《工程水文学》word版

'|工程水文学||绪论|河川水文基础知识|水文测验及水文资料搜集|水文统计的基本知识及方法|内河航道与港口工程设计水位和设计流量的推求第1章绪论u1.工程水文学的研究对象$水文学是研究地球上各种水体的一门科学。它研究各种水体的存在、循环和分布，探讨水体的物理和化学特性以及它们对环境的作用，包括它们对生物的关系。$水体是指以一定形态存在于自然界中的水的总体，如大气中的水汽，地面上的江河、湖泊、沼泽、海洋和地下水。各种水体都有自己的特性和变化规律。$应用于实际工程的水文学称为工程水文学。它研究与工程的规划、设计、施工以及运营管理有关的水文问题，主要内容为水文计算和水文预报。u2．港口及航道工程涉及的水文知识u港口航道专业的工程水文学可以包括两大内容：一是与内河航运有关的河川水文，二是与建港有关的海浪、潮汐，近岸水流、泥沙和河口水文等的海洋水文。u针对河流上的港口与航道，需要了解和掌握的有关河川水文的知识主要有：u根据工程建设所在河段的河流水文特性，提供设计洪峰流量，设计洪峰洪水位，设计最高、最低通航水位等水文特征值，作为码头、船闸、引航道，跨越航道建筑物（如桥梁）、航道整治、疏浚等高程设计和渠化枢纽溢洪建筑物尺寸设计的依据；在综合利用水资源（灌溉、发电、供水、航运、防洪等）时，需要了解有关年径流及其年内的分配情况，以便协调各用水部门的用水要求，保证航运的需要；在内河港口与航道工程的施工、运营管理中还需要了解洪水、枯水预报，以便组织施工和制定运行方案。u上述内河港口和航道工程所需要的各种水文数据都要经过水文测验、水文数据的搜集和资料的整理、水文统计以及计算分析才能得到。u第二章河川水文基础知识•1水循环及径流形成•1．1自然界的水循环地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升、冷却、凝结，并在适当的条件下，再降落到地面，这种往复的循环过程，称为水（文）循环。从海洋上蒸发出来的一部分水汽，被气流带到大陆上空，冷凝后降落到陆地表面。其中一部分重新蒸发又回到大气中，另一部分从地面和地下汇入河流，最后又注入海洋。这种海陆间的水循环称为大循环。海洋中的水蒸发后，在空中冷凝又降落到海洋，或陆地上的水蒸发后又降落到陆地，这种局部的水循环称小循环。水循环是最重要、最活跃的物质循环之一，与人类有密切的关系。水循环使得人类生产和生活不可缺少的水资源具有可再生性。水循环的途径及循环的强弱，决定了水资源的地区分布及时程变化。 水资源：地球表面可供人类利用的水。包括水量、水质、水能资源和水域。•1．2水量平衡原理根据质量守恒定律可知，在水循环过程中，对于任一区域，任一时段，进入的水量与输出的水量之差额必等于其蓄水量的变量，这称为水量平衡原理。水量平衡原理是水文学的基本原理之一。水量平衡法是分析研究水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等主要方法之一。根据水量平衡原理，可以列出水量平衡方程。对某一区域，有式中I、O——时段内输入、输出该区域的总水量。——时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。上式为水量平衡方程的通用式。对不同的研究对象，需具体分析其输入、输出量的组成，写出相应的水量平衡方程式。2．1河流的形成和分段降水除掉损失一部分以外，在重力作用下，经地面与地下沿着一定方向和路径流动，依其大小可分为江、河、溪、沟等，其间并无精确分界，统称为河流。河槽亦称河床。枯水期水流所占部位为基本河床，或称主槽。洪水泛滥所及部位为洪水河床，或称滩地。•2．3河流的基本特征（1）河流横断面垂直于水流方向的断面称为河流横断面。通常把经常过水的横断面称为过水断面，而遭遇洪水时的过水断面称为大断面。河流横断面是河道水位、流量测验计算的重要依据。 （2）河流纵断面河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线，称为中泓线或溪谷线。沿河流中泓线的剖面，称为河流的纵断面，又称纵剖面。纵断面图可以用来表示河流的纵坡和落差的沿程分布。它是推算水流特性和估计水能蕴藏量的主要依据。（3）河流纵比降任意河段（水面或河底）的高差称为落差，中泓线上单位长度内的落差称为比降。河流比降有水面比降与河底比降。2.4流域降落到地表上的水，被高地、山岭分隔而汇集到不同的河流中，这些汇集水流的区域，称为某河流的流域。流域是河流的集水区域。分隔水流的高地，山岭的山脊线，就是相邻流域的分界线，称为分水线（或分水岭）。一般大中河流多按闭合流域考虑，即地面分水线与地下分水线相重合的流域，称为闭合流域。否则叫不闭合流域。闭合流域任意时段水量平衡方程为：P——时段内的降水量（mm）E——时段内的蒸发量（mm）R——时段内的流域出口断面径流量（mm）——时段内该流域的蓄水变量（mm）闭合流域多年平均情况，其水量平衡方程为：•2．5流域的特征1.流域面积流域分水线和出口断面所包围区域的平面投影的面积，称为流域面积（也称集水面积），记为F，其单位为km2。2.流域自然地理特征（1）流域的地理位置流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示，它可以反映流域所处的气候带，说明流域距离海洋的远近，反映水文循环的强弱。