水文学与水文地质学复习PPT课件

一般要求高水部分不应超过当年实测流量所占水位变幅 的30%，低水部分延长不应超过10%。
10
第10页/共48页
第3章 水文统计基本原理和方法
一、概率论及数理统计基本知识
• 水文现象的特性：必然性和偶然性。偶然现象的规律称为统计规律。 • 水文统计的基本方法和内容：
（1）根据已有的资料（样本），进行频率计算，推求指定频率的水文特征 值；（2）研究水文现象之间的统计关系，应用这种关系延长、插补水文特征值 和作水文预报；
n
K xi 1 K yi 1
r
i 1
i 1
n
n
xi x2 yi y2
n
n
K xi 1 2 K yi 1 2
i 1
i 1
i 1
i 1
水文上常采用幂函数、指数函数两种曲线，基本作法是将其转换为直 线，再进行直线回归分析。
21
第21页/共48页
第4章 河川径流情势特征值分析与计算
（3）径流深Y 将计算时段内的径流总量平铺在整个流域面
积上所求得的水层深度，以mm为单位。 Y W
1000F
（4）径流模数M (L/s/km2） 流域出口断面流量与流域面积
的比值
M 1000Q
F
（5）径流系数α 某一时段的径流深度与相应的降雨量的比值
α= Y/ P 8
第8页/共48页
4、水文测量与信息采集
第12页/共48页
② 实测水文系列由最小值组成时（研究枯水流量、 枯水位，发电，灌溉），设计频率标准>50% ，有
T 1 1 P
或：
T(X
xi )
1 P(X
xi )
1
1 P(X
xi )
例如，某枯水位频率为p=95%，那么此枯水位的重现期T=20年。则称 平均20年中有一年的水位低于该枯水位，或称为二十年一遇。
一、年径流及其特性
一年内通过河流某一断面的水量，称为该断面以上流域 的年径流量。
1、径流的年际变化和年内变化
径流过程的不重复
径流的年际变化：丰水年、平水年和枯水年。
径流的年内变化：丰水期（或洪水期）和枯水期，或汛 期与非汛期。 2、设计年径流量：
设计（频率）标准下的年径流量。
22
第22页/共48页
3、年径流分析计算的目的和内容
零相关（没有关系）：两变量之间毫无联系。
相关关系：两个变量的关系界于完全相关和零相关之间。两变量相关关系称 为简相关；三个或以上变量相关关系称为复相关。相关形式有直线相关和非直线 相关。
2、简单直线相关 通过最小二乘进行估计，得回归方程和相关系数为
y y r y x x
x 3、曲线相关
n
xi xyi y
流量测量包括过水断面测量、流速测量和流量计算三部 分。
流速测量有一点、两点、三点（0.2H、0.6H、0.8H）或 五点法。
9
第9页/共48页
(3) 水文流量关系曲线的延长 测站测流时，因施测条件限制或其他原因，致使最高水位
或最低水位的流量缺测或漏测，在这种情况下，须将水位流 量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过 程。 （1）根据水位面积、水位流速关系外延 （2）根据水力学公式外延 （3）水位流量关系曲线的延长
第一章 绪论
1、水文学的含义
水文学是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环和 环境相互作用规律的一门科学。
2、水文循环的概念
存在于地球上各种水体中的水，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（Long cycle）
海陆之间的水文循环
小循环（Short cycle）
理论频率曲线，并以此来估计水文要素总体的统计规律。 目估配线法的作法与步骤
3、优化适线法 在一定的适线准则（即目标函数）下，求解与经验点 据拟合最优的频率曲线的统计参数的方法。
20
第20页/共48页
九、相关分析
1、相关的种类及在水文上的应用
完全相关（函数关系）：两变量x与y 之间，每给定一个x值，就有一个完全 确定的y值与之对应。
皮尔逊III型曲线比较符合水文随机变量的分布， 我国基本上都是采用该理论线型。
17
第17页/共48页
绘制理论频率曲线步骤： ① 已知Cs，查表，得 P = 0.01, 0.1, 1,… 99.9%
Φp = … , … , …, … , …
x ②已知 、Cv值，代入 x p x(1 Cv p )
x
1 n
n i 1
xi
xi x2 n 1
Cv
ki 12
n 1
Cs
ki 13 n 3Cv3
抽样误差：用样本统计参数代替总体统计参数引起的误差。 样本容量大，对总体的代表性就好，其抽样误差就小
