1、水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所注冊土木工程師培訓課程注冊土木工程師培訓課程主講教師:梁國華梁國華 Email:第7章 工程水文學基礎水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所學學 習習 要要 點點（1 1）水循環概念）水循環概念（2 2）水量平衡原理）水量平衡原理（3 3）工程規劃）工程規劃設計和施工、運行管理所需的資料主要來源設計和施工、運行管理所需的資料主要來源（4 4）單位線的概念及應用）單位線的概念及應用（5 5）水文現象的特點及水文統計的背景）水文現象的特點及水文統計的背景（6 6）設計洪水及設計頻率的概念）設計洪水及設計頻率的概念（7 7）參數估計、適

2、線法的基本思想和目的）參數估計、適線法的基本思想和目的（8 8）資料的三性審查：可靠性、一致性和代表性）資料的三性審查：可靠性、一致性和代表性（9 9）推求設計洪水的樣本選樣方法：年最大法）推求設計洪水的樣本選樣方法：年最大法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所第7章 工程水文學基礎7.1 7.1 工程水文學主要任務工程水文學主要任務7.2 7.2 水文循環與徑流形成水文循環與徑流形成7.3 7.3 水文測驗與水文資料收集水文測驗與水文資料收集7.4 7.4 流域產匯流計算流域產匯流計算7.5 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法7.6 7.6 設計洪水與設計年徑流設計洪水

3、與設計年徑流水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所第7章 工程水文學基礎保護區域保護區域庫區庫區（1）規劃設計階段：）規劃設計階段：確定確定合理合理的的工程工程規模規模（2）施工）施工階段：階段：確保規劃設計的工程付諸實施確保規劃設計的工程付諸實施（3）管理運行階段：管理運行階段：發揮工程作用和效益發揮工程作用和效益水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.1 7.1 緒論緒論u工程工程水文學：水文學：應用應用于實際工程的于實際工程的水文學。水文學。它它研究與研究與工程的規劃、設計、施工以及運工程的規劃、設計、施工以及運營管理營管理有關的水文問題，主要內容為有關的水文問題，主要內容為水文水文計算計

4、算和和水文水文預報預報u工程水文學應用水利工程實施的三個階段工程水文學應用水利工程實施的三個階段（1）規劃設計階段：）規劃設計階段：確定確定合理合理的的工程工程規模規模（2）施工）施工階段：階段：確保規劃設計的工程付諸實施確保規劃設計的工程付諸實施（3）管理運行階段：管理運行階段：發揮工程作用和效益發揮工程作用和效益水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.1 7.1 緒論緒論水庫名稱水庫名稱密云水庫密云水庫三峽水庫三峽水庫總庫容總庫容43.75 億億m3393億億m3防洪庫容防洪庫容18.97 億億m3221.5億億m3壩頂高程壩頂高程160 m185 m設計標準設計標準千年設計洪峰流量千年設

5、計洪峰流量: 15,200m3/s千年設計洪峰流量千年設計洪峰流量: 98,800m3/su工程水文學應用水利工程實施的三個階段工程水文學應用水利工程實施的三個階段（1）規劃設計階段：）規劃設計階段：確定確定合理合理的的工程工程規模規模u設計年徑流設計年徑流u推求設計洪水推求設計洪水（2）施工）施工階段：確保規劃設計的工程付諸實施階段：確保規劃設計的工程付諸實施（3）管理運行階段：管理運行階段：發揮工程作用和發揮工程作用和效益效益水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.1 7.1 緒論緒論u工程水文學應用水利工程實施的三個階段工程水文學應用水利工程實施的三個階段（1）規劃設計階段：）規劃設計階

6、段：確定確定合理合理的的工程工程規模規模（2）施工階段：確保規劃設計的工程付諸實施）施工階段：確保規劃設計的工程付諸實施u分析整個施工期的來水情勢，以確定臨時建筑分析整個施工期的來水情勢，以確定臨時建筑物的物的規模規模u了解了解近期更確切的水情，以確定施工的進度，近期更確切的水情，以確定施工的進度，為施工期的防洪安全提供短期洪水預報為施工期的防洪安全提供短期洪水預報（3）管理運行階段：管理運行階段：發揮工程作用和發揮工程作用和效益效益水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.1 7.1 緒論緒論u工程水文學應用水利工程實施的三個階段工程水文學應用水利工程實施的三個階段（1）規劃設計階段：）規劃設

7、計階段：確定確定合理合理的的工程工程規模規模（2）施工階段：確保規劃設計的工程付諸實施）施工階段：確保規劃設計的工程付諸實施u水文預報（指導發電、防洪等）水文預報（指導發電、防洪等）u通過水文預報，通過水文預報，了解未來一定時期內的來水情了解未來一定時期內的來水情況，以確定最佳的水調度運營方案，以充分發揮況，以確定最佳的水調度運營方案，以充分發揮工程的效益工程的效益（3）管理運行階段：管理運行階段：發揮工程作用和發揮工程作用和效益效益水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所地球水量地球水量與分布與分布7.27.2水文循環與徑流形成水文循環與徑流形成水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.2 水文循

8、環與徑流形成 （1 1）水循環：）水循環：地球上各種水體地球上各種水體通過不斷的通過不斷的蒸發蒸發、水汽輸送、水汽輸送、冷凝降落冷凝降落、下滲下滲，形成徑流形成徑流的的往復循環的過程往復循環的過程主要環節：主要環節：蒸發蒸發、降水降水、下滲下滲、徑流徑流 （2 2）水循環的作用）水循環的作用u水循環使得人類生產和生活不水循環使得人類生產和生活不可或缺的水資源具有可再生性可或缺的水資源具有可再生性u途徑途徑及循環的強弱，決定了水及循環的強弱，決定了水資源的地區分布及時程變化資源的地區分布及時程變化（3 3）水循環分類：大循環和小循環）水循環分類：大循環和小循環水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所

