工程水文学ppt课件.ppt

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1、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,2023/1/7,1,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,2023/1/7,2,一、世界水资源存在形式及比例,地球的总储水量约1386107亿立方米，其中海洋水为1338107亿立方米，约占全球总水量的97%。人类主要利用的淡水约35107亿立方米，在全球总储水量中只占2.5%。,2023/1/7,3,4,广义的水资源：指人类在一定的技术经济条件下能够

2、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。,2023/1/7,5,6,冰川：,7,湖泊：,8,大气：,9,沼泽：,10,沼泽：,11,地下：,贵州安顺地下暗河,12,地下：,趵突泉,13,山河：,长江,山河：,黄河入海口,2023/1/7,14,15,二、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

3、。,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。,16,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,17,三、我国水资源特点,1、水资源总量较丰富，人均拥有水量少,。,18,2、水资源时空分布极不均匀,19,20,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。,21,3、水资源与人口、耕地、矿产资源分布不匹配,22,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

4、水量小于300立方米；其中山西、重庆、天津不足200立方米。,23,24,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。,2023/1/7,25,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,2/2,2023/1/7,26,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。,2023/1/7,27,28,长江三峡,三峡水库世界

5、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。,2023/1/7,29,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,1/1,2023/1/7,30,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

6、 径流的度量方法,2023/1/7,31,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,2023/1/7,32,2023/1/7,33,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

7、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=Eo PL、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,2023/1/7,34,35,全球水平衡（数据来自John Mbugua et al,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）。,2023/1/7,36,河源,上游,中游,下游,河口,一般

8、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：,2023/1/7,37,38,黄河分段示意图,2、河流的基本特征,2023/1/7,39,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。,6/10,2023/1/7,40,3、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。,2023/1/7,41,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。,8/10,2023/1/7

9、,42,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。,2023/1/7,43,1/4,4、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）,2023/1/7,44,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）,2023/1/7,45,5、流域特征,几何特征,自然地理特征,2023/1/7,46

10、,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,4/4,2023/1/7,47,48,2.3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。,49,2.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：,50,（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,51,1）降雨

11、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。,52,2）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。,53,3）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

12、平面积，以km2计。,54,55,2.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,56,1.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。,57,2.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）,58,3.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

13、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。,59,（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：,60,1.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。,61,2.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,62,3.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

14、平均值，mm。,等雨量线,63,24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：,64,（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。,65,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。,66,（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。（

15、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。,67,（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：,68,二、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。,69,下

16、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,2023/1/7,70,71,72,2、影响径流的主要因素,2023/1/7,73,2.6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

17、),2023/1/7,74,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,2023/1/7,75,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,2023/1/7,76,水文站分类,3.1 水文测站,2023/1/7,77,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,1/7,2023/1/7,78,2/7,1、水位观测的内容和要求内容：基本水尺和

18、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,2023/1/7,79,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”,3/7,2023/1/7,80,日平均水位法1）算术平均法,2）面积包围法,4/7,2023/1/7,81,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,2023/1/7,82,6/7,2023/1/7,83,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

19、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。,7/7,2023/1/7,84,85,86,水文缆道探深取沙,87,声波自记水位计的记录合远传设备,88,89,1/6,3.3 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,2023/1/7,90,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

20、测量各点高程和起点距，就可绘制成大断面图。,2023/1/7,91,3/6,2023/1/7,92,93,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。,4/6,2023/1/7,94,实际工作中用实测断面面积和实测流速来推算,5/6,2023/1/7,95,流速仪实测流速的方法,6/6,2023/1/7,96,3.4 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

21、、分类,2023/1/7,97,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,2023/1/7,98,2023/1/7,99,2023/1/7,100,2023/1/7,101,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,2023/1/7,102,1）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

22、，距Q=AV算出延长的流量，就可将H-Q关系曲线延长,2023/1/7,103,2）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,2023/1/7,104,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,3/4,2023/1/7,105,4/4,流量资料的整理,2023/1/7,106,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,2023/1/7,107,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

23、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,2023/1/7,108,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。,2/6,2023/1/7,109,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。,4/6,2023/1/7,110,均值（平均数）,均值表示系列的分布中心

24、，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。,2023/1/7,111,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。,2023/1/7,112,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,2023/1/7,113,Cv越大，随机变量x的分布越分散，概率分布曲线的左侧

25、抬高，右侧降低；反之，左侧下降，右侧上抬。,2023/1/7,114,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。,2023/1/7,115,当Cs0，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Cs0，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。,2023/1/7,116,117,水文现象大多属于正偏，Cs0（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

26、）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。,118,（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。,119,（3）偏态系数CS对频率曲线的影响。、CV不变，CS0，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(KPearson)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,2023/1/7,120,曲线参数与统计参数之间的关系：,2023/

27、1/7,121,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P1的设计流量值,P-III曲线的绘制（例题）,2023/1/7,122,2023/1/7,123,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。

28、,6/6,2023/1/7,124,4.2 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。,2023/1/7,125,2/4,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。,2023/1/7,126,4.2 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,

29、2023/1/7,127,4/4,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。,2023/1/7,128,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,2023/1/7,129,130,4.4 相关分析,1/5,2023/1/7,131,132,1.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）

30、。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,133,（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）。,134,（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）。,135,3.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

31、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。,136,二、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。,137,2.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

32、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。,138,（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r21，且有：1）若r21，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r20，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，Syy或Sxx。3）若0r1，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

33、相关。,139,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,140,5.1 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23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。,141,二、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、

34、影响径流年内分配的因素 气象因素、下垫面因素。,142,四、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。,143,5.2 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

35、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。,144,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）,145,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。,146,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

36、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）,147,二、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。,148,149,三、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

37、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。,150,四、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。,151,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,152,2、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

38、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。,153,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=23CV。,154,3、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。,155,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

39、流量都能符合设计频率（设计的时段流量）。,或,156,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。,157,158,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。,159,160,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 19641965、19711972年作为枯水代表年。,161,162,1

40、9641965代表年:,同频率法：,求各时段缩放比K。,163,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）。,164,5.3 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（n20）。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。,165,1、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；,166,2、可选择的参证变量（根据规范）：利用本站的水位资料

41、 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。,167,例5-2：利用上下游站径流资料建立相关关系以插补资料。,168,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%。,169,例5-3：已知某水利工程的设计代表站有19541971年的实测径流资料，其下游有一参证站，有19341971年的年径流系列资料，如表5-3-1。其中19531954年，19571958年，10591960年分别被选定为P=50%、P=75%、P=95%的代表

42、年，其年内的逐月分配如表5-3-2。试求：,170,（1）根据参证站资料，将设计站的年径流系列延长至19341971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。,171,172,173,计算过程：1、资料系列展延（结果见表5-3-1）,174,2、频率分析,175,3、设计站P=50%、P=75%、P=95%年份的设计年径流分别为：,176,4、设计站月径流分配过程计算：对于p=50%的设计年：,177,5.4 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

43、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。,178,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、C v、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,179,一、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。,180,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

44、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。,181,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。,182,二、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,183,直线内插法,184,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=23 CV。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。,185,三、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

45、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。,186,5.5 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。,187,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,188,一、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。,189,第六

46、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,190,6.1 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。,191,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,192,长江三峡水利枢纽,193,拱 坝,194,（2）非工程措施。指防洪工程

47、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。,195,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。,196,二

48、、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。,197,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。,198,三、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。,199,设计洪水的

49、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,200,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。,201,6.2 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。,202,洪水资料的审查与处理,洪水资料包括实测洪水资

50、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,203,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,