环和小循环水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所

9、 大循环大循环：从海洋蒸发的从海洋蒸发的水汽，被气流输送到大陆水汽，被气流输送到大陆而成降水。其中一部分以而成降水。其中一部分以径流的形式从河流汇归海径流的形式从河流汇归海洋；另一部分重新蒸发返洋；另一部分重新蒸发返回大气。这种海陆间的水回大气。这种海陆间的水分交换过程称为分交换过程称为大循环或大循环或外循环外循环7.2 水文循环与径流形成水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 小循环小循环：海洋上蒸发的水海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，这种局又降落到陆地上，这种局部

10、的水文循环称为部的水文循环称为小循环小循环或内循环或内循环7.2 水文循环与径流形成水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 （4 4）水量平衡原理）水量平衡原理 在水循环过程中，对于在水循环过程中，对于任一区域，任一时段，进入任一区域，任一时段，进入的水量与输出的水量之差额的水量与输出的水量之差额必等于其蓄水量的变量，这必等于其蓄水量的变量，这称为称为水量平衡原理水量平衡原理。 7.2 7.2 水文循环与径流形成水文循环与径流形成PERD DS 水量平衡法水量平衡法是分析研究水文现象，建立水文要素之间定是分析研究水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等主要性或定量关系，了解

11、其时空变化规律等主要方法方法SOID=- 水量平衡原理水量平衡原理是水文学的基本原理之一是水文学的基本原理之一SEPD=-R-即：即：水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所蒸蒸 发发降降 水水植物截留植物截留填洼及地面蓄水填洼及地面蓄水土壤蓄水土壤蓄水地下水蓄水地下水蓄水坡面经流坡面经流河河 网网 蓄蓄 水水深层地下水深层地下水地下径流地下径流流域流域出流出流河川径流形成过河川径流形成过程程表层径流或壤中流表层径流或壤中流产流过程产流过程汇流过程汇流过程水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（5 5）径流）径流: :指降落到流域表面上的指降落到流域表面上的雨水，由地面与地下汇入河川，最雨水，由地面

12、与地下汇入河川，最终流出流域出口断面的水流终流出流域出口断面的水流7.2 7.2 水文循环与径流形成水文循环与径流形成（6 6）径流）径流产生过程产生过程p降雨过程降雨过程扣除损失扣除损失净雨过净雨过程程流域汇流流域汇流流量过程流量过程（7 7）径流）径流产生的两个阶段产生的两个阶段p产流过程：降雨转化为净雨的产流过程：降雨转化为净雨的过程过程p汇流过程：净雨转化为河川流汇流过程：净雨转化为河川流量的过程量的过程雨量站雨量站3 3雨量站雨量站1 1雨量站雨量站2 2雨量站雨量站5 5雨量站雨量站4 4雨量站雨量站8 8雨量站雨量站7 7雨量站雨量站6 6流域出口断面流域出口断面水资源与防洪研究

13、所水资源与防洪研究所 （8 8）径流的表示方法和度量单位）径流的表示方法和度量单位 径流径流表示方法表示方法: :流量流量、径流量径流量、径流径流深深等等7.2 水文循环与径流形成 流量流量 Q ：指单位时间通过河流某一断面的水量。常用单位：指单位时间通过河流某一断面的水量。常用单位为为m3/s。流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示。流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示 Q (m3/s) )tW 流量过程线流量过程线 径流径流总量总量 W ：指：指时段时段 T 内内通过河流某一断面的水量。通过河流某一断面的水量。常用单位为常用单位为m3, 亿亿m3 径流径流深深R: 将径流量平铺在整个

14、流域面积将径流量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度，以上所求得的水层深度，以mm为单位。为单位。水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（1 1）水文测验主要内容）水文测验主要内容l水位、流量、降水量、蒸发量、泥沙水位、流量、降水量、蒸发量、泥沙l其他其他：下：下渗量、水温渗量、水温、冰、冰情情、 水质、水质、地下地下水流量等水流量等7.3 水文测验与水文资料收集（2 2）水文站网水文站网: :水文测站在地理水文测站在地理上的分布网上的分布网 水文站网的作用水文站网的作用: :单个水文单个水文测站观测到的水文资料，只测站观测到的水文资料，只能代表站址处的水文情况。能代表站址处的水文情况。在流域内

15、的一些适当地点设在流域内的一些适当地点设站观测，对所得水文资料进站观测，对所得水文资料进行整理分析，就可以内插出行整理分析，就可以内插出流域内任何地点的水文要素流域内任何地点的水文要素的特征值的特征值水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.3 水文测验与水文资料收集（3 3）水位观测）水位观测n 观测设备观测设备：水尺水尺和自记水位计两和自记水位计两类类n 观测基面：观测基面：青岛黄海基面青岛黄海基面水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（b,h）),( hbfv=bhAVQ=式中式中, Q 流量流量, m3/s; 断面平均流速断面平均流速, m/s; A 过水断面面积过水断面面积, m2.V7