9、 大循環大循環：從海洋蒸發的從海洋蒸發的水汽，被氣流輸送到大陸水汽，被氣流輸送到大陸而成降水。其中一部分以而成降水。其中一部分以徑流的形式從河流匯歸海徑流的形式從河流匯歸海洋；另一部分重新蒸發返洋；另一部分重新蒸發返回大氣。這種海陸間的水回大氣。這種海陸間的水分交換過程稱為分交換過程稱為大循環或大循環或外循環外循環7.2 水文循環與徑流形成水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 小循環小循環：海洋上蒸發的水海洋上蒸發的水汽在海洋上空凝結后，以汽在海洋上空凝結后，以降水的形式落到海洋里，降水的形式落到海洋里，或陸地上的水經蒸發凝結或陸地上的水經蒸發凝結又降落到陸地上，這種局又降落到陸地上，這種局部

10、的水文循環稱為部的水文循環稱為小循環小循環或內循環或內循環7.2 水文循環與徑流形成水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 （4 4）水量平衡原理）水量平衡原理 在水循環過程中，對于在水循環過程中，對于任一區域，任一時段，進入任一區域，任一時段，進入的水量與輸出的水量之差額的水量與輸出的水量之差額必等于其蓄水量的變量，這必等于其蓄水量的變量，這稱為稱為水量平衡原理水量平衡原理。 7.2 7.2 水文循環與徑流形成水文循環與徑流形成PERD DS 水量平衡法水量平衡法是分析研究水文現象，建立水文要素之間定是分析研究水文現象，建立水文要素之間定性或定量關系，了解其時空變化規律等主要性或定量關系，了解

11、其時空變化規律等主要方法方法SOID=- 水量平衡原理水量平衡原理是水文學的基本原理之一是水文學的基本原理之一SEPD=-R-即：即：水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所蒸蒸 發發降降 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經流坡面經流河河 網網 蓄蓄 水水深層地下水深層地下水地下徑流地下徑流流域流域出流出流河川徑流形成過河川徑流形成過程程表層徑流或壤中流表層徑流或壤中流產流過程產流過程匯流過程匯流過程水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（5 5）徑流）徑流: :指降落到流域表面上的指降落到流域表面上的雨水，由地面與地下匯入河川，最雨水，由地面

12、與地下匯入河川，最終流出流域出口斷面的水流終流出流域出口斷面的水流7.2 7.2 水文循環與徑流形成水文循環與徑流形成（6 6）徑流）徑流產生過程產生過程p降雨過程降雨過程扣除損失扣除損失凈雨過凈雨過程程流域匯流流域匯流流量過程流量過程（7 7）徑流）徑流產生的兩個階段產生的兩個階段p產流過程：降雨轉化為凈雨的產流過程：降雨轉化為凈雨的過程過程p匯流過程：凈雨轉化為河川流匯流過程：凈雨轉化為河川流量的過程量的過程雨量站雨量站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流域出口斷面流域出口斷面水資源與防洪研究

13、所水資源與防洪研究所 （8 8）徑流的表示方法和度量單位）徑流的表示方法和度量單位 徑流徑流表示方法表示方法: :流量流量、徑流量徑流量、徑流徑流深深等等7.2 水文循環與徑流形成 流量流量 Q ：指單位時間通過河流某一斷面的水量。常用單位：指單位時間通過河流某一斷面的水量。常用單位為為m3/s。流量隨時間的變化過程，用流量過程線來表示。流量隨時間的變化過程，用流量過程線來表示 Q (m3/s) )tW 流量過程線流量過程線 徑流徑流總量總量 W ：指：指時段時段 T 內內通過河流某一斷面的水量。通過河流某一斷面的水量。常用單位為常用單位為m3, 億億m3 徑流徑流深深R: 將徑流量平鋪在整個

14、流域面積將徑流量平鋪在整個流域面積上所求得的水層深度，以上所求得的水層深度，以mm為單位。為單位。水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（1 1）水文測驗主要內容）水文測驗主要內容l水位、流量、降水量、蒸發量、泥沙水位、流量、降水量、蒸發量、泥沙l其他其他：下：下滲量、水溫滲量、水溫、冰、冰情情、 水質、水質、地下地下水流量等水流量等7.3 水文測驗與水文資料收集（2 2）水文站網水文站網: :水文測站在地理水文測站在地理上的分布網上的分布網 水文站網的作用水文站網的作用: :單個水文單個水文測站觀測到的水文資料，只測站觀測到的水文資料，只能代表站址處的水文情況。能代表站址處的水文情況。在流域內

15、的一些適當地點設在流域內的一些適當地點設站觀測，對所得水文資料進站觀測，對所得水文資料進行整理分析，就可以內插出行整理分析，就可以內插出流域內任何地點的水文要素流域內任何地點的水文要素的特征值的特征值水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.3 水文測驗與水文資料收集（3 3）水位觀測）水位觀測n 觀測設備觀測設備：水尺水尺和自記水位計兩和自記水位計兩類類n 觀測基面：觀測基面：青島黃海基面青島黃海基面水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（b,h）),( hbfv=bhAVQ=式中式中, Q 流量流量, m3/s; 斷面平均流速斷面平均流速, m/s; A 過水斷面面積過水斷面面積, m2.V7

