第十一章水文分析
第十一章-水力学与桥涵水文
1
11-2 按洪水调查资料推算
形态调查方法
桥位附近有关河段地形纵横断面图测量
洪痕群位置调查及高程测量
历史洪峰流量Qi推算，由此可得多个Qi
历史洪峰流量统计参数推算
重现期T确定方法
N1年内Qi为最大时，T(Q≥Qi)=N1=T2-T1+1 (10-8)
n 0
n
4n
4
4n
A24 p
n
n,
f
n 0
A24 p
(1 n)n1n
3n
(1n)(4n)
(11 28) (11 28)
26
11-3 按暴雨资料推算设计流量
Qm解算方法 数解法——见图11-7框图
27
11-3 按暴雨资料推算设计流量
图解法——由图11-6可得Ψ
取n=n1(τ<1h),计算 τ
1
Qp
(11 34)
F1nb1m J14
下标1——测站或形态断面数值
下标2——桥位断面数值
Qp ——测站或形态断面抵算的设计流量
m1
n值 3
F 30Km2 n 0.8 ; F 30Km2 n 1 1
23
F<30km2或流域面积相差小于20%时
QBP
(
F2 F1
)QP
37
0.0688
μτ0n
0.0725
A
再取ψx 0.926
0.75
f (ψ) 0.92640.75
4
0.92640.75
0.0727
μτ0n
0.0725
A
故得ψx 0.926
30
水文学原理 第十一章 流域产流
第十一章流域产流Watershed Runoff Generation/Production本章主要内容1引言(Introduction)流域产流面积的变化2(Variations in runoff producing area)蓄满产流的流域产流量的计算3(Computation of total runoff under runoff formation on repletion of storage)超渗产流的流域产流量计算4(Computation of total runoff under runoff formation in excess of infiltration)Part 1 IntroductionA径流(Runoff)B径流形成过程(Rainfall-Runoff Process)Part 1 Introduction1-1 Runoff降落在流域上的具有一定时空分布的降水，扣除损失后，在重力作用下，从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。
1) Definition(定义)Part 1 Introduction1-1 Runoff降水－径流过程中最根本的损失即蒸散发降落在流域上的具有一定时空分布的降水，扣除损失后，在重力作用下，从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。
1) Definition(定义)蒸散发土壤持水耗于蒸散发填洼耗于蒸发或继续下渗截留耗于蒸散发或下渗损失Part 1 Introduction1-1 Runoff2) 径流量降水量扣除损失量余额称为径流量，又称净雨量。
径流量的单位：体积单位(m 3, 万m 3, 亿m 3), 谈水资源量时常用m 3径流深(Runoff Depth)单位：长度单位(mm), 分析降雨径流关系时用mm3) 径流量的时程分配(Temporal distribution of runoff)降水的时程分配扣除损失量的时程分配之结果称为径流量时程分配，又称净雨量的时程分配。
水文地质学基础第11章_孔隙水
联系，故与外界联系较差，补给困难，地下水资源一般并不丰富
黄土高原孔隙水系统
孔隙：岩层颗粒及颗粒集合体之间的空隙
不同成因类型的松散沉积物，其空间分布、岩性结构、地下水 赋存特点不同
残积物和坡积物 水流沉积物：洪积物、冲积物、湖积物、三角洲沉积物、冰水沉积物等
水流沉积物的结构由水动力环境决定,系统演变受地质和自然地 理背景控制
洪积物中的孔隙水
洪积扇：洪流携带的物质以山口为中心堆积成的扇形堆积体 位置：山前地带 形状：扇形
岩性分带：
粒度：砾、卵、漂石→砾及砂 (粘土夹层)→砂及粘性土夹层
层理：不显层理→层理明显→ 砂与粘土互层
分选：差→中等→好
地下水分带
赋存条件：①岩性：颗粒粗大→颗粒变细 ②水位埋深：深→浅：潜水 深埋带→潜水溢出带→潜水下沉带 ③渗透性：好→差
补、径、排条件： ①补给：充沛→差 ②径流：强烈→受阻，快→慢 ③排泄：径流排泄→蒸发排泄
黄土高原自然地理概况
面积：61.47万km2 地势：自东南向西北，由1000 m升至4000 m以上 年降水量：自东南向西北，由600 mm降为200 mm，最西部<40 mm
年蒸发量：1000 mm增至1800 mm
马
兰 厚数米到十余米
黄 土 （
主要为粉土质亚砂土
古土壤层与钙质结核均不如 下中更新世黄土发育
祁连山山前洪积扇
坐落在洪积扇上的泸定县城 天山南麓洪积扇
天山东段博格达峰山前洪积扇
山脊线、山谷线、鞍部点的提取
实例与练习练习1. 利用水文分析方法提取山脊、山谷线1．背景：山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。
它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。
因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。
