水文分析与计算

水文水利计算是工程水文的重要组成局部，分为水文计算和水利计算。根本任务水文计算：分析水文要素变化规律，为水利工程的建设供给将来水文情势预估。计参数和调度允许方式。一、水文计算的主要争论方法设计标准争论进展基于风险理论的防洪标准争论不确定性理论二、水利计算的主要争论方法水量调整洪水调整枯水调整水能调整一、水文过程的随机特性“确定性过程”和“随机性过程”。“随机模型”。二、纯随机模型对水文过程的适用性体是通过概率分布函数〔或概率密度函数〕来描述的。水文频率分析计算的任务，就是依据水文变量的样本对总体进展统计〕和推断〔如假设检验、推求置信限等。一、洪水资料的选样洪水三要素：洪峰、洪量、洪水过程。选样方法：年最大值法；年屡次法；超定量法；超大值法。二、洪水资料的审查和分析1.牢靠性审查全都性审查代表审查三、洪水资料的插补延长依据上下游测站的洪水特征相关关系进展插补延长点绘相关图；设计站洪水由上游几个干支流测站的洪水组成，应错时叠加；因受洪水开放和区间来水影响，考虑能反映上述影响因素的参数；三、洪水资料的插补延长依据上下游测站的洪水特征相关关系进展插补延长其做法如下：两者集水面积之差小于3%，中间无自然或认为分滞洪，可直接移用；3%，但不大于10%～20%，且暴雨分布均匀，用面积进展修正；三、洪水资料的插补延长利用本站峰量关系进展插补延长利用峰量关系可以推求洪水总量。利用暴雨径流关系进展插补延长算其洪峰和洪量。依据相邻河流测站的洪水特征值进展插补延长一、洪水调查的意义洪水是指过去已经发生，但未通过水文站测到的特大洪水。有关大洪水的信息与实测洪水资料一同进展频率分析计算，亦削减误差，提高频率计算成果的稳定性与合理性，设计成果的精度与牢靠性亦提高。二、历史洪水的实地调查和文献考证实地调查文献考证三、历史洪水的洪峰和洪量推算水位流量关系曲线法比降-面积法掌握断面法四、历史洪水在调查考证期中的排位分析历史洪水峰量的数值确定以后，还应当确定其阅历频率〔或重现期应对历史洪水在某一时期内的排位进展分析。〔即实测期〕之前至能调查到的历史洪水最远年份的这一段时期称为调查期，把有历史文献资料可以考证的时期称为文献考证期。一、连序和不连序样本系列样本系列组成包括两种状况：系列中没有特大洪水值〔连序系列〕系列中有特大洪水值〔不连序系列〕一、连序和不连序样本系列对于样本可以统一描述：设特大值的重现期为N，实测系列年数为n，在Na个特大制，其中有l个来自实测系列，其它来自于调查考证。假设a=0，则l=a=0，N=n，则为连续样本。二、不连序样本系列的阅历频率计算1.统一处理法频率次序统计量的数学期望公式计算，即实测期n内的nl个一般洪水是N年样本的组成局部，由于它们都不超过N年终为首的a项洪水，因此其概率分布不再是从0到1，而只能是从P到1(P是第a aa项特大洪水的阅历频率)。二、不连序样本系列的阅历频率计算2.分别处理法此方法是将格外洪水、特大洪水、大洪水放在实测系列之外考虑，用N表示历史洪水中首大项洪水的调查考证期的年限〔等于调查考证期的最远年份适合的年数，并称为历史洪水参加后所形成的年系列为不完全样本系列〔数只有a个样本、只有前边一截。同理，计算时，前lml阅历频率。三、洪水频率曲线线型〔统计分布模型〕P-III型曲线，称为γ分布。四、频率曲线参数估量矩法估量参数阅历适线法优化适线法其它参数估量方法五、算例