19
第19页/共48页
八、水文频率计算适线法 1、统计参数对频率曲线的影响 2、目估适线法 以经验频率点据为基础，给它们选配一条符合较好的
样
i 1
n 1
15
第15页/共48页
（3）变差系数：衡量系列的相对离散程度。
Cv样 x
n
ki 12
i1
n 1
（4）偏态系数：衡量系列不对称程度。
Cs 对密度曲线的影响
Cs样
xi x 3
n3 3
xi x 3 n 3 3
ki 13
(n 3)Cv3
要求：计算公式，理解各统计参数的意义。
5
第5页/共48页
（5）下渗 下渗是指地面上的雨水从地表渗入土壤的运动过程。 充分供水条件下的下渗率为下渗能力。对于比较干燥的土壤， 充分供水条件下，下渗的物理过程可分为三个阶段，它们 依次为渗润阶段—渗漏阶段--渗透阶段
下渗曲线确切地说，应称下渗能力曲线，指地面充分供水 条件下下渗率随时间的变化过程线。
6
第6页/共48页
3、河川径流
径流形成过程：流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口 断面的整个物理过程，称为径流形成过程。
径流形成过程
径流形成过程可概括为：降雨过程→扣除损失→净雨过 程→流域汇流→流量过程，其中降雨转化为净雨的过程称为 产流过程；净雨转化为河川流量的过程称为汇流过程。
径流形成过程
第13页/共48页
四、水文资料审查的要求： √可靠性：鉴定资料的可靠程度。 √一致性：是指同一系列的水文资料属于同一成
因、同一类型的。 √代表性：是指现有n年实测资料组成的特定样本系
列和总体的接近程度 。
第14页/共48页
五、随机变量的统计参数
随机变量统计规律的数字特征，称为随机变量的统计参 数。水文计算中常用的样本统计参数有均值、均方差、变差 系数和偏态系数。
目的：推求不同保证率的年径流量及其分配过程。 内容：搜集和审查资料；年径流量的频率分析计算；提供设计年 径流的时程分配；对分析成果进行合理性检查
二、设计年径流量的推求
（1）据长期观测资料 (目估)适线法；
（2）资料不足
相关分析法+适线法；
（3）缺乏资料
水文比拟法
第23页/共48页
三、有较长资料时设计年径流频率分析计算
√重现期表示方法： ① 实测水文系列(洪峰流量、洪水位、暴雨)由最大 值组成时，设计频率标准<50% ，有
或：
T1 P
T(X
xi )
1 P(X
xi )
例如，某洪峰流量的频率为1%，那么此洪峰流量的重现期是100年，则称平均 100年出现一次大于或等于该洪峰流量的事件，或称为百年一遇。所谓百年一遇， 不可以认为恰好每隔100年一定会遇上一次，而是指相当长的时间里平均100年 出现一次。
二、累积频率
可理解为等量或超量值的累积频数(m)与总观测次数(n)之 比。
m P(X xi ) n (%)
需要知道大于或者等于某一特征值的频率是多少，指的就是累积频率。工程上习 惯将累积频率简称为频率。
11
第11页/共48页
三、重现期
指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现 一次 （多少年一遇）。重现期是平均若干年出现一次，而不是 固定的周期。
海洋或陆地的局部水文循环 ※ 陆地小循环
1
第1页/共48页
3、水文现象的基本规律
水文现象受上界面气象要素、下垫面因素和人类活动的 影响。水文规律分为三类的，即成因规律、统计规律和地区 综合规律
4、水量平衡原理
在自然界水循环过程中，任意区域在一定时段内，输入 水量与输出水量之差等于该区域的蓄水变化量。
河流的基本特征：河流长度、河流断面（横断面、纵断
面、中泓线）、河道纵比降的计算。 （2）流域
I H 2 H1 100% L
流域：汇集地表和地下径流的区域。
闭合流域：地面分水线和地下分水线相重合的流域。
非闭合流域：地面与地下分水线不重合的流域。
流域的基本特征：流域面积、流域长度和平均坡度、流域自 然地理特征等（地理位置、气候特征和下垫面条件）。
（或
Kp
xp x
1 Cv p
）；
③ 以Xp (或 Kp )为纵坐标，以P(%)为横坐标，绘出一 条与三个统计参数相符的理论曲线；在曲线上求出设 计频率对应的设计值。
（要求会查表计算）
第18页/共48页
七、频率曲线参数估计方法
由样本估计总体参数的方法主要有矩法、三点法、权函 数法等。
矩法：采用无偏估计。由样本系列无偏估计计算出来的 统计参数与总体更接近些。
降水强度
单位时间内的降水量(mm/ min，mm /h).