16、.3 水文測驗與水文資料收集（4 4）流量）流量測驗測驗 n定義：定義：單位時間內通過河流某斷面的水量單位時間內通過河流某斷面的水量(m3/s)n流量主要測量方法流量主要測量方法l流速儀測流流速儀測流水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.3 水文測驗與水文資料收集（5 5）蒸發測驗）蒸發測驗 蒸發皿（器）類型有：蒸發皿（器）類型有：E - 601型型大型蒸發池大型蒸發池l=5m、A=20m2l=11.3m、A=100m2蒸發皿觀測：蒸發皿觀測：通過對蒸發皿的水面蒸發直接觀測通過對蒸發皿的水面蒸發直接觀測水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.3 水文測驗與水文資料收集（6 6）降水測驗）降水

17、測驗 n 雨量器：雨量器： 直接直接觀測降水量的器具，它由承雨器、漏斗、儲觀測降水量的器具，它由承雨器、漏斗、儲水瓶和雨量杯組成，承雨器口徑為水瓶和雨量杯組成，承雨器口徑為200mm，分辨率為，分辨率為0.1mmn 自記雨量計自記雨量計稱重稱重式：式： 可連續記錄降水重量，可連續記錄降水重量，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：記錄記錄累積雨量累積雨量曲線曲線翻斗翻斗式：式： 翻斗每承接翻斗每承接0.1mm雨雨水向記錄器輸送一個脈沖水向記錄器輸送一個脈沖信號信號較為較為適用作適用作遙測雨量計遙測雨量計水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（7 7）水文）水文調查調查n 洪

18、水調查洪水調查：大洪水造成河道決口、水庫潰壩大洪水造成河道決口、水庫潰壩等災害性洪水調查，調查工作洪水痕跡、洪等災害性洪水調查，調查工作洪水痕跡、洪水發生的時間、災情測量、洪水痕跡的水發生的時間、災情測量、洪水痕跡的高程高程7.3 水文測驗與水文資料收集n 枯水枯水調查：調查：為了正確擬定設計最低通航水位，為了正確擬定設計最低通航水位，取得枯水資料具有重要意義，枯水調查的主取得枯水資料具有重要意義，枯水調查的主要目的是取得歷史上曾發生的最枯水位要目的是取得歷史上曾發生的最枯水位。n 水文遙感水文遙感：污染、藻類污染、藻類繁殖、繁殖、堤防堤防決口、淹沒決口、淹沒范圍、泥沙范圍、泥沙淤積及河床淤積

19、及河床演變、演變、降水量測降水量測定及水情定及水情預報等預報等水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所問題：問題：水文站測得的原始數據能否直接應用水文站測得的原始數據能否直接應用? ?水文信息處理（資料整編）：水文信息處理（資料整編）：水文信息的加工、處理過程。水文信息的加工、處理過程。即即各種水文原始信息，按科學的方法和統一的格式各種水文原始信息，按科學的方法和統一的格式整理、分整理、分析、統計析、統計、提煉提煉成為成為系統、完整、有一定精度的水文資料系統、完整、有一定精度的水文資料，供水文水利計算和有關國民經濟部門應用。供水文水利計算和有關國民經濟部門應用。工作內容：工作內容： 收集校核原始數

20、據；收集校核原始數據； 編制實編制實測成果表；測成果表； 確定關系曲線確定關系曲線，推求逐時、逐日，推求逐時、逐日值；值； 編制逐日表及洪水水文要素摘錄表；編制逐日表及洪水水文要素摘錄表； 合理性檢查；合理性檢查； 編制處理（整編）說明書編制處理（整編）說明書降雨降雨水位水位流量流量7.3 水文測驗與水文資料收集水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（8 8）水文）水文數據處理成果的刊布數據處理成果的刊布 n 水文年鑒：水文年鑒：按按全國統一規定全國統一規定對觀測的數據進行處理后的資料，由主管對觀測的數據進行處理后的資料，由主管單位分流域、干支流及上下游，單位分流域、干支流及上下游，每年刊布一每

21、年刊布一次。次。19861986年起陸續實行計年起陸續實行計算機存貯、算機存貯、檢索檢索n 無無資料地區的水文設計值推求資料地區的水文設計值推求：水文手冊和水文圖水文手冊和水文圖集集7.3 水文測驗與水文資料收集請問：進行工程設計時，所需的水文資料主要來源？請問：進行工程設計時，所需的水文資料主要來源？水文年鑒水文年鑒水資源與防洪研究所水資源與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流域出口斷面流域出口斷面流量流量Q Q時間時間T Tm3/s流域出口流量過程流域出口流量過程在實際調

22、度需要提前在實際調度需要提前知道這場降雨：知道這場降雨：洪峰流量洪峰流量流量過程流量過程洪水總量洪水總量或徑流量或徑流量或凈雨或凈雨測驗到的流域歷史降雨徑流資料研究：測驗到的流域歷史降雨徑流資料研究：（1）產流）產流計算模型與方法；（計算模型與方法；（2）匯流計算模型與方法）匯流計算模型與方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所PRR Q產流方案產流方案P（t）R（t） 場次洪水降雨場次洪水降雨場次洪水徑流量場次洪水徑流量Q（t）場次洪水流量過程場次洪水流量過程用于設計條件時，用于設計條件時，則可由設計暴雨推則可由設計暴雨推求設計洪水求設計洪水用于預報時，則由用于預報時，則由實際暴雨預報洪水實