一、本站的洪峰及各种历时洪量之间比较分析频率曲线比照分析坡度应略大，且不应相互穿插。统计参数或设计值之间的比较分析均值和设计值随历时增加而增加，增率则减小；Cv一般随历时增加而减小；s〔3〕C由于观测资料短，计算成果误差很大，规律不明显。s二、上下游及干支流洪水关系的合理性分析在同一条支流的上下游之间，洪峰及洪量的统计参数一般存在较亲热的关系。〔量〕的均值则应由上游向下游递增；假设不同，则需具体分析。三、邻近河流洪水统计参数及设计值的地区分布规律合理性分析布是否与暴雨及地形等因素的分布相适应，可以推断成果的合理性。四、稀遇的设计特征值与国内外大洪水记录比照五、暴雨径流之间关系的合理性分析洪量的C应大于相应时段暴雨的C。v v自学一、防洪安全事故风险概率概念身和下游的安全，称为防洪安全事故。能的概率。L和系统承载力量R之间的冲突。即当L＞R，则系统的整体或局部失效，而无法完成其功能。一、防洪安全事故风险概率概念由于存在着众多不确定因素〔来水随机，荷载效应和承载力量R〔调度、运行、现状、随机〕是随机变量，因此，系统失效{L＞R}或｛L＜R｝是随机大事。其消灭概率Pf就代表该系统的风险率Risk。是该系统荷载L与承载力量R的联合分布密度函数。由于荷载效应与承载力量两者一般是相互独立的，故而一、防洪安全事故风险概率概念为相互独立的二维正态分布时，可证明安全裕度Z＝R－L为符合正态分布的随机变量。即：pz(z)=N(EZ,DZ)DZ—方差；EZ＝ER－EL；DZ＝DR－DL得正态分布，可求风险率：Pf＝P｛R＜L｝＝P{Z≤0}=Fz(0)二、以风险率为根底的防洪安全设计风险率，依据可承受风险水平，选定容许风险率，然后通过比照方案确定。三、以洪水频率为根底的防洪安全设计值处理，使得公式简化：整个风险率计算的关键就变成了荷载效应分布问题〔l，而荷载效例子：河道堤防工程设计流域防洪系统一、防洪安全设计的两类课题分析本工程对防洪区的防洪安全作用。状况，分析建筑物各局部构件的应力状况和工作条件。二、设计洪水标准〔GB5020234〕洪水标准：一个叫正常运用设计标准，一个格外运用校核标准。正常运用的洪水标准较低〔即消灭概率较大洪水，在格外运用条件下，主要水利工程建筑物不允许破坏，仅允许一些次要建筑物损毁或失效。〔1“PMF三、设计洪水的含义设计洪水：指具有规定功能的一场特定洪水。定的设计标准。三、设计洪水的含义设计洪水具有如下根本性质：设计洪水具有实际洪水的样式〔峰、量、过程间上的一个连续过程，可以输入到流域防洪措施系统，经过系统运算输出其防洪工程设计参数，即该系统的防洪安全事故风险状况。的，而且是防洪后果的消灭概率，及风险率。标准的洪水过程线。现行推求设计洪水过程线的程序：依据水工设计要求，结合当地暴雨洪水特性，选定掌握时段tk•m峰量频率计算〔参加调洪资料，求得Q，的分布，得峰量设m计值;•选典型;•放大，得到设计洪水过程线.一、掌握时段t

的选择k时段的选定，依据汛期洪水过程变化，水库泄洪力量和调洪方式以及下游河段有无防洪、错峰要求等因素确定。放大典型过程线时，要求选取频率计算中一项或n项对防洪后果〔q—水库下泄流量〕影响最大的特征，而且推求设计洪水过程线的根本假定条件是：防与输入的洪水过程具有一样的消灭概率。而这个假定完全成立的主要条件是输入与输出变量间为单值函数关系q＝q(Qm)或q＝(Wtp)，但上述关系并不成立。mq与Wt的相关关系线的选择〔q～Wtp，q～Q〕m一、掌握时段t