16、.3 水文测验与水文资料收集（4 4）流量）流量测验测验 n定义：定义：单位时间内通过河流某断面的水量单位时间内通过河流某断面的水量(m3/s)n流量主要测量方法流量主要测量方法l流速仪测流流速仪测流水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.3 水文测验与水文资料收集（5 5）蒸发测验）蒸发测验 蒸发皿（器）类型有：蒸发皿（器）类型有：E - 601型型大型蒸发池大型蒸发池l=5m、A=20m2l=11.3m、A=100m2蒸发皿观测：蒸发皿观测：通过对蒸发皿的水面蒸发直接观测通过对蒸发皿的水面蒸发直接观测水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.3 水文测验与水文资料收集（6 6）降水测验）降水

17、测验 n 雨量器：雨量器： 直接直接观测降水量的器具，它由承雨器、漏斗、储观测降水量的器具，它由承雨器、漏斗、储水瓶和雨量杯组成，承雨器口径为水瓶和雨量杯组成，承雨器口径为200mm，分辨率为，分辨率为0.1mmn 自记雨量计自记雨量计称重称重式：式： 可连续记录降水重量，可连续记录降水重量，包括雪、冰雹及混合包括雪、冰雹及混合降水降水虹吸虹吸式：式：记录记录累积雨量累积雨量曲线曲线翻斗翻斗式：式： 翻斗每承接翻斗每承接0.1mm雨雨水向记录器输送一个脉冲水向记录器输送一个脉冲信号信号较为较为适用作适用作遥测雨量计遥测雨量计水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（7 7）水文）水文调查调查n 洪

18、水调查洪水调查：大洪水造成河道决口、水库溃坝大洪水造成河道决口、水库溃坝等灾害性洪水调查，调查工作洪水痕迹、洪等灾害性洪水调查，调查工作洪水痕迹、洪水发生的时间、灾情测量、洪水痕迹的水发生的时间、灾情测量、洪水痕迹的高程高程7.3 水文测验与水文资料收集n 枯水枯水调查：调查：为了正确拟定设计最低通航水位，为了正确拟定设计最低通航水位，取得枯水资料具有重要意义，枯水调查的主取得枯水资料具有重要意义，枯水调查的主要目的是取得历史上曾发生的最枯水位要目的是取得历史上曾发生的最枯水位。n 水文遥感水文遥感：污染、藻类污染、藻类繁殖、繁殖、堤防堤防决口、淹没决口、淹没范围、泥沙范围、泥沙淤积及河床淤积

19、及河床演变、演变、降水量测降水量测定及水情定及水情预报等预报等水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所问题：问题：水文站测得的原始数据能否直接应用水文站测得的原始数据能否直接应用? ?水文信息处理（资料整编）：水文信息处理（资料整编）：水文信息的加工、处理过程。水文信息的加工、处理过程。即即各种水文原始信息，按科学的方法和统一的格式各种水文原始信息，按科学的方法和统一的格式整理、分整理、分析、统计析、统计、提炼提炼成为成为系统、完整、有一定精度的水文资料系统、完整、有一定精度的水文资料，供水文水利计算和有关国民经济部门应用。供水文水利计算和有关国民经济部门应用。工作内容：工作内容： 收集校核原始数

20、据；收集校核原始数据； 编制实编制实测成果表；测成果表； 确定关系曲线确定关系曲线，推求逐时、逐日，推求逐时、逐日值；值； 编制逐日表及洪水水文要素摘录表；编制逐日表及洪水水文要素摘录表； 合理性检查；合理性检查； 编制处理（整编）说明书编制处理（整编）说明书降雨降雨水位水位流量流量7.3 水文测验与水文资料收集水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（8 8）水文）水文数据处理成果的刊布数据处理成果的刊布 n 水文年鉴：水文年鉴：按按全国统一规定全国统一规定对观测的数据进行处理后的资料，由主管对观测的数据进行处理后的资料，由主管单位分流域、干支流及上下游，单位分流域、干支流及上下游，每年刊布一每