（2）流域的下垫面条件。流域的地形、土壤和岩石性质、地质构造、植被、湖泊、沼泽以及流域形状和面积等自然地理因素，相对于气候因素而言，称为下垫面因素。这些要素以及上述河道特征等都反映了每一水系形成过程的具体条件，并影响径流的变化规律。•3降水降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象，如雨、雪、霰、雹、露、霜等等。降水的特征：降水量指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总水量，用深度表示，以mm计。一场降水的降水量指该次降水过程的降水总量。日降水量指一日内降水总量等等。降水持续的时间称为降水历时，以min、h或d计。 单位时间的降水量称为降水强度或雨率，以mm/min或mm/h计。降水笼罩的平面面积为降水面积，以km2计。暴雨集中的较小的局部地区，称为暴雨中心。•3．2降水量观测器测法是观测降水量最常用的方法，观测仪器有雨量器和自记雨量计。1.雨量器雨量器是直接观测降水量的器具（图示）。其分辨率为0.1mm。一般采用2段制进行观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次，如4段制或8段制，雨大时还需加测。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。2.自记雨量计•3．3流域面平均雨量的计算方法由于降雨在地区上的分布不均匀性，所以需要推求流域内的平均降雨量。（1）算术平均法——流域某时段平均降雨量，mm;——流域内第i个雨量站同时段降雨量，mm;n——流域内雨量站数。（2）垂直平分法（泰森多边形法）——第i个雨量站所在多边形的面积，km2;F——流域面积，km2;u4径流的形成过程及其主要影响因素径流是指降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。4.1径流的形成过程概述降落到流域表面上的降水，一部分形成地面径流，一部分渗入地表土壤，在含水层内形成地下径流。地面径流和地下径流汇集到河槽中而成河川径流。暴雨洪水主要来源于地面径流，而地下径流对大河枯水期的水量补给具有重要意义。流域内自降水开始到径流形成并流经流域出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。u4径流的形成过程及其主要影响因素径流是指降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。4.1径流的形成过程概述 降落到流域表面上的降水，一部分形成地面径流，一部分渗入地表土壤，在含水层内形成地下径流。地面径流和地下径流汇集到河槽中而成河川径流。暴雨洪水主要来源于地面径流，而地下径流对大河枯水期的水量补给具有重要意义。流域内自降水开始到径流形成并流经流域出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。一次降雨过程，经植物截留、填洼、入渗和蒸发后，进入河网的水量自然比降雨总量小，而且经过坡面漫流及河网汇流两次再分配的作用，使流域出口断面的径流过程比降雨过程变化缓慢、历时增长、时间滞后。为研究径流的形成过程,将其分为产流过程（降水、流域蓄渗）和汇流过程（坡面漫流及河网汇流）u4．2影响径流的主要因素u1.气候因素（1）降水是径流形成的主要因素，降水强度、降水历时、降水面积、暴雨中心以及暴雨移动的方向等都对径流量及其变化过程都有很大影响。（2）蒸发水文学中研讨的蒸发为自然界（及流域）的蒸发，包括水面蒸发，土壤蒸发及植物蒸散发。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。影响蒸发过程的主要因素有水温（或土温）、空气饱和差、风速等。流域蒸散发能力Em反映了温度、湿度、风、日照等气象因素的作用。u2.下垫面因素一方面直接影响径流的大小和过程；另一方面通过气象气候因素间接影响径流。下渗指降落到流域表面的降水,由地表进入地下的过程。下渗容量(能力)曲线是指干燥的土壤在充分供水水条件下的下渗过程线3.人类活动的影响 人类活动对河川径流影响也日益显著。u5河川水文情势河川水文要素，如水位、流量、泥沙、冰情等长期变化情况，称为河川的水文情势。它是流域气候以及流域下垫面特性和人类活动等因素综合作用的结果。从大量的河川径流资料可看出，河川水文情势的特点是不重复性、地区性、周期性、确定性。u5．2径流的表示方法和度量单位(1）流量Q指单位时间通过河流某一断面的水量。常用单位为m3/s。（2）径流总量W指时段T内通过河流某一断面的总水量。常用的单位为m3,亿m3。（3）径流深R指径流总量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，以mm为单位。uR=Q.T/1000F（4）径流系数a指某时段内的径流深R与形成该时段径流量的相应降雨深度P之比值，其计算公式为：因R0，称为正偏。 w2.3水文频率分析中常用的一些分布国内外水文计算中使用的频率分布曲线俗称水文频率曲线。我国水文频率计算一般采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线。