的选择k实际应用中觉察不同时段相关程度的差异性并不显著，只能定性分tk。粗略选取一个或二、三个tk，即依据峰型、洪水历时、库容、泄洪能力等因素来选。峰型尖瘦，洪水历时短，调洪库容小，泄洪力量大〔下游河段要求不高，可选短时段作为tktk。二、典型洪水过程线的选取tk时段的设计洪量Wkp后为其匹配一个洪水时空分布过程。Wkp的大洪水作为典型。三、放大方法同倍比放大法时段典型洪水过程的洪量tkdk—Wkp—tk时段设计洪量；P为指定频率—tk时段典型洪水过程的洪量。段tk的洪量恰好等于设计洪量Wkp，以放大时四、放大方法同频率放大法过程线的洪峰和各种历时的洪水总量都符合同一设计频率。洪峰的放大倍比： 一天洪量的放大倍比：三天洪量的放大倍比：其余时段以此类推(例31。四、放大方法两种方法的比较变。放大时，所选定的时段不能太多，2～3个时段为宜，以免差异过大。一、设计洪水地区组成的概念题，水库群联合调洪计算等问题时，需要进展设计洪水地区组成分析计算。二、洪水地区组成规律分析流域内暴雨地区分布规律的分析不同量级洪水的地区组成及其变化规律分析各分区洪水的峰量关系分析各分区之间及与设计断面之间洪水患病规律分析三、设计洪水地区组成计算方法主要方法：地区组成法、频率组合法和随机模拟法。相关法典型年法同频率组合法合理性分析及成果应用一、入库洪水的概念入库洪水包括入库断面洪水、入库区间陆面洪水及库面洪水3局部。某个计算断面以上的洪水。入库区间陆面洪水：入库断面以下，至水库周边以上的区间陆面面积产生的洪水。库面洪水：库面降雨直接转为径流所产生的洪水。一、入库洪水的概念入库洪水与坝址洪水的差异库区产流条件转变，使入库洪水的洪量增大。洪量增大。二、入库洪水的计算法等。合成流量法马斯京根法峰量关系法三、水库设计洪水的推求频率分析法洪水资料缺乏可用马斯京根法〔槽蓄曲线法。依据坝址设计洪水推算入库设计洪水一、分期洪水设计与施工设计洪水的概念分期设计洪水是指一年中某个时段所拟定的设计洪水。施工期防洪和安排施工进度的依据。二、分期及选样2．选样三、分期洪水频率分析计算样的。的施工方式。一张几率格纸上，检查其相互关系是否合理。由暴雨资料推求设计洪水的缘由：工程所在地流量资料缺乏或缺乏，无法依据流量资料推求设计洪水。人类活动的影响使得由暴雨推求设计洪水的方法日益重要。由暴雨资料推求设计洪水中的两次转换：“洪水事故风险率设计洪水”→“设计暴雨”。形式的〔即包括设计暴雨量和降雨强度在时间和空间的变化过程频率标准的抱负暴雨。一、特大暴雨的形成暴雨是天气形势和各种不同尺度的系统进展的结果，在我国气旋和台源源不断的暖湿空气，猛烈的上升运动。二、暴雨的时空分布特性暴雨的时间安排特性暴雨的空间安排特性三、暴雨的统计特性三带暴雨特性。值线图形时推求无资料地区暴雨参数的依据。一、点暴雨频率设计的一般方法统计选样：分长短历时，固定时段年最大值法选样暴雨资料的插补展延借用：与邻近站距离很近时，可直接借用邻站某些年份地资料平均值移置〔移用：个别大雨年份缺测，用其他方法插补较困难，有可能发生在本地四周时，可移用该特大暴雨资料该次暴雨或该年最大值等值线图进展插补〔量〕关系较好，可建立暴雨和洪水峰或量的相关关系一、点暴雨频率设计的一般方法特大值的改正与处理在当地，特大值的重现期可通过小河洪水调查，并结合历史文献资料考证，从所形成的洪水的重现期近似的作出估量。。阅历频率公式、线型和参数估量方法成果的合理性检查二、地区综合法推求点暴雨频率曲线料的”地区综合法”，可以适当削减单站资料计算成果的抽样误差。目前常用的地区综合分析的方法有二种：参数等值线法和分区综合法。前者适用于气候地形条件差异较小的地区，适用范围受到肯定限制。二、地区综合法推求点暴雨频率曲线1．