21、年刊布一次。次。19861986年起陆续实行计年起陆续实行计算机存贮、算机存贮、检索检索n 无无资料地区的水文设计值推求资料地区的水文设计值推求：水文手册和水文图水文手册和水文图集集7.3 水文测验与水文资料收集请问：进行工程设计时，所需的水文资料主要来源？请问：进行工程设计时，所需的水文资料主要来源？水文年鉴水文年鉴水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所雨量站雨量站3 3雨量站雨量站1 1雨量站雨量站2 2雨量站雨量站5 5雨量站雨量站4 4雨量站雨量站8 8雨量站雨量站7 7雨量站雨量站6 6流域出口断面流域出口断面流量流量Q Q时间时间T Tm3/s流域出口流量过程流域出口流量过程在实际调

22、度需要提前在实际调度需要提前知道这场降雨：知道这场降雨：洪峰流量洪峰流量流量过程流量过程洪水总量洪水总量或径流量或径流量或净雨或净雨测验到的流域历史降雨径流资料研究：测验到的流域历史降雨径流资料研究：（1）产流）产流计算模型与方法；（计算模型与方法；（2）汇流计算模型与方法）汇流计算模型与方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所PRR Q产流方案产流方案P（t）R（t） 场次洪水降雨场次洪水降雨场次洪水径流量场次洪水径流量Q（t）场次洪水流量过程场次洪水流量过程用于设计条件时，用于设计条件时，则可由设计暴雨推则可由设计暴雨推求设计洪水求设计洪水用于预报时，则由用于预报时，则由实际暴雨预报洪水实

23、际暴雨预报洪水汇流方案汇流方案流域产流方案与汇流方案制定流域产流方案与汇流方案制定方案应用方案应用P Pa= 0 20 40 60 80 100R450PR123456789 10 11 12 13 14 15T (h) q (m3/s) 时段单位线时段单位线7.4 流域产汇流计算流域产汇流计算水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所2022年6月16日22时06分流域产汇流计算一般需要先对实测暴雨、径流和蒸发等资料做一定流域产汇流计算一般需要先对实测暴雨、径流和蒸发等资料做一定的整理分析，以便在定量上研究它们之间的因果关系和规律的整理分析，以便在定量上研究它们之间的因果关系和规律 产流计算：产流

24、计算：降雨扣除植物截降雨扣除植物截留、填洼、下渗的损失后，剩留、填洼、下渗的损失后，剩余的部分称为净雨，净雨量的余的部分称为净雨，净雨量的计算称为产流计算称为产流计算计算产流产流方案：方案：流域降雨径流之间流域降雨径流之间关系的定量描述关系的定量描述P（t）降雨过程降雨过程PR产流预报方案产流预报方案R Q汇流预报方案汇流预报方案R（t）预报净雨过程预报净雨过程Q（t）预报流量过程预报流量过程产流计算产流计算汇流计算汇流计算汇流计算：汇流计算：由净雨推求流域出由净雨推求流域出口断面流量的过程，称为汇流口断面流量的过程，称为汇流计算计算流域汇流方案：流域汇流方案：流域净雨与所流域净雨与所形成的出

25、口端面流量过程之间形成的出口端面流量过程之间关系的定量描述关系的定量描述水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.4.1.1 推求推求流域面雨量的方法流域面雨量的方法108126132563（1 1）算术平均法）算术平均法 当流域内雨量站分当流域内雨量站分布较均匀，地形起伏变化不大时，可用布较均匀，地形起伏变化不大时，可用算术平均法求得流域上的平均降水量算术平均法求得流域上的平均降水量7.4 流域产汇流计算（2 2）垂直平分法：）垂直平分法：垂直平分法垂直平分法也称为泰森多边形法。每个多边也称为泰森多边形法。每个多边形内有一个雨量站，以每个多边形内有一个雨量站，以每个多边形内雨量站的雨量代表该多

26、边形形内雨量站的雨量代表该多边形面积上的降雨量，最后按面积加面积上的降雨量，最后按面积加权推求流域平均权推求流域平均降雨量降雨量=nliipnP1。 。 。 f1 f2 f3 f4 P1P2P3P4=niiifPFP11水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所Qtabct0 h7.4.1.2 次次洪径流量的计算洪径流量的计算 流域流域出口断面的实测流量过程线包括出口断面的实测流量过程线包括: 前期一场降雨产生的部分未退完的径流量前期一场降雨产生的部分未退完的径流量 本次降雨形成的径流本次降雨形成的径流7.4 流域产汇流计算流域产汇流计算FtQFtQQRniiniii=D=D=1016.326.3水

27、资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.4 流域产汇流计算P 相同时，相同时，Pa 愈大，损失愈小，愈大，损失愈小，则则 R 愈大愈大 Pa 相同时，相同时，P 愈大，相对于愈大，相对于 P 损损失愈小，失愈小， 径流系数愈大，则径流系数愈大，则 R 愈大，因此愈大，因此 PR 线的坡度随线的坡度随 P 的增大而的增大而减缓减缓PP Pa= 0 20 40 60 80 100 mmR450R在关系线的上段表现为一组平行线在关系线的上段表现为一组平行线)(,1,ttataPPKP = = 水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.4.3 流域汇流流域汇流计算计算-单位线法单位线法 (1) 单位线的