23、際暴雨預報洪水匯流方案匯流方案流域產流方案與匯流方案制定流域產流方案與匯流方案制定方案應用方案應用P Pa= 0 20 40 60 80 100R450PR123456789 10 11 12 13 14 15T (h) q (m3/s) 時段單位線時段單位線7.4 流域產匯流計算流域產匯流計算水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所2022年6月16日22時06分流域產匯流計算一般需要先對實測暴雨、徑流和蒸發等資料做一定流域產匯流計算一般需要先對實測暴雨、徑流和蒸發等資料做一定的整理分析，以便在定量上研究它們之間的因果關系和規律的整理分析，以便在定量上研究它們之間的因果關系和規律 產流計算：產流

24、計算：降雨扣除植物截降雨扣除植物截留、填洼、下滲的損失后，剩留、填洼、下滲的損失后，剩余的部分稱為凈雨，凈雨量的余的部分稱為凈雨，凈雨量的計算稱為產流計算稱為產流計算計算產流產流方案：方案：流域降雨徑流之間流域降雨徑流之間關系的定量描述關系的定量描述P（t）降雨過程降雨過程PR產流預報方案產流預報方案R Q匯流預報方案匯流預報方案R（t）預報凈雨過程預報凈雨過程Q（t）預報流量過程預報流量過程產流計算產流計算匯流計算匯流計算匯流計算：匯流計算：由凈雨推求流域出由凈雨推求流域出口斷面流量的過程，稱為匯流口斷面流量的過程，稱為匯流計算計算流域匯流方案：流域匯流方案：流域凈雨與所流域凈雨與所形成的出

25、口端面流量過程之間形成的出口端面流量過程之間關系的定量描述關系的定量描述水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所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）算術平均法）算術平均法 當流域內雨量站分當流域內雨量站分布較均勻，地形起伏變化不大時，可用布較均勻，地形起伏變化不大時，可用算術平均法求得流域上的平均降水量算術平均法求得流域上的平均降水量7.4 流域產匯流計算（2 2）垂直平分法：）垂直平分法：垂直平分法垂直平分法也稱為泰森多邊形法。每個多邊也稱為泰森多邊形法。每個多邊形內有一個雨量站，以每個多邊形內有一個雨量站，以每個多邊形內雨量站的雨量代表該多

26、邊形形內雨量站的雨量代表該多邊形面積上的降雨量，最后按面積加面積上的降雨量，最后按面積加權推求流域平均權推求流域平均降雨量降雨量=nliipnP1。 。 。 f1 f2 f3 f4 P1P2P3P4=niiifPFP11水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所Qtabct0 h7.4.1.2 次次洪徑流量的計算洪徑流量的計算 流域流域出口斷面的實測流量過程線包括出口斷面的實測流量過程線包括: 前期一場降雨產生的部分未退完的徑流量前期一場降雨產生的部分未退完的徑流量 本次降雨形成的徑流本次降雨形成的徑流7.4 流域產匯流計算流域產匯流計算FtQFtQQRniiniii=D=D=1016.326.3水

27、資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.4 流域產匯流計算P 相同時，相同時，Pa 愈大，損失愈小，愈大，損失愈小，則則 R 愈大愈大 Pa 相同時，相同時，P 愈大，相對于愈大，相對于 P 損損失愈小，失愈小， 徑流系數愈大，則徑流系數愈大，則 R 愈大，因此愈大，因此 PR 線的坡度隨線的坡度隨 P 的增大而的增大而減緩減緩PP Pa= 0 20 40 60 80 100 mmR450R在關系線的上段表現為一組平行線在關系線的上段表現為一組平行線)(,1,ttataPPKP = = 水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.4.3 流域匯流流域匯流計算計算-單位線法單位線法 (1) 單位線的

28、基本概念單位線的基本概念 單位線：單位線：單位時段內均勻分布的單位凈單位時段內均勻分布的單位凈雨雨量所量所形成的流域出口斷面流量過程線形成的流域出口斷面流量過程線q t 。單位單位線的凈線的凈雨量一般雨量一般取取10mm7.4 流域產匯流計算252626242525tqih=10mm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (時段時段) D Dt =3hq(t)Fdttqt/)(0 = =RFtqD=6.3mm10= =水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 倍比假定倍比假定 若單位時段內的凈雨不是一若單位時段內的凈雨不是一個單位個單位,而是而是n倍個單位，則它倍個

29、單位，則它所形成的流量過程線總歷時與所形成的流量過程線總歷時與單位線底長相等，而流量是單單位線底長相等，而流量是單位線的位線的n倍倍 nqitqinhh（2 2）兩）兩個基本假定個基本假定: : 倍比假定倍比假定; ; 迭加假定迭加假定7.4 流域產匯流計算u問題問題1：若凈雨不是一個單位，若凈雨不是一個單位，即即時段凈雨不正好是時段凈雨不正好是10mmu問題問題2：凈雨歷時也不是一個時段，而是多個時段凈雨凈雨歷時也不是一個時段，而是多個時段凈雨那么如何利用單位線進行匯流計算那么如何利用單位線進行匯流計算 ？水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 迭加迭加假定假定若若凈雨不是一個時段凈雨不是一個