点暴雨统计参数等值线法了解分析：将经过系列代表性分析、插补延长后计算求得的统计参数〔cv〕点在地形略图上，用地理内插法勾绘参数等值线图，与当地气候、地形条件比照，分析参数在地区上的变化规律。：由于短系列资料的统计参数包含较大抽样误差，而相邻站参数之间又有地区上的差异，二者需要很好的加以区分。律进展分析。概括与使用二、地区综合法推求点暴雨频率曲线2．分区综合法〔1〕站年法互独立，可看作来自同一总体，可以合并作为一个长系列对待。，即各站相距不能太远也不能太近。布的不同，造成更大的误差。二、地区综合法推求点暴雨频率曲线2．分区综合法均值法〔或中值法〕站资料工程独立。同频率点雨量的中值〔或平均值〕作地区代表站的点雨量系列。二、地区综合法推求点暴雨频率曲线2．分区综合法〔３〕指标暴雨法做法：与均值法类似。统计方法，如基于线形距的全都区识别方法。域则不行，流域面积越大，点面雨量的相对离差越大。方法：直接计算法和间接计算法。一、设计面暴雨量的直接计算法选样方法：年最大独立选样法。留意：年最大面雨量不像年最大流量那样好确定，常常需要将年内消灭过的好几次大暴雨分别求出流域平均雨量〔面雨量任意主观推断。一、设计面暴雨量的直接计算法〔1〕用面雨量系列来插补面雨量系列，即选好几个参证站〔设计流域周围，求出参证流域〔或几个参证站〕的面雨量系列 ，插补延〔设计流域面雨量系列已经有相当长度，10多年〕〔解决长系列几个站地区代表性缺乏与短系列站网系列代表性缺乏的方法。一、设计面暴雨量的直接计算法3．面雨量的频率计算方法同洪水和点雨量频率计算。二、设计面暴雨量的间接计算法1．定点定面关系定义：一个地区内不同面积的多个流域或具有固定边界小区的面平均雨深〔包括面积为零的点雨量〕的统计参数与流域或小区面积的关系。资料充分状况：绘制中心点雨量x0与面平均雨量xf相关图；假设关系点散二、设计面暴雨量的间接计算法1．定点定面关系以下处理方法：承受“同心圆”或“同心正方形”划分面积，计算面雨量xf，得出xf/x0～f关系，使用时可由设计面积f查图，通过以下公式得出设计面雨量xfp。二、设计面暴雨量的间接计算法2．动点动面关系动面关系，或称为暴雨图点面关系。做法：选假设干场大暴雨，绘出不同时段暴雨等值线图；量算各等雨量线包围内面积上的平均雨量；建立xf’/x0’～f关系二、设计面暴雨量的间接计算法二、设计面暴雨量的间接计算法推求方法。次暴雨的多站面雨量x”f。f建立x”f和x’的相关关系。f用年最大值法选样，利用以上相关线先插补延展xf1系列，然后进行频率分析；或先依据xf2系列进展频率分析，然后利用以上相关线转换，推算xf1的设计值。三、合理性检查系。分析计算各种历史的面雨量的点面系数，绘制点面系数、历时和面积图。有条件的地区可同时利用直接和间接计算法计算设计面雨量，进展比较。搜集邻近地区不同面积的面暴雨量和固定点雨量之间的关系进展比较。一、设计暴雨量的时程安排同频率分段掌握放大。暴雨的时程安排。【例4-1〔见书p90〕二、设计暴雨量在地区上的分布1．典型暴雨图法同频率掌握法三、算例见书p91。自学一、设计前期降水量P计算aPa=Ia。．扩展暴雨过程法。．同频率法。二、产流方案和汇流方案的应用1．外延问题x+Pa～y形式相关图；干旱地区多承受初损后损法。2．移用问题三、设计暴雨推求设计洪水算例见书p97。小流域设计洪水计算犯法的特点方法必需适用于无资料流域方法应简便易行方法可以着重推求设计洪峰一、年最大24小时设计暴雨量的计算程变化，以平均过程代替变化的暴雨过程；洪水于暴雨同频率。成其他时段的设计雨量。一、年最大24小时设计暴雨量的计算依据不同资料状况，有以下两种推求方法：日由年最大1日设计雨量x1,p间接推求日