28、基本概念单位线的基本概念 单位线：单位线：单位时段内均匀分布的单位净单位时段内均匀分布的单位净雨雨量所量所形成的流域出口断面流量过程线形成的流域出口断面流量过程线q t 。单位单位线的净线的净雨量一般雨量一般取取10mm7.4 流域产汇流计算252626242525tqih=10mm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (时段时段) D Dt =3hq(t)Fdttqt/)(0 = =RFtqD=6.3mm10= =水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 倍比假定倍比假定 若单位时段内的净雨不是一若单位时段内的净雨不是一个单位个单位,而是而是n倍个单位，则它倍个

29、单位，则它所形成的流量过程线总历时与所形成的流量过程线总历时与单位线底长相等，而流量是单单位线底长相等，而流量是单位线的位线的n倍倍 nqitqinhh（2 2）两）两个基本假定个基本假定: : 倍比假定倍比假定; ; 迭加假定迭加假定7.4 流域产汇流计算u问题问题1：若净雨不是一个单位，若净雨不是一个单位，即即时段净雨不正好是时段净雨不正好是10mmu问题问题2：净雨历时也不是一个时段，而是多个时段净雨净雨历时也不是一个时段，而是多个时段净雨那么如何利用单位线进行汇流计算那么如何利用单位线进行汇流计算 ？水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 迭加迭加假定假定若若净雨不是一个时段净雨不是一个

30、时段,而是而是m个个时段，则它们各自所形成的流时段，则它们各自所形成的流量过程线之间互不干扰，而总量过程线之间互不干扰，而总流量过程线等于流量过程线等于m个流量过程个流量过程线相互错开一个时段的迭加线相互错开一个时段的迭加（2 2）两）两个基本假定个基本假定: : 倍比假定倍比假定; ; 迭加假定迭加假定7.4 流域产汇流计算u问题问题1：若净雨不是一个单位，若净雨不是一个单位，即即时段净雨不正好是时段净雨不正好是10mmu问题问题2：净雨历时也不是一个时段，而是多个时段净雨净雨历时也不是一个时段，而是多个时段净雨那么如何利用单位线进行汇流计算那么如何利用单位线进行汇流计算 ？tR1+R2+R

31、3R2R3R1水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所1)1) 降雨强度降雨强度 降雨降雨中心位置在流域中上游形成的洪水，汇流路径长，受流域调蓄中心位置在流域中上游形成的洪水，汇流路径长，受流域调蓄作用大，故洪水过程较平缓，则此类洪水推求到的单位线过程平缓，峰作用大，故洪水过程较平缓，则此类洪水推求到的单位线过程平缓，峰低且峰现时间偏后，如同图中低且峰现时间偏后，如同图中 ，反之亦反，反之亦反 ( 3 ) 单位线的主要影响因素单位线的主要影响因素2) 2) 降雨中心位置降雨中心位置 降雨强度降雨强度大，则形成大洪水，一般流速大，则形成大洪水，一般流速大，汇流快，则单位线尖瘦、峰高且峰现时大，汇流快

32、，则单位线尖瘦、峰高且峰现时间早，如同图中间早，如同图中 ，反之亦反，反之亦反7.4 流域产汇流计算( 4 ) 例子例子如流域如流域暴雨中心在上游的单位线比暴雨中心在下游的单位线（暴雨中心在上游的单位线比暴雨中心在下游的单位线（ ）A.峰值小，峰现时间早峰值小，峰现时间早 B.峰值大，峰现时间早峰值大，峰现时间早C.峰值小，峰现时间迟峰值小，峰现时间迟 D.峰值大，峰现时间迟峰值大，峰现时间迟水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所u水文现象水文现象 水文现象是自然现象的一种，在其发生和演变过水文现象是自然现象的一种，在其发生和演变过程中，包含着程中，包含着必然性必然性的一面，也包着的一面，也包着

33、偶然性（随机性偶然性（随机性）的一面。的一面。 必然现象必然现象是在一定条件是在一定条件下，必然出现或不出现下，必然出现或不出现的现象的现象如：降水如：降水径流径流偶然现象偶然现象是在一定条件下是在一定条件下，可能出现也可能不出现，可能出现也可能不出现的现象的现象（随机现象）（随机现象）如：河流如：河流断面流量断面流量 7.5 水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所u水文统计学研究的任务水文统计学研究的任务 研究研究和分析水文随机和分析水文随机现象的统计变化特性，并现象的统计变化特性，并以此为基础对水文现象未以此为基础对水文现象未来可能的长期变化做出在来可能的长期变化做出