30、時段,而是而是m個個時段，則它們各自所形成的流時段，則它們各自所形成的流量過程線之間互不干擾，而總量過程線之間互不干擾，而總流量過程線等于流量過程線等于m個流量過程個流量過程線相互錯開一個時段的迭加線相互錯開一個時段的迭加（2 2）兩）兩個基本假定個基本假定: : 倍比假定倍比假定; ; 迭加假定迭加假定7.4 流域產匯流計算u問題問題1：若凈雨不是一個單位，若凈雨不是一個單位，即即時段凈雨不正好是時段凈雨不正好是10mmu問題問題2：凈雨歷時也不是一個時段，而是多個時段凈雨凈雨歷時也不是一個時段，而是多個時段凈雨那么如何利用單位線進行匯流計算那么如何利用單位線進行匯流計算 ？tR1+R2+R

31、3R2R3R1水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所1)1) 降雨強度降雨強度 降雨降雨中心位置在流域中上游形成的洪水，匯流路徑長，受流域調蓄中心位置在流域中上游形成的洪水，匯流路徑長，受流域調蓄作用大，故洪水過程較平緩，則此類洪水推求到的單位線過程平緩，峰作用大，故洪水過程較平緩，則此類洪水推求到的單位線過程平緩，峰低且峰現時間偏后，如同圖中低且峰現時間偏后，如同圖中 ，反之亦反，反之亦反 ( 3 ) 單位線的主要影響因素單位線的主要影響因素2) 2) 降雨中心位置降雨中心位置 降雨強度降雨強度大，則形成大洪水，一般流速大，則形成大洪水，一般流速大，匯流快，則單位線尖瘦、峰高且峰現時大，匯流快

32、，則單位線尖瘦、峰高且峰現時間早，如同圖中間早，如同圖中 ，反之亦反，反之亦反7.4 流域產匯流計算( 4 ) 例子例子如流域如流域暴雨中心在上游的單位線比暴雨中心在下游的單位線（暴雨中心在上游的單位線比暴雨中心在下游的單位線（ ）A.峰值小，峰現時間早峰值小，峰現時間早 B.峰值大，峰現時間早峰值大，峰現時間早C.峰值小，峰現時間遲峰值小，峰現時間遲 D.峰值大，峰現時間遲峰值大，峰現時間遲水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所u水文現象水文現象 水文現象是自然現象的一種，在其發生和演變過水文現象是自然現象的一種，在其發生和演變過程中，包含著程中，包含著必然性必然性的一面，也包著的一面，也包著

33、偶然性（隨機性偶然性（隨機性）的一面。的一面。 必然現象必然現象是在一定條件是在一定條件下，必然出現或不出現下，必然出現或不出現的現象的現象如：降水如：降水徑流徑流偶然現象偶然現象是在一定條件下是在一定條件下，可能出現也可能不出現，可能出現也可能不出現的現象的現象（隨機現象）（隨機現象）如：河流如：河流斷面流量斷面流量 7.5 水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所u水文統計學研究的任務水文統計學研究的任務 研究研究和分析水文隨機和分析水文隨機現象的統計變化特性，并現象的統計變化特性，并以此為基礎對水文現象未以此為基礎對水文現象未來可能的長期變化做出在來可能的長期變化做出

34、在概率意義上的概率意義上的定量估計定量估計，以滿足工程規劃、設計、以滿足工程規劃、設計、施工及運營期間的需要。施工及運營期間的需要。洪水統計變化規律洪水統計變化規律新設計水庫新設計水庫, ,防洪安全防洪安全洪水資料洪水資料可能洪水估計可能洪水估計 7.5 水文統計的基本知識及方法u水文學水文學主要研究方法主要研究方法：成因分析法，水文統計法成因分析法，水文統計法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.5 水文統計的基本知識及方法 7.5.1 水文統計研究的背景水文統計研究的背景p水文水文變化過程具有變化過程具有不確定性不確定性和和隨機性隨機性，故可用，故可用統計方法統計方法探討其概率特性。工

35、程規劃設計中從經濟與安全的綜合探討其概率特性。工程規劃設計中從經濟與安全的綜合考慮出發，廣泛地采用考慮出發，廣泛地采用設計頻率設計頻率與與設計保證率設計保證率作為決定作為決定工程規模工程規模的一項標準的客觀背景的一項標準的客觀背景p進行水文過程頻率分析的目的是進行水文過程頻率分析的目的是推求符合設計保證率的推求符合設計保證率的徑流量過程線徑流量過程線或或符合設計頻率的洪水過程線符合設計頻率的洪水過程線水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.5 水文統計的基本知識及方法 7.5.2 水文頻率分析水文頻率分析 （1）水文頻率曲線水文頻率曲線u概率論中是用概率論中是用概率密度函數概率密度函數或或概率

36、分布函數概率分布函數來表示來表示隨機變隨機變量各種取值量各種取值的可能性的可能性u水文頻率分析水文頻率分析是通過實際觀測資料的統計來研究是通過實際觀測資料的統計來研究水文隨機水文隨機變量各種取值變量各種取值的可能性的可能性u在工程的規劃設計階段，水文頻率分析的任務就是找出代在工程的規劃設計階段，水文頻率分析的任務就是找出代表各種水文隨機變量的分布規律的表各種水文隨機變量的分布規律的頻率曲線頻率曲線水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（2 2）水文水文頻率分析中常用的頻率分析中常用的分布分布皮皮爾遜爾遜型分布型分布 皮皮爾遜爾遜型曲線：型曲線：一端有限一端無限的不對稱單峰曲一端有限一端無限的不對

