武汉大学水文学绪论

1、主讲：马勇 武汉大学水电学院水文水资源系 2010.11,水文学,主要内容,第一节 水文学及其作用,一、水文学的定义 研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的运动、变化和分布规律，预测、预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）变化情势。,第一章 绪 论,第二节 水文现象基本规律及研究方法,一、水文现象的基本规律 1确定性规律（成因规律）：表示水文现象形成的内在因果 关系，确定的成因和条件将对应于确定的结果。 2随机性规律（统计规律）：样本容量很大时，随机变量趋 向于一个稳定分布，或相关变量表现为稳定的相关关系。 3地区规律：气候因素与地理因素具有地区性变化规律，使 水文现象也具有地区

2、变化规律。,二、水文研究的基本方法 1成因分析法：建立水文现象与影响因素之间的数学物理方 程，预测未来水文现象。 2数理统计法：用数理统计原理和方法，推求水文现象的统 计规律和设计值，展延系列和水文预报。 3地理综合法：从地区变化规律入手，找出水文特征值的地 区分布规律，如水文等值线图、地区经验公式等，推求无 资料地区的水文特征值。,第二节 自然界的水循环,地球表面的水在太阳辐射作用下，不断蒸发成水汽进入大气，随气流输送到各地；上升和输送过程中，遇到适当的条件凝结而以降水形式降落到陆面和洋面上；陆面上的雨水形成地表、地下径流，通过江河汇入海洋。如此永不停止的循环运动，称为水文循环。 水循环又分

3、为大循环和小循环。,第二章 气象与水文,第三节 河流及流域,一、河流及其特征 定义：接纳地面和地下径流的天然输水通道，其中分为 各级支流及干流。 特征： 1、河流长度：自河源沿主河道到流域出口流程长度。 2、河流分段：河源、上游、中游、下游、河口。 3、河道纵比降：单位河长的落差，也称河流坡降。,定义： 河流某一断面来水的集水区域，即该断面以上地面、 地下分水线包围区域。分类： 闭合流域：当流域地面、地下分水线重合，河流下切 较深，流域面积上降水形成的径流能够全部经过 出口断面流出。 非闭合流域：地面、地下分水线不重合的流域。,二、流域及其分类,一、降水量观测 降水量以降落在地面的水层深度表示

4、，以毫米为单位。 观测降水量仪器主要有雨量器、自记雨量计。 二、降雨时程变化表示方法 降雨强度过程线 降雨累积过程线,第四节 降 水,三、流域平均雨量计算,1、算术平均法 将流域内各站同一时段雨量进行算术平均。 2、泰森多边形法 假设流域各处雨量可由其距离最近的雨量站代表；作 泰森多边形确定各雨量站代表面积；采用加权平均法确定 面雨量。 3、等雨量线法 根据各站雨量绘制等雨量线；计算相邻等雨量线间的 面积和其上的平均雨量，加权平均确定流域平均雨量。,第五节 蒸 发,蒸发是水受热后由液态或固态转化为水汽向空中扩散的过程，是水文循环和水量平衡的基本要素之一，对径流有直接影响。 测算蒸发量常以单位时

5、间蒸发的水深表示，称蒸发率或蒸发强度，以mm/d计。 自然界蒸发包括水面蒸发、土壤蒸发和植物蒸散发。水面蒸发观测资料较多，比较可靠，常是其他蒸发计算的基础。,一、水面蒸发观测与计算 一般每天 8时观测一次，得每天观测日蒸发量。将观测值转换为大水体蒸发量，计算式为: 折算系数随水面蒸发器类型、季节和地区有关。,第六节 下 渗,一、下渗率 下渗是水从土壤表面渗入土壤内的运动过程，常以单位时间内入渗水深，即下渗率表示。 下渗不仅直接决定地面径流大小，同时也影响土壤水分、地下水和地下径流，是径流形成的一个重要因素。 二、下渗能力曲线 充分供水下的下渗率，随时间 增长而衰减，经过一定时间后趋于 一个稳定

6、值。,第七节 径 流,径流：流域上的降雨扣除损失后，经由地面和地下汇 入河网，形成流域出口断面的水流。 径流过程：径流随时间的变化过程。 径流形成过程：,径流表示方法和度量单位,1、流量：单位时间通过某一断面水量，m3/s。 2、径流总量：时段T内通过某一断面总水量，m3。 3、径流深：单位面积上的水层深度，mm。 4、径流模数：单位面积上产生的流量，m3/(skm2)。 5、径流系数：径流深与降雨量之比，表示流域产流能力。对于 闭合流域，1。,第八节 流域水量平衡,水文循环过程中，任一地区、任一时段进入水量与输出水量之差，必等于其蓄水的变化量，这就是水量平衡原理。依此，可得流域多年平均情况的