34、在概率意义上的概率意义上的定量估计定量估计，以满足工程规划、设计、以满足工程规划、设计、施工及运营期间的需要。施工及运营期间的需要。洪水统计变化规律洪水统计变化规律新设计水库新设计水库, ,防洪安全防洪安全洪水资料洪水资料可能洪水估计可能洪水估计 7.5 水文统计的基本知识及方法u水文学水文学主要研究方法主要研究方法：成因分析法，水文统计法成因分析法，水文统计法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.5 水文统计的基本知识及方法 7.5.1 水文统计研究的背景水文统计研究的背景p水文水文变化过程具有变化过程具有不确定性不确定性和和随机性随机性，故可用，故可用统计方法统计方法探讨其概率特性。工

35、程规划设计中从经济与安全的综合探讨其概率特性。工程规划设计中从经济与安全的综合考虑出发，广泛地采用考虑出发，广泛地采用设计频率设计频率与与设计保证率设计保证率作为决定作为决定工程规模工程规模的一项标准的客观背景的一项标准的客观背景p进行水文过程频率分析的目的是进行水文过程频率分析的目的是推求符合设计保证率的推求符合设计保证率的径流量过程线径流量过程线或或符合设计频率的洪水过程线符合设计频率的洪水过程线水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.5 水文统计的基本知识及方法 7.5.2 水文频率分析水文频率分析 （1）水文频率曲线水文频率曲线u概率论中是用概率论中是用概率密度函数概率密度函数或或概率

36、分布函数概率分布函数来表示来表示随机变随机变量各种取值量各种取值的可能性的可能性u水文频率分析水文频率分析是通过实际观测资料的统计来研究是通过实际观测资料的统计来研究水文随机水文随机变量各种取值变量各种取值的可能性的可能性u在工程的规划设计阶段，水文频率分析的任务就是找出代在工程的规划设计阶段，水文频率分析的任务就是找出代表各种水文随机变量的分布规律的表各种水文随机变量的分布规律的频率曲线频率曲线水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（2 2）水文水文频率分析中常用的频率分析中常用的分布分布皮皮尔逊尔逊型分布型分布 皮皮尔逊尔逊型曲线：型曲线：一端有限一端无限的不对称单峰曲一端有限一端无限的不对

37、称单峰曲线，概率密度函数为线，概率密度函数为)(100)()()(axeaxxf- - - - - = = 7.5 水文统计的基本知识及方法 提示提示：一般：一般选配选配皮尔逊皮尔逊IIIIII型型分布曲线分布曲线，是因为，是因为经验经验表明该表明该线型能与我国大多数地区水文线型能与我国大多数地区水文变量的频率分布配合变量的频率分布配合良好良好水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 P型型分布的积分无解析解，实用中制表查用分布的积分无解析解，实用中制表查用。（3）频率）频率 P 求解求解方法方法 已知已知 x、Cv、Cs，由由 f(x) 推求推求F(x) - - - - - = = = =pxa

38、xpxeaxxXPxFd)()()()()(100 取标准化变量取标准化变量 （离均系数）（离均系数）)1( vCxx = = ddvCxx = = = = = = psppCfPxXP d),()()(vCxxx/)(-= 给定给定Cs即得到即得到p和和P的对应值，制定出的对应值，制定出p Csp 对应数值表对应数值表7.5 水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.5.2.4 统计参数估算统计参数估算（1）样本与总体：）样本与总体： 随机变量所取数值的全体称为随机变量所取数值的全体称为总体总体，从总体中任意抽取的一部分称为从总体中任意抽取的一部分称为样本样本，样本中所

39、包，样本中所包括的项数称为括的项数称为样本容量样本容量。（2）水文变量）水文变量的总体是指自古迄今以至未来的水文系的总体是指自古迄今以至未来的水文系列，现有的水文观测系列可以当作总体的一个样本。列，现有的水文观测系列可以当作总体的一个样本。（3）参数估计：）参数估计：用有限的样本观测数据去估计总体分用有限的样本观测数据去估计总体分布线型中的参数布线型中的参数7.5 水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所u矩法估计参数矩法估计参数 用用样本矩估计总体矩，并通过矩和参数之间的关系，样本矩估计总体矩，并通过矩和参数之间的关系，来估计频率曲线参数的一种来估计频率曲线参数的一种方法