37、稱單峰曲線，概率密度函數為線，概率密度函數為)(100)()()(axeaxxf- - - - - = = 7.5 水文統計的基本知識及方法 提示提示：一般：一般選配選配皮爾遜皮爾遜IIIIII型型分布曲線分布曲線，是因為，是因為經驗經驗表明該表明該線型能與我國大多數地區水文線型能與我國大多數地區水文變量的頻率分布配合變量的頻率分布配合良好良好水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 P型型分布的積分無解析解，實用中制表查用分布的積分無解析解，實用中制表查用。（3）頻率）頻率 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 取標準化變量取標準化變量 （離均系數）（離均系數）)1( vCxx = = ddvCxx = = = = = = psppCfPxXP d),()()(vCxxx/)(-= 給定給定Cs即得到即得到p和和P的對應值，制定出的對應值，制定出p Csp 對應數值表對應數值表7.5 水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.5.2.4 統計參數估算統計參數估算（1）樣本與總體：）樣本與總體： 隨機變量所取數值的全體稱為隨機變量所取數值的全體稱為總體總體，從總體中任意抽取的一部分稱為從總體中任意抽取的一部分稱為樣本樣本，樣本中所

39、包，樣本中所包括的項數稱為括的項數稱為樣本容量樣本容量。（2）水文變量）水文變量的總體是指自古迄今以至未來的水文系的總體是指自古迄今以至未來的水文系列，現有的水文觀測系列可以當作總體的一個樣本。列，現有的水文觀測系列可以當作總體的一個樣本。（3）參數估計：）參數估計：用有限的樣本觀測數據去估計總體分用有限的樣本觀測數據去估計總體分布線型中的參數布線型中的參數7.5 水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所u矩法估計參數矩法估計參數 用用樣本矩估計總體矩，并通過矩和參數之間的關系，樣本矩估計總體矩，并通過矩和參數之間的關系，來估計頻率曲線參數的一種來估計頻率曲線參數的一種方法

40、。方法。水文水文上采用經修正（無上采用經修正（無偏估計）后的矩法公式偏估計）后的矩法公式樣本均值樣本均值 = = =niixnx11 = =- - -= =niixxn12)(11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - niivsKCnC133)1()3(1樣本標準差樣本標準差樣本變差系數樣本變差系數樣本偏態系數樣本偏態系數 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所（4） P型曲線的應用步驟型曲線的應用步驟u由樣本估計出由樣本估計出Cs，查，查 值表得出不同值表得出不同 P 的的 p 值值u估計出估計出E

41、(x)、Cv 值，通過式值，通過式 求出與各種求出與各種 P 相應的相應的 xp 值；值；u繪制頻率曲線繪制頻率曲線)1(pvpCxx = =7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法 7.5.2.5 現行水文頻率計算方法現行水文頻率計算方法適線法適線法概率數據u 由由樣本估計，繪制出來的頻率樣本估計，繪制出來的頻率曲線沒有外延性，需推求理論曲線沒有外延性，需推求理論頻率曲線，獲得各種頻率的設頻率曲線，獲得各種頻率的設計值，因此需要配線計值，因此需要配線u 根據根據估計的頻率分布曲線與樣

42、估計的頻率分布曲線與樣本經驗點據分布配合最佳來優本經驗點據分布配合最佳來優選參數的方法叫做選參數的方法叫做適線法適線法。實實質是通過樣本的經驗分布去探質是通過樣本的經驗分布去探求總體的分布求總體的分布u 適線法適線法層次清楚，圖象顯明，方法靈活，操作容易，所以在水層次清楚，圖象顯明，方法靈活，操作容易，所以在水文計算中被廣泛采用文計算中被廣泛采用P( X xm ) = m / (n+1)水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 水文上用水文上用期望值公式期望值公式估計頻率：估計頻率： P( X xm ) = m / (n+1) 重現期：重現期：指在許多試驗中，某一事件重復出現的時間間隔的指在許多試

43、驗中，某一事件重復出現的時間間隔的平均數平均數（某隨機變量的取值在長時期內平均多少年出現一次，又稱（某隨機變量的取值在長時期內平均多少年出現一次，又稱多少年一遇）。在工程水文中，重現期用字母多少年一遇）。在工程水文中，重現期用字母 T 表示，一般以年為表示，一般以年為單位單位。（1）經驗頻率）經驗頻率 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法 目估適線法（目估配線法）的原理：目估適線法（目估配線法）的原理：根據經驗頻率點據，找出根據經驗頻率點據，找出配合最佳之頻率曲線，相應的分布參數為總體分布參數的估計值，配合最佳之頻率曲線，相應的分布參數為總體分布參數的估計值，以此來估計水文

44、要素總體的統計以此來估計水文要素總體的統計規律規律 （2）目估適線法）目估適線法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 = = =niixnx11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - niivsKCnC133)1()3(1P( X xm ) = m / (n+1)水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所目估適線法計算步驟目估適線法計算步驟 將實測資料由將實測資料由大到小排列，計算各大到小排列，計算各項的經驗頻率，在頻項的經驗頻率，在頻率格紙上點繪經驗點率格紙上點繪經驗點據（縱坐標為變量的據（縱坐標為變量的取值，橫坐標為對應取值，橫坐標為對應的經驗頻率）的經驗頻

45、率）概率數據 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法P( X xm ) = m / (n+1)某某站站年年降降水水量量頻頻率率計計算算表表水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 選定水文頻率分布選定水文頻率分布線型（一般選用線型（一般選用皮爾遜皮爾遜型型） 先采用矩法或其它先采用矩法或其它方法估計出頻率曲線參數方法估計出頻率曲線參數的初估值的初估值 、Cv，而而Cs憑憑經驗初選為經驗初選為Cv的倍數的倍數x概率數據 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法 = = =niixnx11 = =- - -= = =niivKnxC12)1(11 = =- - - n