SL44-93《水利水电工程设计洪水计算规范》、JTJ214-2000《内河航道与港口水文规范》规定，频率曲线的线型一般应采用皮尔逊Ⅲ型，特殊情况，经分析论证后也可采用其他线型。w1.正态分布正态分布具有如下形式的概率密度函数:正态分布的密度曲线只包含两个参数，即平均数和均方差。其有下面几个特点：（1）单峰；（2）对于平均数对称，即=0；（3）曲线两端趋于无限，并以轴为渐近线。w2.皮尔逊Ⅲ型分布w英国生物学家皮尔逊通过很多资料的分析研究，提出一组概括性的曲线族，包括13种分布曲线，其中第Ⅲ型曲线被引入水文计算中，成为当前水文计算中常用的频率曲线。w皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限不对称单峰、正偏曲线（见图），数学上称为伽玛分布， w皮尔逊Ⅲ型曲线概率密度函数为：显然，确定以后，该密度函数也随之确定。可以推证，这三个参数与总体的三个统计参数具有下列关系w水文计算中，一般需求出指定频率所相应的随机变量取值，即 直接由式（4-17）计算P值非常麻烦，实际做法是对随机变量X进行标准化，即以离均系数代入则有w是标准化变量，称为离均系数，的均值为零，标准差为1。w这样经标准化变换后，可得：w式（4-20）中被积函数只含有一个待定参数，其他两个参数都包括在中。w只要假定一个值，即可从式（4-20）通过积分求出之间的关系。w的对应数值表参见皮尔逊Ⅲ型累积频率曲线的离均系数值表。w在进行频率计算时，由已知的值，查值表得出不同的值，然后利用已知的、值，通过式（4-18）即可求出与各种相应的值，从而可绘出频率曲线。w？可查皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数kp值表，求出xp与p关系，绘出频率曲线 w4.抽样误差由有限的样本资料计算样本统计参数，以此去估计总体相应的统计参数总会出现一定的误差，在统计上称为抽样误差。w样本统计参数是一种随机变量，其分布称为抽样分布。当使用无偏估算公式计算样本各种统计特征值时，仅能在平均意义上与总体相应的参数相等。w表6.4-2-2中列出Cs=2Cv时各统计参数的抽样误差。由表中可见，及Cv的抽样误差较小，而Cs的抽样误差特大。水文资料一般都较短，若直接由资料算得Cs值，其抽样误差太大，不能满足生产上的要求。w2.5现行水文频率计算方法——适线法w1.经验频率用适线法确定水文随机变量的频率分布，首先要为样本系列的每一项确定其频率值。频率是随机事件可能出现的程度的经验值。目前水文统计中广泛使用下列期望公式：式中，n为样本容量，p为所研究的样本系列中从大到小排列的第项的频率。由上式估算的样本中每一项的经验频率，与各自的变量数值相对应，可绘出如图4-8所示的样本经验频率绘点。此经验频率绘点显示出样本的频率分布。设计频率经常用平均重现期来表示，若某一设计值的平均重现值为年，即在长时期内，平均年出现一次大于或等于该设计值的事件。平均重现期 与频率P的关系为：对于兴利用水部门，为设计保证率，则其平均重现期为，即在长时期内，平均年出现一次小于该设计值的事件。出现此种事件，设计的兴利指标将不能完全实现。平均重现期与频率P的关系为：w2.适线法有了经验频率绘点以后，在线型已定的情况下，可以通过曲线拟合（即适线）来确定总体分布的参数。具体步骤如下：（1）在概率格纸上绘制经验频率点据。（2）确定采用何种分布类型。目前，我国水文分析中，一般采用皮-Ⅲ型频率线。（3）假定一组参数、Cv、Cs。为使假定大致接近实际，可选用矩法估算的和Cv值作为第一次使用值。Cs因抽样误差太大，一般假定Cs与Cv的比值,或用其它近似办法选定。（4）根据初步选定的、Cv及Cs值，利用皮-Ⅲ累积频率曲线的值表，可查得一些代表性频率的值，按式（4-20）即可算得与这些频率相应的Xp（或）Kp。通过这一系列P—xp绘点，可得出一条频率曲线。审查此频率曲线与经验频率绘点的配合情况，若不理想，则另设参数，再进行类似的计算。（5）最后根据频率曲线与经验点据的配合情况，从中选择一条与经验频率点据配合最佳的理论频率曲线作为采用的结果，相应该曲线的参数，便是总体参数的估值。w综上所述，适线法层次清楚，图象显明，方法灵活，操作容易，所以在水文计算中被广泛采用。这一方法的实质仍是通过样本的经验分布去探求总体的分布。w3.统计参数对线型的影响w在适线过程中，为了避免修改参数的盲目性，需要了解参数、Cv、Cs和对频率曲线形状的影响。图4-5表示Cs=1.0时，不同Cv值对频率曲线的影响（图中的纵坐标为模比系数，消除了均值的影响）。由图可以看出，随Cv的增大，曲线变陡。图4-6表示Cv=1.0时各种Cs值对频率曲线的影响。显然，Cv增大时，曲线上段变陡而下段趋平。 w3样本分析w通过统计分析来估计某种随机事件的概率特性，必须要有一个好的样本作为基础。因此，尽可能地提高样本资料的质量是一个非常关键的环节。样本资料的质量主要反映在是否满足下列三方面的要求:资料应具有充分的可靠性，资料的基础应具有一致性，样本系列应具有充分的代表性。w3.1样本资料可靠性的审查对水位资料的审查，重点应对基面和水准点以及各个水尺的零点高程进行仔细的考证，检查有无变动及错误。w对流量资料的审查重点应放在以下方面：对于用流速仪测流的成果，应注意流速仪检定情况以及施测时的工作条件；对于用浮标法测流的成果，应注意浮标系数的确定方法等。