40、。方法。水文水文上采用经修正（无上采用经修正（无偏估计）后的矩法公式偏估计）后的矩法公式样本均值样本均值 = = =niixnx11 = =- - -= =niixxn12)(11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - niivsKCnC133)1()3(1样本标准差样本标准差样本变差系数样本变差系数样本偏态系数样本偏态系数 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所（4） P型曲线的应用步骤型曲线的应用步骤u由样本估计出由样本估计出Cs，查，查 值表得出不同值表得出不同 P 的的 p 值值u估计出估计出E

41、(x)、Cv 值，通过式值，通过式 求出与各种求出与各种 P 相应的相应的 xp 值；值；u绘制频率曲线绘制频率曲线)1(pvpCxx = =7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法 7.5.2.5 现行水文频率计算方法现行水文频率计算方法适线法适线法概率数据u 由由样本估计，绘制出来的频率样本估计，绘制出来的频率曲线没有外延性，需推求理论曲线没有外延性，需推求理论频率曲线，获得各种频率的设频率曲线，获得各种频率的设计值，因此需要配线计值，因此需要配线u 根据根据估计的频率分布曲线与样

42、估计的频率分布曲线与样本经验点据分布配合最佳来优本经验点据分布配合最佳来优选参数的方法叫做选参数的方法叫做适线法适线法。实实质是通过样本的经验分布去探质是通过样本的经验分布去探求总体的分布求总体的分布u 适线法适线法层次清楚，图象显明，方法灵活，操作容易，所以在水层次清楚，图象显明，方法灵活，操作容易，所以在水文计算中被广泛采用文计算中被广泛采用P( X xm ) = m / (n+1)水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 水文上用水文上用期望值公式期望值公式估计频率：估计频率： P( X xm ) = m / (n+1) 重现期：重现期：指在许多试验中，某一事件重复出现的时间间隔的指在许多试

43、验中，某一事件重复出现的时间间隔的平均数平均数（某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称（某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇）。在工程水文中，重现期用字母多少年一遇）。在工程水文中，重现期用字母 T 表示，一般以年为表示，一般以年为单位单位。（1）经验频率）经验频率 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法 目估适线法（目估配线法）的原理：目估适线法（目估配线法）的原理：根据经验频率点据，找出根据经验频率点据，找出配合最佳之频率曲线，相应的分布参数为总体分布参数的估计值，配合最佳之频率曲线，相应的分布参数为总体分布参数的估计值，以此来估计水文

44、要素总体的统计以此来估计水文要素总体的统计规律规律 （2）目估适线法）目估适线法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 = = =niixnx11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - niivsKCnC133)1()3(1P( X xm ) = m / (n+1)水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所目估适线法计算步骤目估适线法计算步骤 将实测资料由将实测资料由大到小排列，计算各大到小排列，计算各项的经验频率，在频项的经验频率，在频率格纸上点绘经验点率格纸上点绘经验点据（纵坐标为变量的据（纵坐标为变量的取值，横坐标为对应取值，横坐标为对应的经验频率）的经验频

45、率）概率数据 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法P( X xm ) = m / (n+1)某某站站年年降降水水量量频频率率计计算算表表水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 选定水文频率分布选定水文频率分布线型（一般选用线型（一般选用皮尔逊皮尔逊型型） 先采用矩法或其它先采用矩法或其它方法估计出频率曲线参数方法估计出频率曲线参数的初估值的初估值 、Cv，而而Cs凭凭经验初选为经验初选为Cv的倍数的倍数x概率数据 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法 = = =niixnx11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - n

46、iivsKCnC133)1()3(1（3）目估适线目估适线法步骤法步骤 经验频率分析经验频率分析水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所可通过调整可通过调整 、Cv和和Cs 点绘频率曲线。点绘频率曲线。 根据拟定的根据拟定的 、Cv和和Cs，查表计算，查表计算Xp 值。以值。以Xp为纵坐标为纵坐标，P为横坐标，即得到为横坐标，即得到频率曲线。将此线画频率曲线。将此线画在绘有经验点据的图在绘有经验点据的图上，看与经验点据配上，看与经验点据配合情况合情况 。若不理想，。若不理想，xx概率数据 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法)1(pvpCxx = =水资源与防洪研究所水资源与防

47、洪研究所概率数据 根据频率曲线根据频率曲线与经验点据的配合情况与经验点据的配合情况，从中选出一条与经验，从中选出一条与经验点据配合较好的曲线作点据配合较好的曲线作为采用曲线，相应于该为采用曲线，相应于该曲线的曲线的参数参数 、Cv和和Cs，便便看作是总体参数的看作是总体参数的估值。估值。 求指定频率的水文变量设计求指定频率的水文变量设计值值 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法)1(pvpCxx = =x水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法 知识知识点总结：点总结：（1）目）目估适线法（目估配线法）的原理：估适线法（