7、水量平衡方程： T时段内水量平衡方程： P-E-R =S 多年平均情况：,水文站的设立,第一节 水文站,第三章 河流水文资料观测与收集,第二节 水位观测,1、水位 水体的自由水面离开固定基面的高程，一般以青岛附 近的黄海水平面为基准面。 2、观测设备和方法 水尺：人工观测，次数以测得完整水位变化过程，满 足日平均水位计算及发布水情预报要求为原则确定。 自记水位计：自动连续观测。 3、日平均水位资料整理 算术平均法、面积包围法,第三节 流量测验,一、流速仪测流及流量计算 流量测验原理：断面测量、流速测验 流速仪测流思路： （1）将过水断面划分为若干部分； （2）测算出各部分断面面积； （3）流速

8、仪测算出部分面积上的平均流速； （4）计算部分流量； （5）部分流量总和即为断面流量。,第四节 流量资料整编,整编：有关流量资料的整理、分析、统计工作。 内容：测站水位流量关系分析。 水位流量关系曲线：ZQ 稳定的水位流量关系 不稳定的水位流量关系,第一节 频率计算,一、水文统计在水文分析计算中的应用 （1）样本估算总体概率分布设计值 （2）相关关系插补延长长系列 （3）用误差理论估计误差范围,第四章 水文统计,二、经验频率曲线,（一）经验频率公式 经验频率：水文样本由大小排序，计算累积频率。 经验频率曲线：由变量和经验频率点据拟合而成的光 滑曲线。 经验频率公式：,（二）频率与重现期,重现期

9、：随机事件平均重现的时间间隔。,（一）P型概率分布曲线的计算 对于样本系列，已知均值、CV 值，假定CS，便可由值表查出P，利用下式求得不同指定频率的xP值，进而可绘制出P型理论频率曲线。,三、理论频率曲线,1、均值 表示样本系列的平均水平。 2、离势系数（变差、离差系数） 与 之比，衡量相对离散程度。 3、偏态系数 离差三次方均值与均方差三次方的 比值，反映分布是否对称的特征。,（二）统计参数矩法初估,（三）参数对频率曲线的影响,第二节 相关分析,一、相关分析的意义与作用 相关分析：研究分析和建立两个或两个以上随机变量之 间的相互关系。 作用：插补延长资料，提高资料代表性；水文预报。 二、相

10、关系数的涵义 表示两变量相关的密切程度： r21：Sy0，直线函数关系； r20：Sy ，零相关； 0r21，越接近1，关系越密切。,三、水文相关分析注意问题,第一节 年径流及其影响因素 一、年径流与年径流量 年径流：年度内通过河流某一断面的径流过程。 年径流量：一年里通过河流某一断面的总水量。 多年平均年径流量：年径流量多年平均值。 二、影响年径流的因素 闭合流域年水量平衡方程：P = R + E + W 气候因素：年降水量P、年蒸发量E 下垫面因素：W，蓄水能力、气候条件改变 人类活动：W，直接影响、间接影响,第五章年径流分析与计算,三、设计年径流 设计保证率：用水得到满足的保证程度 设计

11、年径流：相应于设计保证率的年径流量及其年内分配 过程。 计算方法：,第二节 长资料设计年径流计算,一、资料审查,1、可靠性审查水文资料必须可靠，具有必要的精度。 2、一致性审查 系列成因前后要一致，即气候和下垫面条件要稳定。 3、代表性审查 样本统计特性对总体统计特性的接近程度 长系列参证变量对比法,二、设计径流系列的推求 设计长系列：满足三性要求的实测年、月径流系列。 设计代表年：符合设计保证率的年径流及其分配过程 计算思路：（1）年径流系列频率计算； （2）推求设计年径流量QP； （3）选择典型年内分配过程； （4）设计年径流量的年内分配。,三、典型年选择及成果合理性分析 典型年选择原则：