流量整编方面，应注意分析测站历年水位流量曲线的变动规律，各种因素对它的影响以及处理方法的合理性。另外，对流量成果应从上下游站的水量对照来分析成果的合理性。w3.2样本资料一致性审查w数理统计法要求，在同一计算系列中，所有资料应在同一条件下产生，不能选取不同性质的资料。例如暴雨洪水和融雪洪水不能放在一起统计。另外，水库兴建前后、堤防溃决前后、水土保持措施实施前后、河道开挖前后、灌溉引水前后等情况下，河道径流情况都会有所改变。由于实测径流资料只是记录了各个时期的实际径流情况，也就是反映了流域上不同治理水平的径流情况，因而使这些流域的长期径流资料的一致性受到破坏。所以，应将资料修正到同一水平上，通常称为“还原”。w3.3样本代表性分析w由年资料构成的样本，其频率分布曲线与总体的概率分布曲线有联系但又有差异。抽样误差和代表性两个概念都是说明样本与总体之间存在离差。经验分布与总体分布，两者之间的差异愈小，愈接近，即说明样本的代表性愈好，反之则愈差。w减少抽样误差，提高样本资料的代表性的方法之一是增大样本容量。w4相关分析w4.1样本系列的插补和延长在水文分析中,因实测系列较短,代表性较差,常用相关法来插补和展延系列，即建立设计变量与参证站有关变量之间的相关关系，而后利用较长系列的参证资料通过相关关系来展延设计变量的资料。参证资料可根据下列条件选用：（1）参证变量要与设计变量在成因上有密切联系，这样才能保证使设计变量与参证变量的时序变化具有同步性，从而使插补展延成果具有可靠性。（2）参证变量与设计变量要有相当长的平行观测资料，以便建立可靠的相关关系。（3）参证变量必须具有足够长的实测系列，除用以建立相关关系的同期观测资料以外，还要有用来插补延长设计变量缺测年份的资料。 实际工作中，经常利用径流量或降水量作为参证资料来展延设计站的年、月径流量，利用参证站的洪峰、洪量或暴雨等资料来插补展延设计站的洪峰、洪量系列。一般优先使用同一河流相邻测站上同类变量的资料来作参证资料，当缺乏此种资料时才用邻近河流的同类变量或本流域的雨量资料来作参证资料。w4.2相关关系的概念w自然界中的许多现象之间有着一定的联系，它们之间既不是函数关系，也不是完全无关。例如，降水与径流之间、上下游洪水之间、水位与流量之间等等都存在着这样的联系。相关分析就是要研究两个或多个随机变量的联系。w两种现象（变量）之间的关系一般可以有三种情况：（1）完全相关（函数关系）（2）零相关（没有关系）（3）相关关系若两个变量之间的关系届于完全相关和零相关之间，则称之为相关关系。径流与相应的降雨量之间的关系，或同一断面的流量与相应水位之间的关系等。如果把它们的对应数值点绘在方格纸上，便可看出这些点子虽有些散乱，但其关系有一个明显的趋势，这种趋势可以用一定的曲线（包括直线）来配合，如图4-13所示。w以上研究两个变量（现象）的相关关系，一般称为简单相关。若研究3个或3个以上变量（现象）的相关关系，则称为复相关。w在水文计算中常用简单相关，水文预报中常用复相关。本节仅介绍简单相关中的直线相关关系。 w相关系数rw且w在水文计算中，要求同期观测资料不能太少，值应在12以上。资料短，计算成果不可靠。一般要求相关系数，且回归线Sy的均方误不大于均值的15%。•5根据流量资料分析设计洪水u5.1设计洪水概述u1.洪水过程特征要素第2、3章曾论述径流成因及其流量测验，最后整理得到的汛期洪水摘录可提供洪水变化过程图，如图4-11。洪水过程通常用三个要素描述，即洪峰流量mQ、一次洪水过程总量W（图中ABCDEA所包围的面积）、洪水历时（由涨水历时1t与退水历时2t相加求得）。 实际洪水过程可能退水历时很长，为简化而取C点，使其与起涨流量相等，假定C以后的退水水量与A点以前上次洪水的退水水量相等。u2.设计洪水和设计标准设计任何水工建筑物时，都需要选定某一量级的洪水作为设计依据，以便确定工程的规模。现行的方法是选择某一累积频率（如1%、0.1%）的洪水作为设计依据，或标准。可视工程大小与重要程度选定不同的累积频率。设计标准确定后，按标准推求的洪水，称为设计洪水。如在水利工程的规划与设计中，由国家制定统一规范，按工程的种类、重要性，将水工建筑物划分为若干等级，根据不同级别规定出相应的设计标准。根据正常运用累积频率的设计洪水，调节计算决定水利枢纽工程的设计洪水位。如所设计的水工建筑物负担保护下游地区的防洪任务时，还规定有下游防护对象的防洪标准,但此标准都比大坝的设计标准低，通过洪水调节计算求得相应的防洪高水位。 u3.设计洪水计算的内容和方法u1）设计洪水计算的内容主要包括设计洪峰流量、不同时段（最大一、三、五、七、十五日…）的设计洪水总量和设计洪水过程等三项内容。工程特点不同，需要计算的设计洪水内容和重点亦不同。如无调蓄能力的堤防、桥涵和航运为主的渠化工程，调节能力极低的小水库，径流式电站等，要求计算设计洪峰流量，因为它对工程起控制作用。而蓄洪区、水库工程，都有一定的调节库容，水库的出流过程与水库的整个入流过程有关，不只是与一、两个入流洪水特征（如峰或某时段洪量）有关。此时，不仅需要计算设计洪峰流量或某时段设计洪量，还须计算完整的设计洪水过程线。u2）推求设计洪水的基本方法按资料条件和设计要求，基本方法有三种类型：①由流量资料推求设计洪水。