46、iivsKCnC133)1()3(1（3）目估適線目估適線法步驟法步驟 經驗頻率分析經驗頻率分析水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所可通過調整可通過調整 、Cv和和Cs 點繪頻率曲線。點繪頻率曲線。 根據擬定的根據擬定的 、Cv和和Cs，查表計算，查表計算Xp 值。以值。以Xp為縱坐標為縱坐標，P為橫坐標，即得到為橫坐標，即得到頻率曲線。將此線畫頻率曲線。將此線畫在繪有經驗點據的圖在繪有經驗點據的圖上，看與經驗點據配上，看與經驗點據配合情況合情況 。若不理想，。若不理想，xx概率數據 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法)1(pvpCxx = =水資源與防洪研究所水資源與防

47、洪研究所概率數據 根據頻率曲線根據頻率曲線與經驗點據的配合情況與經驗點據的配合情況，從中選出一條與經驗，從中選出一條與經驗點據配合較好的曲線作點據配合較好的曲線作為采用曲線，相應于該為采用曲線，相應于該曲線的曲線的參數參數 、Cv和和Cs，便便看作是總體參數的看作是總體參數的估值。估值。 求指定頻率的水文變量設計求指定頻率的水文變量設計值值 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法)1(pvpCxx = =x水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法 知識知識點總結：點總結：（1）目）目估適線法（目估配線法）的原理：估適線法（

48、目估配線法）的原理：根據經驗頻率點據，根據經驗頻率點據，找出配合最佳之頻率曲線找出配合最佳之頻率曲線，是通過調整，是通過調整 、 Cv 和和Cs 等分布參等分布參數實現的數實現的（2）一般選配皮爾遜）一般選配皮爾遜III型分布曲線，是因為經驗表明該線型分布曲線，是因為經驗表明該線型能與我國大多數地區水文變量的頻率分布配合型能與我國大多數地區水文變量的頻率分布配合良好良好（3）水文現象的特點：確定性、隨機性和地區性）水文現象的特點：確定性、隨機性和地區性x水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法 7.5.3 樣本分析樣本分析u 通過統計分析來

49、估計某種隨機事件的概率特性，必須要有通過統計分析來估計某種隨機事件的概率特性，必須要有一個好的樣本作為基礎。因此，盡可能地提高樣本資料的一個好的樣本作為基礎。因此，盡可能地提高樣本資料的質量是一個非常關鍵的環節。質量是一個非常關鍵的環節。u樣本資料的質量主要反映在是否滿足下列三方面的要求：樣本資料的質量主要反映在是否滿足下列三方面的要求：p資料應具有充分的資料應具有充分的可靠性可靠性p資料的基礎應具有資料的基礎應具有一致性一致性p樣本系列應具有充分的樣本系列應具有充分的代表性代表性水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所7.5.3.1可靠性審查可靠性審查 可靠性審查應從審查測驗方法、采集成果、處理

50、方法和處可靠性審查應從審查測驗方法、采集成果、處理方法和處理成果著手。一般可從以下幾個方面來進行：理成果著手。一般可從以下幾個方面來進行： 水位資料審查：水位資料審查：檢查原始水位資料情況，分析水位過程線形狀，檢查原始水位資料情況，分析水位過程線形狀，了解當時觀測質量，分析有無不合理現象。了解當時觀測質量，分析有無不合理現象。 水位流量關系曲線審查：水位流量關系曲線審查：檢查水位流量關系曲線繪制和延長檢查水位流量關系曲線繪制和延長的方法，分析歷年水位流量關系曲線的變化情況。的方法，分析歷年水位流量關系曲線的變化情況。 水量平衡審查：水量平衡審查：根據水量平衡原理，下游站徑流量等于上游站根據水量

51、平衡原理，下游站徑流量等于上游站徑流量加區間流量。通過水量平衡檢查即可衡量徑流資料精度。徑流量加區間流量。通過水量平衡檢查即可衡量徑流資料精度。審查時應特別注意：審查時應特別注意：1949年前的水文資料質量較差年前的水文資料質量較差 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所2022年6月16日22時06分7.5.3.2一致性審查一致性審查 應用數理統計方法進行計算分析時，要求組成系列應用數理統計方法進行計算分析時，要求組成系列的水文資料都是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件的水文資料都是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件和同一測量斷面上獲取的

52、（同一成因）。年徑流系列的和同一測量斷面上獲取的（同一成因）。年徑流系列的一致性是建立在一致性是建立在氣候條件氣候條件和和下墊面條件下墊面條件穩定性的基礎上穩定性的基礎上 氣候條件：氣候條件：變化不是非常顯著，認為徑流系列具有一致性。變化不是非常顯著，認為徑流系列具有一致性。 人類活動影響下墊面：人類活動影響下墊面：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，改變了天然徑流過程。需考慮徑流的還原計算，使得全部等，改變了天然徑流過程。需考慮徑流的還原計算，使得全部系列建立在同一基礎上系列建立在同一基礎上。 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研

53、究所水資源與防洪研究所 u資料代表性審查資料代表性審查 指指樣本的統計特征樣本的統計特征能否反映能否反映總體的統計特征總體的統計特征 。 實測年徑流系列是總體的一個隨機樣本。實測年徑流系列是總體的一個隨機樣本。樣本對總體的代表性樣本對總體的代表性的好壞的好壞反映在樣本的統計參數與總體統計參數的接近程度，樣反映在樣本的統計參數與總體統計參數的接近程度，樣本代表性愈高，則設計結果精度愈好。本代表性愈高，則設計結果精度愈好。數理統計原理數理統計原理當樣本容量愈大，則抽樣誤當樣本容量愈大，則抽樣誤差愈小，說明長系列樣本代差愈小，說明長系列樣本代表性高的可能性要大。表性高的可能性要大。實測樣本水文代表性