12、 （1）年径流量与设计值接近的年份； （2）对工程较不利（规模大）的年份。 成果合理性分析：水量平衡、参数地理分布规律 均值： 离势系数： 偏态系数：分区图,条件：系列不足20年，或不连续、代表性不足。 方法：选择参证变量，相关分析，插补展延。 参证变量条件： 1、与设计变量在成因上有密切联系 2、有长期实测资料，代表性好 3、较多同步观测资料，以便建立相关关系 常用参证变量：设计断面水位 邻近流域或上、下游测站径流量 本流域降雨量,第三节 具有短期资料时设计年径流计算,第四节 缺乏资料时设计年径流计算,条件：系列太短或完全没有，无法展延。 思路：根据水文现象变化的地区综合规律推求，即间接推求

13、 年径流量的统计参数均值、Cv和Cs。 方法：（1）参数等值线图法 反映水文特征值的地理分布规律。 （2）水文比拟法 将参证流域水文特征值移用到设计流域。,第一节 概 述 一 、洪水 定义：暴雨或融雪产生大量径流汇入河中，产生峰高量大 而稀遇的水文现象。 洪水三要素： 洪峰、洪量和洪水过程线,第七章 由流量资料推求设计洪水,二、设计洪水 1、定义 工程规划设计依据的洪水，或符合防洪标准洪水。 2、推求设计洪水的程序 资料“三性”审查选样，组成洪峰、洪量统计 系列考虑特大洪水进行频率分析计算，推求设计 洪峰、洪量选典型洪水过程放大，求设计洪水过 程线。,一、洪水资料审查 洪水资料：实测洪水、历史

14、洪水 资料审查：可靠性改正 一致性还原 代表性展延 历史洪水：大小、发生年份考证 资料要求：30年以上实测资料，若干历史特大洪水。,第二节设计洪峰、洪量的推求,二、选样 选样原则：年最大值法，分别独立选取 样本：洪峰流量系列、不同历时洪量系列 固定时段：一般采用l、3、5、7、15、30天,三、特大洪水的处理,定义：不连序系列的经验频率和统计参数的计算与连序系列不同。有别于一般洪水的频率计算方法，称为特大洪水处理。 目的：提高计算成果稳定性 方法：采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算的方法。目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法：独立样本法、统一样本法。,四、频率计

15、算方法独立样本法 思路：实测和特大值系列分别作为独立样本，各项洪水在各 自样本中分别连续排位计算。 实测系列：特大值参与排位，只取一般洪水成果 特大系列：仅计算特大洪水 特点：出现重叠 取频率较小值,五、频率计算方法统一样本法 思路：实测与特大值共同组成一不连续系列，代表总体一 个样本，各项在调查期统一排位。 条件： 特大洪水： 一般洪水： 特点： 特大洪水排位无遗漏,六、洪水统计参数的矩法初估,思路：对于不连序系列，假定n-l年系列均值和均方差与除去特大洪水后N-年系列的均值和均方差相等，即,N1,l,七、设计洪水成果的合理性分析,第三节设计洪水过程线的推求,1、典型洪水的选择原则： 1、峰

16、高、量大接近设计值的洪水； 2、具有代表性，能反映流域大洪水特性； 3、对工程不利（峰形集中、主峰靠后）洪水； 4、与下游洪水遭遇情况最不利的典型。 2、放大方法：,3、放大方法说明 同倍比放大法 方法：按峰或量同一个倍比放大典型洪水。 优点：简单、工作量小，适用于峰量关系较好， 峰或量控制的水利工程。 缺点：峰、量无法同时达到设计值。 同频率放大法 方法：采用洪峰和洪量的不同倍比值放大。 优点：放大后的峰和量同时达到设计要求。 缺点：与典型可能相差甚远。 注意：放大后的过程线需按水量平衡修匀。,研究对象：定量研究降雨形成径流的原理和计算方法，包括降雨扣除植物截留、下渗、填洼等损失，转化为净雨

17、过程的产流计算和净雨沿地面和地下汇入河网，并经河网汇集形成流域出口断面径流过程的汇流计算。,第八章 流域产汇流计算,第一节 产汇流计算基本资料的整理分析,一、降雨资料的整理 必须注意：降雨场次的划分一定要与洪水场次划分相对应 二、径流资料的整理 径流分割：水平分割、斜线分割 三、蒸发资料的整理 实用中一般假定流域蒸散发量E与流域蓄水量W成正比,第二节 前期流域蓄水量及前期影响雨量计算,一、前期流域蓄水量计算 涵义：流域土壤能够保持而不在重力作用下流走的水分。 降雨使之补充，蒸发使之消耗；不形成径流，但可 减少降雨损失。 方法：根据流域影响土层水量平衡方程间接推求 该计算方法概念明确，成果精度较