流量资料比较充分时，先求一定累积频率的设计洪峰流量和各时段的设计洪量；然后选择典型洪水过程线，用所求得的设计洪峰、洪量放大或缩小成一个完整的设计洪水过程线。②由暴雨推求设计洪水。③资料非常少或缺乏时，可用水文比拟法、等值线图法、水力学公式法等来推求。这里仅介绍由流量推求设计洪水的方法。根据流量资料分析洪水过程概率特性的基本内容参见本章第2节内容。这里只讨论洪水分析计算中的几个具体问题。u5.2洪水资料的选样u年最大洪量选样示意图 u洪水资料的选择原则是：应满足频率计算关于独立随机选样的要求，并符合防洪安全标准的含义。在推求设计年径流时，由于每年只有一个年径流量，因此不存在选择的问题。但是对洪水而言，由于每年有多次洪水，那么应选择哪些洪水组成频率计算所需要的洪水流量系列呢？目前大多采用“年最大值法”。对于洪峰流量来说，年最大值法是每年只选一个最大的洪峰流量，若有年资料，就选个年最大洪峰流量值组成一个年系列，作为洪峰流量频率计算的样本。各种历时的洪量也应分别独立地选取其年最大值组成样本系列。如图4-17所示。它们可以发生在年内同次或不同次洪水中，常取的时段有一天、三天、五天、七天、十五天、三十天等等。选取的最长时段，取决于对设计洪水过程线的要求。u5.3不连序洪水系列的经验频率图4-18特大洪水位置示意图u为了减少频率曲线外延时的误差，进行洪水频率分析时，都要对特大洪水情况进行调查。所谓特大洪水，可以理解为比一般洪水大得多的洪水。特大洪水可以发生在实测期年（包括插补延长年份）之内，也可发生在实测期以外。前者叫做“实测期特大洪水”，后者叫作“历史特大洪水”，如图4-18所示。图中M为历史洪水调查考证期N年内特大洪水按大小排列的序号，为实测期各洪水的序号。一个有特大洪水的系列，按大小排列后，在特大洪水项与一般洪水项之间，有明显的差别，故一般称为不连序系列。不连序洪水系列的经验频率的计算方法，目前国内常用的有以下两种： u5.4洪水峰量频率分析洪水峰量频率分析的目的,是求出指定设计频率的设计洪峰流量和指定时段的设计洪量。我国设计洪水规范规定，频率计算采用目估配线法（即适线法）。下面对有关特点讨论如下：u1.线型问题我国统一采用皮-Ⅲ型频率曲线。采用统一线型是为了便于在相同的基础上进行地区性综合分析比较。皮-Ⅲ型频率曲线不能认为是洪水系列的“理论线型”，它不过是我国部分地区与经验频率点据配合较好的一种外延工具而已。我国有些地区（如东北、西北某些地区）皮-Ⅲ型曲线与经验点据配合得并不理想，故对特殊情况，经分析研究，也可以采用其它线型。u2.统计参数的确定目前我国普遍采用目估配线法。在线型和经验点据确定后，试凑参数使曲线与经验频率点据看上去配合得最好，此时的参数就是采用结果。相应的设计值也就计算出来了。目估定线时要尽量照顾点群的趋势，使曲线通过点群中心。如确有困难，可侧重考虑上部和中部点据。如果配线结果在地区上很不协调，则应详细分析检查原因，不应片面相信本站的计算结果，上述注意事项在实际工作中是很重要的。 u试凑参数时，往往需要采用一些方法估算参数的初试值。常用的方法有矩法、三点法、绘线读点法等。应该强调的是无论用何种方法，最后都是根据配线成果选定统计参数。u5.5频率计算成果的抽样误差水文系列是一个无限总体，而实测洪水资料是有限样本，用有限样本估算总体的参数必然存在抽样误差。参数既然有抽样误差，设计洪水值同样存在抽样误差。频率计算中，统计参数的抽样误差与所选的频率曲线线型有关，当总体分布为皮尔逊Ⅲ型，根据年连序系列，并用矩法估计参数时，样本参数的均方误近似公式如下：均值的相对误差为：（4-56）设计洪水值的均方误近似公式为： 式中B——Cs和P的函数，已制成诺模图。uSL44-93规定，对大型工程或重要的中型工程用频率分析计算的校核标准洪水，应计算抽样误差。经综合分析检查后，如成果有偏小的可能，应加安全修正值，一般不超过计算值的20%。u5.6计算成果的合理性检查在洪水峰量频率计算中,不可避免地存在着各种误差,为了防止因各种原因带来的差错，必须对洪峰流量及各种历时的洪量的频率计算成果,包括各项统计参数的采用值和各种频率的设计值,应进行合理性检查。在自然地理条件比较一致的地区，一般说来，随着河流流域面积的增大，洪水峰、量的多年平均值及某一频率的设计值都将有所增大，而Cv值则将逐渐减小（表4-9列出汉水安康至碾盘山各站30天洪量的Cv值）；而同一测站，随着洪量历时的增长，各种历时洪量的均值及各频率的设计值也将增加，而Cv，Cs/Cv值则将逐渐减小（表4-10所列某河某站各种时段洪量的Cv及Cs/Cv）。u以上所述系指一般情况下的规律，但有时也会出现反常情况，所以应当对设计流域的自然地理及水文特性进行深入的分析。对于连续暴雨次数较多的河流，随着洪量历时的增长，Cv、Cs/Cv反而加大，如浙江省新安江流域就有这种现象。所以参数的变化还要和流域的暴雨特性和河槽调蓄作用等因素联系起来分析。u另外还可以从本站各种历时的洪量频率曲线对比分析，要求各种曲线在使用范围内不应有交叉现象，当出现交叉时，应复查原始资料和计算过程有无错误，统计参数是否选择得当。u还可根据暴雨频率分析成果进行比较。一般说来，洪水的径流深应小于相应天数的暴雨深，而洪水的Cv值应大于相应暴雨量的Cv值。u以上所述，可作为成果合理性检查的参考，如发现明显不合理之处，应分析原因，将成果加以修正。u5.7设计洪水过程线的推求u设计洪水过程线是指具有某一设计标准的洪水过程线。 