,p≤ηx24,p，则x24,p=ηx1

,p，η一般在1.1～1.2之间，常取1.15。日日查用年最大24小时雨量统计参数 ,Cv等值线图日日二、暴雨公式推求任一历时的设计暴雨。或暴雨参数可通过图解分析法来确定。n=n2。

对上式两边取对数，即lgat,p=lgSp-nlgt，为直线关系式，n为斜率。t=1h处消灭转折点，当t≤1h，取n=n1；t>1h，则二、暴雨公式暴雨指数n确实定：资料分析或查地区水文手册。Sp确实定：直接查地区水文手册或查读 ，Cv，Cs/Cv，计算出x24,p

Sp。，在以上两个参数确定后，即可用暴雨公式进展不同历时暴雨转换。由，Sp求得的t小时雨量x 为：当t<1h

t,p二、暴雨公式参数n值的影响因素分析n值，比由点雨量求得的n值要小一些，并随面积增大而扩大；雨量重现其转变使n值有所差异。参数n值对设计雨量值的影响日雨量资料推求x24,p和依靠频率较高的点雨量分析，以上两个因素使得流域面积较大时，n值可能偏大0.05～0.10，即偏大17%～37%。一、设计净雨计算承受损失参数μ值进展小流域设计净雨的计算，该参数是指产流历时tc内的平均损失强度。二、推理公式的形成假设流域上产流强度r在时间和空间上保持恒定不变，则在dt时间内，流域面积上形成的产流量dω也是常数，则有考虑单位换算，则有m流开头稳定的最大值Q，产流与出流保持平衡，因此m三、设计洪峰流量计算F不变，关键在于确定设计暴雨强度at,p。t的函数，则必需确定时段t，设计部门一般取流域汇流时间作为设计暴雨时段，则或四、水科院推理公式设计暴雨计算ip(t)。方法：依据暴雨公式求得平均雨强aD,p或设计雨量XD,p，并绘制aD,p与历时D的相关曲线，最终求得设计暴雨的瞬时雨强历时曲线，即四、水科院推理公式产流计算假定流域地面下渗下渗率损失为常数μ，产流强度r(t)：tc和设计径流总量h

。由下渗滤iD,p=μ的点，相应历时即位产流历时t

R,p，即c四、水科院推理公式2．产流计算i=μ横线之间的面积，为设计暴雨产生的洪水径流总量。求得以上两个参数后，可推求成峰暴雨τ时段内径流量hτ,p及洪峰径流系数ψ。四、水科院推理公式2．产流计算流域平均汇流速度可用以下阅历公式来计算，即：σ=1/3和λ=1/4，则四、水科院推理公式产流计算随设计流域汇流时间的不同，产流计算分两种状况：tc>τ为全面产流状况，则tc<τ为局部产流，则ttc，上式都可得出ψ=n四、水科院推理公式汇流计算求得设计洪峰径流系数后，代入公式得出：求解方式：跌代法。【例5-1〔见书p110〕五、设计洪水过程线的推求有些中小型水库，用推理公式推求Q后，有时还需要供给设计洪水过程m线，以解决水库防洪调洪演算问题。〔三角形、五边形等〕或某些无因次洪水过程，用此种方法推求的洪水过程称为概化过程线。三角形过程线法。一、地区阅历公式法根本原理和非分区性因素。方法：筛选参数建立公式设计流域的参数化推求设计流域的设计洪水二、地区阅历公式的类型参数的阅历公式式三、建立和应用地区阅历公式需要留意的问题考虑因素多少问题；资料质量和代表性；参数应用时要考虑其适用范围；留意邻近流域、边界地区的参数协调。一、根本气象要素气压P．气温t．湿度s〔1〕确定湿度a〔2〕水汽压〔3〕饱和水汽压e；〔4〕相对湿度f；s比湿q〔6〕露点td．气温的绝热变化一、根本气象要素5．可降水量：截面为单位面积的空气柱中，自气压为P0的地面至气压P〔一般取P=200～300hPa〕的高空等压面间的总水汽量全局部散后，所相当的水量g/c2。对于一次降雨，可用高空湿度资料计算，但高空资料较少，因此在PMP计算中假定：大暴雨时地面至高空的各层湿度全部呈饱和状态，则温度的垂直分布呈假绝热递减率变化，从而q=q(P,td,P)=q(P,td,P0)，也就是说大气各层的比湿为地面露点的单值函数，则有：二、代表性露点和可能最大露点