18、高，但计算工作 量大，多用于水文预报。,二、前期影响雨量Pa的计算,Ka为流域蓄水的日消退系数，综合反映流域蓄水量因流 域蒸散发而减少的特性。每个月可近似取一平均值。其中 为流域月平均日蒸散发能力。 取连续大暴雨之后的Pa等于Wm，由此向后逐日推算。,第三节 降雨径流相关图法计算净雨,思路：根据实测降雨、径流资料建立降雨径流关系相关图 （经验的、蓄满产流理论的）预报净雨过程或推 求设计净雨过程 分类：经验降雨径流相关图、蓄满产流模型法,一、降雨径流经验相关图的应用,二、蓄满产流的基本概念,1、基本概念 包气带土壤含水量在达到田间持水量之前不产流，此前降雨全部用以补充土层缺水量；土层水分达田间持

19、水量（蓄满）后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨，且入渗达到稳渗率fc，入渗部分形成地下径流，超过稳渗的形成地面径流。称这种产流方式为蓄满产流。 2、产流控制条件 蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。,第四节 初损后损法计算地面净雨,在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包气带很 厚，缺水量大，降雨过程中下渗的水量不易使整个包气带达 到田间持水量，所以不产生地下径流，并且只有当降雨强度 大于下渗强度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产 流。关键是确定流域下渗的变化规律。,一、 初损后损法基本原理,该法将下渗损失过程简化为初损、后损两个阶段： 初损：降雨开始到出现超渗产

20、流 时，历时t0，降雨全部损 失I0，包括初期下渗，植 物截留，填洼等。后损：产流以后损失阶段，损失 有所下降并趋向稳定，按 超渗历时ts内的来计算。,地面径流深计算 由水量平衡原理，净雨深用下式计算：,二、初损I0的确定,由实测雨洪水资料分析确定I0 流域较小时，降雨基本一 致，洪水过程线起涨点前的累 积雨量就是初损I0。 对于较大流域，可在其中 找小流域水文站，按上述方法 确定I0。,三、平均后损率 的确定,由实测降雨洪水资料分析确定 实测降雨洪水的P、RS、I0已知，结合其降雨过程，即可试算得相应的。,第六节 单位线法计算流域出口洪水过程,一、单位线定义与基本假定 1、单位线的定义 在给

21、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。,倍比假定：假设同一流域上有 2场净 雨，历时相同，则它们在出口形 成的地面径流过程完全相似，即 总历时相同，相应流量等于净雨 深之比。,2、单位线两项基本假定,二、单位线的推求,原理：利用实测降雨、径流资料，利用单位线的两项基本假 定来反求。 方法： 缩放法：适用于仅有一个时段净雨的情况，倍比确定。 分解法：适用多个时段净雨的情况。利用单位线的两项基 本假定，将总的地面径流过程分解为各净雨独立产生的 地面径流过程，然后按缩放法由某单位时段的地面径流 过程反求单位线。 试错优选法 修正：径流深应等于10mm。

22、,三、单位线的时段转换,S曲线：设想流域上有一场净雨强度为10mm/t持续不断的 降雨，在出口形成的地面径流过程线S(t)。实质：单位线纵 标沿时程的累积曲线。,四、单位线存在的问题及处理方法,五、应用单位线推求洪水过程,1. 由降雨推求净雨过程 2. 选择相应单位线 3. 由倍比假定推求各时段 净雨的地面径流过程 4. 叠加得总地面径流过程 5. 加地下径流过程，得到 要推求的洪水过程,一、主要内容 1.推求设计暴雨：频率分析法推求不同历时指定频率的 设计雨量，典型放大法推求设计暴雨过程。 2.推求设计净雨：拟定产流方案，进行产流计算。 3.推求设计洪水：拟定汇流方案，进行汇流计算。 二、基本假定 暴雨与洪水同频率,第一节 概述,第九章 由暴雨资料推求设计洪水,资料条件：流域上雨量站较多，分布均匀，且具有较长同 期观测资料，足以计算长系列的流域平均雨量（称面 雨量）时，就可直接选取每年指定统计时段的最大暴 雨量，进行频率计算求得设计