目前仍采用放大典型洪水过程线的方法，使其洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计标准的频率值，即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线。u1.典型洪水过程线的选择典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水资料中选择典型时，资料须可靠，同时应符合下列条件：（1）选择峰高量大的洪水过程线，其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况。（2）选择具有一定的代表性洪水过程线，即它的发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。（3）选择对工程防洪运用较不利的大洪水典型，如峰型比较集中，主峰靠后的洪水过程。一般按上述条件初步选取几个典型洪水过程线，分别放大，并经调洪计算，取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型。u2.放大方法u根据工程和流域洪水特性，放大典型洪水过程线时，可选用同频率放大法或同倍比放大法。u（1）同频率放大法u此法要求放大后的设计洪水过程线的峰和不同时段（1天、3天、…）的洪量均分别等于设计值。具体做法是先由频率计算求出设计的洪峰值和不同时段的设计洪量值QmP、W1P、W3P…，并求典型过程线的洪峰和不同时段的洪u量QmD、W1D、W2D…，然后按洪峰、最大1天洪量、最大3天洪量、…的顺序，采用以下不同倍比值分别将典型过程进行放大。u洪峰放大倍比为：u最大1天洪量放大倍比为：u最大3天洪量中除最大1天以外，其余两天的放大倍比为：u以上说明，最大1天洪量包括在最大3天洪量之中，同理，最大3天洪量包括在最大7天洪量之中，得出的洪水过程线上的洪峰和不同时段的洪量，恰好等于设计值。时段划分视过程线的长度而定，但不宜太多，一般以3段或4段为宜。由于各时段放大倍比不相等，放大后的过程线在时段分界处出现不连续现象，此时可徒手修匀，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。u（2）同倍比放大法此法是按洪峰或洪量同一个倍比放大典型洪水过程线的各纵坐标值，从而求得设计洪水过程线。此法的关键在于确定以谁为主的放大倍比值。如果以洪峰控制，其放大倍比为：式中KQ——以峰控制的放大系数；其余符号意义同前。如果以量控制，其放大倍比为：式中KWt——以量控制的放大系数；WtP——控制时段的设计洪量；WtD——典型过程线在控制时段的最大洪量。采用同倍比放大时，若放大后洪峰或某时段洪量超过或低于设计值很多，且对调洪结果影响较大时，应另选典型。在上述两种方法中，用同频率放大法求得的洪水过程线，比较符合设计标准，计算成果较少受所选典型不同的影响，但改变了原有典型的雏形，适用于峰量均对水工建筑物防洪安全起控制作用的工程。同倍比放大法计算简便，适用于峰量关系较好的河流，以及防洪安全主要由洪峰或某时段洪量控制的水工建筑物。 w规划设计内河航道与港口工程时需要有两种标准：频率和保证率。w我国1994年实施的“河港工程设计规范”，有关码头设计高水位采用频率作为标准，见表5-1。 w2001年实施的“内河航道与港口水文规范”中，通航建筑物设计最低、最高通航水位采用的标准见表5-2、表5-3。w通航建筑物天然河流设计最低通航水位的综合历时保证率枢纽河段设计最高通航水位洪水重现期u2有资料条件下设计水位和设计流量的推求u河道变化不大的天然河道中，一般可以直接用水位资料推求设计水位。u当设计断面具有实测流量资料而河槽变化较为显著时，可先由流量资料推得设计流量，再通过水位流量关系曲线转换为设计水位。这是因为水位易受河槽冲淤影响，变化较大，统计上的一致性易遭破坏。若采用流量资料，只要流域自然条件变化不大，这种一致性就比较容易保持。但由流量资料推求水位也会产生两种误差：一是流量测验本身的误差，另一个是水位流量关系曲线的误差，这也是应予注意的。u2.1频率分析法u1.由流量资料推求设计最高水位（最大流量）的方法u码头工程和渠化船闸在确定设计最高水位（最大流量）时，一般采用频率分析法。当具有长期实测流量资料时，用适线法绘出频率曲线，推求指定频率的设计最大流量的方法步骤可参见第4章。u根据设计断面上的水位流量关系曲线，由设计最大流量查出相应的设计最高水位。u2.用水位资料推求设计最高水位时应注意事项：u如果只有水位观测资料，或者只需要设计最高水位（如码头工程），则可直接利用水位资料推求设计最高水位，由水位资料推求设计最高水位与用流量资料推求设计最大流量的工作步骤基本相同，但以下几个问题应予注意：u（1）直接利用水位资料进行频率计算时，应了解历年河道断面的冲淤变化情况，方法是绘出历年的断面图，从断面图上便可看出断面是否稳定。只有河道断面比较稳定时，各年水位资料才有一致性，所推求的设计最高水位才能正确地反映河道水位变化的规律。u（2）用水位资料推求设计最高水位时，为了便于计算和减小误差，又不致于出现过小的值，常将原水位系列中各项数值都减去某一常数（一般取该站最枯水位或断流水位），然后进行频率计算。