的选择d,r可以由地面露点反映饱和假绝热气柱的可降水量，因此一场暴雨的代表方法：选择雨区边缘水汽流域方向测站；选择测站雨量最大24h及前24h共48h中持续12h最高地面露点；取代表站平均值。二、代表性露点和可能最大露点t方法：历史最大露点法频率计算法

的选择d,mPMP模型须能满足以下几个条件：模型应有充分的物理根底。模型中的参数在特大暴雨中有实测或间接推得数据。有足够长的资料能打算参数的上限值。有足够的信息或学问以确定各种参数的最优组合求P的传统方法是放大实测暴雨，包括1〕3〕〔4〕暴雨时面深概化法。一、当地暴雨放大水汽放大当暴雨已是高效时，这种模型假定可降水量与雨量呈线性关系，即PmWm/W)P。关键：选择代表性露点。方法：用各主要等压面实测露点极值，换算成比湿，然后垂积分。由地面历史12h持续最大露点按饱和假绝热过程推求。一、当地暴雨放大水汽效率放大当暴雨达不到高效时，需要对水汽和动力因子放大。Pm=(ηmWm/ηW)P=(ηm/η)(Wm/W)Pη=I/W一、当地暴雨放大水汽风速联合放大或入流指标VW与相应的流域平均雨量P有正相关趋势，且暴雨期间入流风向和风速较为稳定的流域。假定：风的辐合与风速成正比。Pm=(Vm/V)(Wm/W)P二、移置暴雨放大可能性分析移置的具体步骤查明拟移置暴雨发生的时间、地点及天气成因；由天气条件初步拟定全都区；考虑地形、地理条件的限制，确定移置界限。进展改正与调整移置改正〔1〕〔2〕〔3〕地形与障碍调整改正。二、移置暴雨放大暴雨放大KWw=(WAm)ZA/(WA)ZA暴雨移置的改正和放大综合系数K=K1K2KWw=(WBm)ZB/(WA)ZA【例6-8】一、暴雨组合法概念将两场或两场以上的暴雨，按天气气候学的原理，合理地组合在一PMP的方法，成为暴雨组合法。原则：大环流形式要根本相像；产生暴雨的天气系统一样；雨型及其演化要大致相像；暴雨的发生季节应形同。二、暴雨组合的方法连续性分析大雨典型年相像过程代换法留意：小于6小时；计规律确定。三、适用条件积大、设计洪水历时长的工程。【例6-9】短历时可能最大暴雨一般指小于24小时的可能最大暴雨。24小时暴雨推求各种短历时可能最大暴雨，参数由各种历时万年一遇设计暴雨值参数代替。为了推求PMF，必需将推求的1日、3日和6日的PMP结果在设计流域的时程上和空间上进展安排。【例6-10】一、一般概念需要解决历时-雨深，面积-雨深关系及雨量时程安排等问题。二、使用方法举例【例6-11】和【例6-12】从计算过程的各个环节上进展检查与本流域〔或天气全都区〕的历史资料比较与邻近流域的成果比较与国内外相像地区的暴雨极值记录比较型。

PMF有两种