54、衡量實測樣本水文代表性衡量通過與有成因聯系的更長期通過與有成因聯系的更長期的其它系列（視為近似代表的其它系列（視為近似代表總體）的分布參數作比較。總體）的分布參數作比較。 7.5 水文統計的基本知識及方法水文統計的基本知識及方法水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所QBt1t2TDCtAEQ mWQm：洪峰流量洪峰流量(m3/s)，一次洪水過程中的，一次洪水過程中的最大流量；最大流量；W ：一次洪水的總徑流量一次洪水的總徑流量(m3)，即，即ABCDE所包圍的面積；所包圍的面積；A：洪水起漲點洪水起漲點；B：洪峰點洪峰點；C：退水結束點退水結束點； t1：漲水歷時；漲水歷時；t2：退水歷時；退水

55、歷時；T：洪水總歷時洪水總歷時(T= t1+ t2) 7.6 設計洪水與設計年徑流的推求設計洪水與設計年徑流的推求7.6.1 7.6.1 設計洪水推求設計洪水推求 （1）洪水過程特征要素：）洪水過程特征要素：洪峰、洪量和洪水過程洪峰、洪量和洪水過程水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.6 設計洪水與設計年徑流的推求設計洪水與設計年徑流的推求(2)(2)設計洪水設計洪水和和設計標準設計標準u 設計任何水工建筑物時，都需要選定某一量級的洪水作為設計依據，設計任何水工建筑物時，都需要選定某一量級的洪水作為設計依據，以便確定工程的規模。以便確定工程的規模。u 現行的方法是選擇某一頻率現行的方法是選

56、擇某一頻率（如（如1%、0.1%）的洪水作為設計依據，或的洪水作為設計依據，或標準標準。設計標準確定后，按標準推求的洪水，稱為。設計標準確定后，按標準推求的洪水，稱為設計洪水設計洪水。如：。如：p 在水利工程的規劃與設計中，按工程的種類、重要性，將水工建筑在水利工程的規劃與設計中，按工程的種類、重要性，將水工建筑物劃分為若干等級，根據不同級別規定出相應的物劃分為若干等級，根據不同級別規定出相應的設計標準設計標準。p 正常運用條件下，根據正常運用條件下，根據設計洪水設計洪水，調節計算決定水利樞紐工程的，調節計算決定水利樞紐工程的設設計洪水位計洪水位。若所設計的水工建筑物負擔保護下游地區的防洪任務

57、時，。若所設計的水工建筑物負擔保護下游地區的防洪任務時，還規定有還規定有下游防護對象的防洪標準下游防護對象的防洪標準, , 但此但此標準都比大壩的設計標準標準都比大壩的設計標準低低，通過洪水調節計算求得相應的，通過洪水調節計算求得相應的防洪高水位防洪高水位。水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所2022年6月16日22時06分表表7.6.1 水庫工程水工建筑物的防洪標準水庫工程水工建筑物的防洪標準水工建水工建筑筑物級別物級別防洪標準防洪標準重現期（年）重現期（年）山區、丘陵區山區、丘陵區平原區、濱海區平原區、濱海區設設 計計校校 核核設設 計計校校 核核混凝土壩、漿砌石壩及混凝土壩、漿砌石壩及其

58、他水工建筑物其他水工建筑物土壩、堆石壩土壩、堆石壩1100050050002000可能最大洪水（可能最大洪水（PMF）或或1000050003001002000100025001002000100050002000100501000300310050100050020001000502030010045030500200100030020101005053020200100300200105020等等級級防護區人口防護區人口（萬人）（萬人）防護區耕地面防護區耕地面積（萬畝）積（萬畝）防洪標準防洪標準重現期（年）重現期（年）150300100501505030010050305020100303

59、02020302010等等級級重要性重要性非農業人非農業人口（萬人）口（萬人）防洪標準防洪標準重現期（年）重現期（年）特別重要的城市特別重要的城市150200重要的城市重要的城等城市中等城市502010050一般城鎮一般城鎮205020 表表7.5.6 鄉村防護區的等級和防洪標準鄉村防護區的等級和防洪標準表表7.5.5 城市的等級和防洪標準城市的等級和防洪標準水資源與防洪研究所水資源與防洪研究所 7.6 設計洪水與設計年徑流的推求設計洪水與設計年徑流的推求（3）設計洪水設計洪水計算的內容和方法計算的內容和方法 1 1）設計洪水計算的內容）設計洪水計算的內容 u主要包括

60、主要包括設計洪峰流量設計洪峰流量、不同時段的設計洪水總量不同時段的設計洪水總量（最大（最大一、三、五、七、十五日一、三、五、七、十五日）和）和設計洪水過程設計洪水過程等三項內容。等三項內容。工程特點不同，需要計算的設計洪水內容和重點亦不同。工程特點不同，需要計算的設計洪水內容和重點亦不同。u 如蓄洪區、水庫工程，有一定的如蓄洪區、水庫工程，有一定的調節庫容調節庫容，水庫的出流過程與水庫，水庫的出流過程與水庫的整個入流過程有關，不只是與一、兩個入流洪水特征（如的整個入流過程有關，不只是與一、兩個入流洪水特征（如峰或某峰或某時段洪量時段洪量）有關。此時，不僅需要計算）有關。此時，不僅需要計算設計洪