当求得某一频率的水位后，还要加回原来减去的常数，才是所要求的设计水位。u（3）如果工程设计中需要设计最大流量（如船闸工程），则应设法绘制设计断面处的水位流量关系曲线，再由水位～流量曲线转换为流量。如设计断面缺乏这种曲线，可以采用在工程所在断面设立临时水文站，至少实测一个水文年度（包括洪、中、枯各级水位）的水位和流量资料。同时还要尽量设法控制水位流量关系曲线的高水部分。u3.推求设计枯水位(或最小流量)的方法u用频率曲线法推求设计枯水位(或最小流量)的方法与上述相似，所不同的是：u（1）选取每年最低水位（或最小流量）作为统计系列。u（2）与洪水调查相当的有枯水调查问题，具体调查方法在第3章中已有叙述。u（3）在枯水频率计算中，有时会出现负值。也就是说, 随机变量（年最低水位或最小流量）大于均值的数比小于均值的数出现机会多。此时绘制频率曲线可参照有关书中所述负偏态线型频率计算部分。u2.2历时曲线法水位(流量)历时曲线是反映河流径流分配的一种特性曲线,它是将某一时段内所出现的水位或流量,按递减次序排列而成。绘制这种曲线时，可取年、季或月为时段，水位（流量）可取瞬时、日平均、旬平均甚至月平均值。目前应用最广的是以年为时段，水位（流量）可取日平均值，称为日水位（流量）历时曲线。曲线的历时坐标用百分数表示的称为相对历时曲线或保证率曲线。绘制这种曲线的方法有综合法、平均法、代表年法和简化法等。u1.综合法通常所指的水位历时曲线，是按实测日平均水位资料来绘制的。不论实测资料有多少年，均可按下述步骤进行：（1）根据统计年份中日平均最高和最低水位的变动范围，把日平均水位分为若干级。在航道方面，一般取5～20厘米作为一级。（2）编制水位历时统计表，见表5-5。该表中取10厘米作为一个水位级。（本例参加统计的年数为20年，总计7305天中，最高日平均水位不超过29.99米，最低日平均水位不低于12.00米。）（3）将历年逐日的日平均水位出现的日数，按其所属的水位级，记在表中第2栏。（4）从上至下计算累积天数，累计至最下一级的天数，应等于参加统计的总天数，见表中第3栏。（5）将各级水位的累计天数除以统计年份的总天数，即得各级水位的保证率，见表中第4栏。（6）以水位为纵坐标，以保证率为横坐标，按表中第1和第4两栏数值在方格纸上进行点绘，便可得到综合历时曲线（又称为保证率曲线），如图5-3所示。（1）（2）（3）（4）水位级别发生历时（天）累计天数保证率（%）次数合计29.99～.90正550.0729.89～.80正正9140.19┊┊┊┊┊12.19～.10正正正正丁22729499.7012.09～.00正正一117305100.00 有了水位历时曲线，即可根据设计保证率，从水位历时曲线上查得设计水位。例如设计保证率为95%,从图5-3查得相应的设计水位为12.40米。u2.应用综合历时曲线法时应注意的事项：u（1）综合历时曲线只表示多年的平均情况，对某一具体年份差别可以很大。例如涪江射洪水文站保证率95%的水位为320.03米，但51年有41天低于此水位，实际保证率只有89%；1973年低于此水位有87天，实际保证率仅有77%。此外本法也不能反映枯水持续的时间。u（2）水位分级间距可以等距，也可以不等距，主要决定于所取设计保证率的部位。例如推求设计高水位时，可将中水位以上水位级距加密，而将枯水段的级距加大。若推求设计枯水位，则可将中水位以下水位级距加密，而将高水段级距加大。u（3）用综合法绘制流量历时曲线与水位相似，这里不再重述。u3.平均法和代表年法u平均法具体步骤如下:u（1）由设计断面处多年实测逐日平均水位(流量)资料,分年按表5-5的格式进行统计;u（2）根据历年的统计,点绘各年的水位(流量)历时曲线;u（3）将每年水位(流量)历时曲线上同一历时的水位(流量)查出,并取其算术平均值来绘制曲线，这条曲线就是该断面处水位（流量）平均历时曲线。u而代表年法是从多年实测逐日平均水位（流量）资料中选取丰、平、枯三个代表年，分别作出历时曲线。统计的方法仍按表5-5格式进行，然后将同一历时的水位（丰、平、枯）加以平均，以平均值与其相应的历时点绘曲线，即得代表年历时曲线。此法实质上是平均历时曲线法的一种简化方法。u4.简化法u在规划阶段，只须粗略计算时，可用下述简化法绘制综合历时曲线。从刊布的日平均水位资料表中，选用每年历时为15、30、90、180、270、330日所对应的水位和最高最低水位列于表5-6，确定各种历时的水位平均值。u表5-6某站水位特征表年份平均年水位年最大水位各种历时水位年最小水位15日30日90日180日270日330日19171918┊196451.9152.73┊50.8459.4170.39┊60.4953.4262.30┊55.5148.3150.32┊51.4835.7038.80┊37.9029.1028.43┊30.4118.4017.59┊16.8412.4112.48┊11.4012.3912.40┊11.90平51.7370.1058.3549.4038.1030.5017.1012.1012.10 均将表5-6中各种历时的平均值（最高和最低水位则用实际历年瞬时最大、最小值）与相应的历时或百分数制成历时曲线或保证率曲线。u2.3保证率频率法此法在保证率中引进频率的概念。1.水位（流量）保证率频率法（1）根据通航要求，按规定确定频率和保证率。