48、目估配线法）的原理：根据经验频率点据，根据经验频率点据，找出配合最佳之频率曲线找出配合最佳之频率曲线，是通过调整，是通过调整 、 Cv 和和Cs 等分布参等分布参数实现的数实现的（2）一般选配皮尔逊）一般选配皮尔逊III型分布曲线，是因为经验表明该线型分布曲线，是因为经验表明该线型能与我国大多数地区水文变量的频率分布配合型能与我国大多数地区水文变量的频率分布配合良好良好（3）水文现象的特点：确定性、随机性和地区性）水文现象的特点：确定性、随机性和地区性x水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法 7.5.3 样本分析样本分析u 通过统计分析来

49、估计某种随机事件的概率特性，必须要有通过统计分析来估计某种随机事件的概率特性，必须要有一个好的样本作为基础。因此，尽可能地提高样本资料的一个好的样本作为基础。因此，尽可能地提高样本资料的质量是一个非常关键的环节。质量是一个非常关键的环节。u样本资料的质量主要反映在是否满足下列三方面的要求：样本资料的质量主要反映在是否满足下列三方面的要求：p资料应具有充分的资料应具有充分的可靠性可靠性p资料的基础应具有资料的基础应具有一致性一致性p样本系列应具有充分的样本系列应具有充分的代表性代表性水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所7.5.3.1可靠性审查可靠性审查 可靠性审查应从审查测验方法、采集成果、处理

50、方法和处可靠性审查应从审查测验方法、采集成果、处理方法和处理成果着手。一般可从以下几个方面来进行：理成果着手。一般可从以下几个方面来进行： 水位资料审查：水位资料审查：检查原始水位资料情况，分析水位过程线形状，检查原始水位资料情况，分析水位过程线形状，了解当时观测质量，分析有无不合理现象。了解当时观测质量，分析有无不合理现象。 水位流量关系曲线审查：水位流量关系曲线审查：检查水位流量关系曲线绘制和延长检查水位流量关系曲线绘制和延长的方法，分析历年水位流量关系曲线的变化情况。的方法，分析历年水位流量关系曲线的变化情况。 水量平衡审查：水量平衡审查：根据水量平衡原理，下游站径流量等于上游站根据水量

51、平衡原理，下游站径流量等于上游站径流量加区间流量。通过水量平衡检查即可衡量径流资料精度。径流量加区间流量。通过水量平衡检查即可衡量径流资料精度。审查时应特别注意：审查时应特别注意：1949年前的水文资料质量较差年前的水文资料质量较差 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所2022年6月16日22时06分7.5.3.2一致性审查一致性审查 应用数理统计方法进行计算分析时，要求组成系列应用数理统计方法进行计算分析时，要求组成系列的水文资料都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件的水文资料都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一测量断面上获取的

52、（同一成因）。年径流系列的和同一测量断面上获取的（同一成因）。年径流系列的一致性是建立在一致性是建立在气候条件气候条件和和下垫面条件下垫面条件稳定性的基础上稳定性的基础上 气候条件：气候条件：变化不是非常显著，认为径流系列具有一致性。变化不是非常显著，认为径流系列具有一致性。 人类活动影响下垫面：人类活动影响下垫面：蓄水、供水、水土保持、引水工程蓄水、供水、水土保持、引水工程等，改变了天然径流过程。需考虑径流的还原计算，使得全部等，改变了天然径流过程。需考虑径流的还原计算，使得全部系列建立在同一基础上系列建立在同一基础上。 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研

53、究所水资源与防洪研究所 u资料代表性审查资料代表性审查 指指样本的统计特征样本的统计特征能否反映能否反映总体的统计特征总体的统计特征 。 实测年径流系列是总体的一个随机样本。实测年径流系列是总体的一个随机样本。样本对总体的代表性样本对总体的代表性的好坏的好坏反映在样本的统计参数与总体统计参数的接近程度，样反映在样本的统计参数与总体统计参数的接近程度，样本代表性愈高，则设计结果精度愈好。本代表性愈高，则设计结果精度愈好。数理统计原理数理统计原理当样本容量愈大，则抽样误当样本容量愈大，则抽样误差愈小，说明长系列样本代差愈小，说明长系列样本代表性高的可能性要大。表性高的可能性要大。实测样本水文代表性

54、衡量实测样本水文代表性衡量通过与有成因联系的更长期通过与有成因联系的更长期的其它系列（视为近似代表的其它系列（视为近似代表总体）的分布参数作比较。总体）的分布参数作比较。 7.5 水文统计的基本知识及方法水文统计的基本知识及方法水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所QBt1t2TDCtAEQ mWQm：洪峰流量洪峰流量(m3/s)，一次洪水过程中的，一次洪水过程中的最大流量；最大流量；W ：一次洪水的总径流量一次洪水的总径流量(m3)，即，即ABCDE所包围的面积；所包围的面积；A：洪水起涨点洪水起涨点；B：洪峰点洪峰点；C：退水结束点退水结束点； t1：涨水历时；涨水历时；t2：退水历时；退水