4
第4页/共48页
（3）降水的特征表示方法 降水累积曲线
降水过程线 等雨量线 （4）流域平均降水量 雨量站观测的降雨量只代表那一点的降雨，而形成河川径 流的则是整个流域上的降雨量，对此，可用流域平均雨量 （或称面雨量）来反映。主要有算术平均法、等雨量线法、 泰森多边形法
年径流系列长度不小于30年。
1、“三性”审查
可靠性： 检查原始水位资料，水位流量关系曲线及上、下游站和区间径流 量的水量平衡。
一致性：年径流系列都应是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一测 流断面上获得的。
代表性：样本对年径流总体的接近程度。分析方法：周期性分析（包含丰、 平、枯，且丰、枯水段大致对称分布）；与更长系列参证变量进行比较。
产流过程 汇流过程
坡地汇流 河网汇流
7
第7页/共48页
降雨损失量包括雨期蒸发、植物截留、填洼和补充土壤 缺水的下渗量。
径流常用流量、径流量、径流深、流量模数、径流系数 来表示。（计算）
（1）流量Q 单位时间通过河流某过水断面的水量，单位为 m3/s、 L/s 。
（2）径流总量 指一定时段内通过河流某一过水断面的总水 量。常用单位为m3 ，万m3 ，亿m3 等。 W QT
（1）水位 河流某时刻在某断面的自由水面相对于某一基面的高程。 目前全国统一基面：黄海基面 水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数
水位观测设备：水尺、自记水位计 日平均水位计算方法： 算术平均法：一日内水位变化平缓，或起伏大但等时距观测 面积包围法：一日内水位变幅大，观测次数多但观测时距不 等 （2）流量
16
第16页/共48页
六、经验（累积）频率曲线和理论频率曲线
水文分析计算中使用的概率分布曲线俗称水文频率 曲线，习惯上把由实测资料（样本）绘制的频率曲线 称为经验频率曲线，而把由数学方程式所表示的频率 曲线称为理论频率曲线。
（1）经验频率计算公式 维泊尔公式：
P m (%) n 1
式中：p为经验频率；m为序号； n为系列的总项数。 （2） 理论（累积）频率曲线
3
第3页
是指大气中的水分以各种形式降落到地面。
（2）降水的三要素
常用降水量、降水历时、降水强度、降水面积和暴雨中 心等来描述降水特征。 降水量：
一定时段内降落在某处或某面积上的总水量(mm).
降水历时： 降水所经历的时间。
(annual, month, day, hour, min)。
（1）均值：表示系列的分布中心，代表随机变量系列 的平均水平。
x
x1 x2
xn n
1 n
n i 1
xi
或 k
k1 k2 kn n
1 n
n
ki
i 1
1
式中
ki
xi x
称为模比系数。
（2）均方差：反映系列中各变量集中或离散的程度。
均方差越大，系列越分散，数值变化越大。 n
xi x 2
水量平衡方程、径流系数（α=R/P）。
4、工程水文学的基本研究方法
根据水文现象的基本规律，按不同的条件和要求，工程 水文学的研究方法通常分为三类：成因分析法、数理统计法 和地理综合法。实际工作中，这三种方法相辅相成、互为补 充。
2
第2页/共48页
第二章 水文学基本知识
1、河流与流域
（1）河流
河流分为河源、上游、中游、下游及河口五段。
2、设计年、月径流量系列的选取和频率分析
采用P-Ⅲ型频率分布曲线，估算均值（ ）、变差系数（Cv）和偏态系数 （Cs）三个参数。
3、实际代表年年、月径流量系列的选取
x
选出一个实际干旱年作为代表，用其年径流分配过程与该年的用水过程相配 合而进行调节计算。