（2）在每年的水位（或流量）历时曲线上，根据规定的保证率选取水位（流量）值。（3）将选取的各年水位（或流量）作为样本进行频率计算。在频率曲线上便可查得相应指定的频率的设计水位（或流量）。u3短缺资料条件下设计水位和设计流量的推求u3.1资料不足时设计水位（流量）的推求u资料不足时，系列代表性差，误差大，不能反映客观实际。为此，须设法插补延长资料系列。u常用的插补延长系列的方法是相关分析法。相关法在第3章已有讲述。一般同一河流的上下游站（区间内无大支流入汇），干支流站或流域自然地理相似的邻近河流均有可能作为合适的参证站。根据资料条件，可以用水位相关，也可以用流量相关。u延长资料系列后推求指定频率的设计洪峰流量和洪水位的方法，与前面介绍的有长期实测资料时推求设计水位的方法完全相同。u3.2资料缺乏时设计水位（流量）的推求u缺乏实测资料或者虽有短期实测资料但无法展延时，设计水位（流量）只有通过间接途径来推求。目前常用的是移用参证站资料的水文比拟法和地理插值法等。u水文比拟法就是把参证站的水文资料移用到设计站的一种方法。使用这种方法的关键在于选择恰当的参证站。参证站应具有较长系列的实测资料，其气侯条件和下垫面的情况应与设计站接近。u1.设计流量的移用u（1）模比系数法u将参证站的多年综合流量历时曲线换算成为流量模比系数的历时曲线。将此曲线移用到设计站，作为设计站的综合流量模比系数历时曲线，再将其纵坐标乘以设计断面的平均径流量（一般可由水文手册和图集中查得），即得设计断面的综合流量历时曲线。u对于大多数小流域，有时不仅设计断面无水文观测资料，甚至整条河流都无参证站可寻，可采用模比系数法和经验公式等。u（2）经验公式法（略）u2.设计水位的移用u（1）比降推算法u 当设计断面距参证参站较近且河段顺直、断面形状变化不大时（即区间水面比降变化不大时），可用参证站设计洪水位，按实测高水水面比降线推算到设计断面，求得设计断面的设计洪水位，即u（5-2）u式中：——设计断面的设计洪水位，米；u——参证站的设计洪水位，米；u——设计断面距参证站基本水尺断面的距离，米；u——参证站实测高水水面比降。u（2）水位相关法u当设计断面距参证站较远时，可考虑在设计断面处设临时水尺，观测至少一个水文年度的水位（洪水期开始至枯水期末，包括洪枯水位变幅），建立两站的水位相关图，然后根据参证站的设计水位，在相关线上查得设计断面的设计水位。u（3）瞬时水位法u如果设计断面处水位资料不多,不能绘出相关线，则可采用瞬时相关水位。例如求设计枯水位，可选择枯水期（接近设计水位）水位稳定时（其涨落不超过5厘米）的水位资料，列表算出其瞬时平均落差。由参证站设计水位推算设计断面处的设计水位见表5-9。u表5-9参证站和设计站瞬时水位表uu日期u参证站水位（米）u设计站水位（米）u落差（米）u计算方法u1月2日u3日u4日u5日u6.30u6.28u6.24u6.20u5.50u5.47u5.42u5.39u0.80u0.81u0.82u0.81u参证站的设计水位为6.00米，则设计站上的设计水位为6.00-0.81=5.19（米）取用5.00米，此例参证站位于设计断面处上游u总计u平均u25.02u21.78u3.24u0.81u其它设计水位移用方法还有，这里不一一赘述。u4施工设计洪水u水利工程常用的施工方法是在河中修筑围堰，使基坑无水，然后进行建筑物施工。因此必须研究水流如何宣泄问题，也就是施工导流问题。正确地解决导流问题就能加快工程进度，降低造价；否则，就会延缓工期，甚至会引起失事造成损毁。u施工导流建筑物包括围堰、明渠、隧洞、底孔等，其规模尺度如围堰顶高、明渠、隧洞断面和纵坡等等，显然要根据所宣泄洪水的大小来决定。拟定某一设计洪水作为导流建筑物的设计依据就称为施工设计洪水。一般施工应当充分利用枯水期进行，因为此时流量小，导流工作比较容易。u施工设计洪水也是以某种频率作为标准。这种频率应比水利枢纽设计洪水标准为低，一般由施工部门根据工程具体情况研究确定。u施工设计洪水的大小随施工进度而变。当施工期限较长时，不同施工阶段抵御洪水的能力可以不同，例如随着坝体升高，泄洪条件不断变化，需要推求不同分期内的设计洪水。u1.施工设计洪水的分期u（1）全年的设计洪水：有些中型工程一个枯水季不能完工，施工期在一年以上，围堰工程须抗御汛期的洪水，因此围堰设计必须以全年最大流量为依据，进行施工设计洪水计算。u（2 ）分季设计洪水：分季的长短一方面应根据施工的要求，另一方面还要考虑洪水的成因。一般采用枯水期、中水期、平水期和洪水期等来分季。对于施工时段的选择，通用办法是先由施工方面提出几个可能的施工时段（起迄时间），然后对历年各个时段内的洪峰流量分别进行频率计算，得出各时段的设计洪水，选择其中施工期较长而流量又较小的情况推荐作为施工时期。在具体统计洪水资料时，还要考虑反常现象，可以提前一月或滞后一月调整洪水统计时段。u2.施工设计洪水计算方法u施工设计洪水与一般设计洪水的计算方法基本相同，因此在计算前，应尽可能收集当地和邻近地区的气象、水文资料，分析河流洪水的季节变化规律。对于水文资料不足的地区，应设法插补延长。对于水文资料缺乏的地区，可采用地区综合法或小面积设计洪水有关方法加以解决。u确定洪水分期后，认为逐年发生在同一分期内的最大洪水是独立随机抽样，可以进行频率计算。分期洪水的统计参数计算和适线原则与全年最大洪水相同。'