55、历时；T：洪水总历时洪水总历时(T= t1+ t2) 7.6 设计洪水与设计年径流的推求设计洪水与设计年径流的推求7.6.1 7.6.1 设计洪水推求设计洪水推求 （1）洪水过程特征要素：）洪水过程特征要素：洪峰、洪量和洪水过程洪峰、洪量和洪水过程水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.6 设计洪水与设计年径流的推求设计洪水与设计年径流的推求(2)(2)设计洪水设计洪水和和设计标准设计标准u 设计任何水工建筑物时，都需要选定某一量级的洪水作为设计依据，设计任何水工建筑物时，都需要选定某一量级的洪水作为设计依据，以便确定工程的规模。以便确定工程的规模。u 现行的方法是选择某一频率现行的方法是选

56、择某一频率（如（如1%、0.1%）的洪水作为设计依据，或的洪水作为设计依据，或标准标准。设计标准确定后，按标准推求的洪水，称为。设计标准确定后，按标准推求的洪水，称为设计洪水设计洪水。如：。如：p 在水利工程的规划与设计中，按工程的种类、重要性，将水工建筑在水利工程的规划与设计中，按工程的种类、重要性，将水工建筑物划分为若干等级，根据不同级别规定出相应的物划分为若干等级，根据不同级别规定出相应的设计标准设计标准。p 正常运用条件下，根据正常运用条件下，根据设计洪水设计洪水，调节计算决定水利枢纽工程的，调节计算决定水利枢纽工程的设设计洪水位计洪水位。若所设计的水工建筑物负担保护下游地区的防洪任务

57、时，。若所设计的水工建筑物负担保护下游地区的防洪任务时，还规定有还规定有下游防护对象的防洪标准下游防护对象的防洪标准, , 但此但此标准都比大坝的设计标准标准都比大坝的设计标准低低，通过洪水调节计算求得相应的，通过洪水调节计算求得相应的防洪高水位防洪高水位。水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所2022年6月16日22时06分表表7.6.1 水库工程水工建筑物的防洪标准水库工程水工建筑物的防洪标准水工建水工建筑筑物级别物级别防洪标准防洪标准重现期（年）重现期（年）山区、丘陵区山区、丘陵区平原区、滨海区平原区、滨海区设设 计计校校 核核设设 计计校校 核核混凝土坝、浆砌石坝及混凝土坝、浆砌石坝及其

58、他水工建筑物其他水工建筑物土坝、堆石坝土坝、堆石坝1100050050002000可能最大洪水（可能最大洪水（PMF）或或1000050003001002000100025001002000100050002000100501000300310050100050020001000502030010045030500200100030020101005053020200100300200105020等等级级防护区人口防护区人口（万人）（万人）防护区耕地面防护区耕地面积（万亩）积（万亩）防洪标准防洪标准重现期（年）重现期（年）150300100501505030010050305020100303

59、02020302010等等级级重要性重要性非农业人非农业人口（万人）口（万人）防洪标准防洪标准重现期（年）重现期（年）特别重要的城市特别重要的城市150200重要的城市重要的城等城市中等城市502010050一般城镇一般城镇205020 表表7.5.6 乡村防护区的等级和防洪标准乡村防护区的等级和防洪标准表表7.5.5 城市的等级和防洪标准城市的等级和防洪标准水资源与防洪研究所水资源与防洪研究所 7.6 设计洪水与设计年径流的推求设计洪水与设计年径流的推求（3）设计洪水设计洪水计算的内容和方法计算的内容和方法 1 1）设计洪水计算的内容）设计洪水计算的内容 u主要包括

60、主要包括设计洪峰流量设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量不同时段的设计洪水总量（最大（最大一、三、五、七、十五日一、三、五、七、十五日）和）和设计洪水过程设计洪水过程等三项内容。等三项内容。工程特点不同，需要计算的设计洪水内容和重点亦不同。工程特点不同，需要计算的设计洪水内容和重点亦不同。u 如蓄洪区、水库工程，有一定的如蓄洪区、水库工程，有一定的调节库容调节库容，水库的出流过程与水库，水库的出流过程与水库的整个入流过程有关，不只是与一、两个入流洪水特征（如的整个入流过程有关，不只是与一、两个入流洪水特征（如峰或某峰或某时段洪量时段洪量）有关。此时，不仅需要计算）有关。此时，不仅需要计算设计洪