2．目的：理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理；掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理；能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。
3．要求：（1）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线；（2）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。
4．数据：一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，数据的区域大概有140 km2。
数据存放于…/ChP11/Ex1中，请将其拷贝到E：/ChP11/Ex1。
结果数据保存在…/ChP11/Ex1/Result 中。
5．算法思想：对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。
因此，对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。
基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之后这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其栅格的汇流累积量为零。
通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，也就得到了山脊线；对于山谷线而言，由于其具有汇水的性质，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，而得到了与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷，而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊，那么，山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。
水文学原理-第11章 河流泥沙
随水流运动以及构成河床的固体颗粒称为河流泥沙，又称固 体径流，它不仅包括在水流中运动或相对静止的粗细泥沙， 还包括河道中的砾石与卵石。
泥沙运动和沉积是河流中重要的水文现象，对河流水文情势、 河流发育以及河床演变影响极大。鉴于我国大多数河流挟带 泥沙，兴修水利工程（防洪、航运、灌溉、发电、港口码头） 和进行流域治理时，不仅需要研究河流水文情势，也要考虑 与之相伴的泥沙运动状况。
2020年2月1日
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上述泥沙粒径频率分布曲线与泥沙粒径累积频率分布曲线统称为泥 沙粒径级配曲线。 天然河流河床的泥沙粒径级配曲线形态会因河流类型不同而不同。
许多山区河流河床泥沙粒径频率分布曲线存在明显的双峰，一个 峰对应粗卵石和细砾石，另一个峰对应粗砂，相应累积频率曲线 呈现为板凳状。这是因为除了较难冲动的粗大卵石以外，细小的 砂子可以填塞到粗大卵石组成的骨架空隙中，冲刷较少，因而含 量较高。当然也有的山区河流床的泥沙粒径频率分布曲线只有一 个单峰。
2020年2月1日
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比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。无量纲，
一般泥沙比重：=2.65
有效容重系数（有效密度系数）：泥沙在水中运动状态，既与泥沙
容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为
简便起见，常取a=1.65.
a s
a s
4
1、坡面侵蚀 流域表层的土壤或岩石碎屑在风吹日晒、水冲以及地球重力的 作用下，从原来所处状态剥离、冲刷、搬运而随径流注入河道 的水土流失过程，称为坡面侵蚀。 坡面侵蚀从形态上又有层状、沟状、陷穴、滑坡、塌岸等侵蚀 类型。
2020年2月1日
当降水发生在较为平整、植被 较差的坡面上所形成的漫流会 将土壤或岩石碎屑成层剥蚀， 即层状侵蚀。
《工程水文及水利计算》11第十一章 水库兴利调节计算(1)
第十一章水库兴利调节第一节水库及其特性一、水库特性曲线水库是指在河道、山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊。
水库的作用是拦蓄洪水，调节河川天然径流和集中落差。
一般地说，坝筑得越高，水库的容积(简称库容)就越大。
但在不同的河流上，即使坝高相同，其库容相差也很大，这主要是因为库区内的地形不同造成的。
如库区内地形开阔，则库容较大；如为一峡谷，则库容较小。
此外，河流的坡降对库容大小也有影响，坡降小的库容较大，坡降大的库容较小。
根据库区河谷形状，水库有河道型和湖泊型两种。
一般把用来反映水库地形特征的曲线称为水库特性曲线。
它包括水库水位～面积关系曲线和水库水位～容积关系曲线，简称为水库面积曲线和水库容积曲线，是最主要的水库特性资料。
（一）水库面积曲线水库面积曲线是指水库蓄水位与相应水面面积的关系曲线。
水库的水面面积随水位的变化而变化。
库区形状与河道坡度不同，水库水位与水面面积的关系也不尽相同。
面积曲线反映了水库地形的特性。
绘制水库面积曲线时，一般可根据l/10 000～l/50 00比例尺的库区地形图，用求积仪(或按比例尺数方格)计算不同等高线与坝轴线所围成的水库的面积(高程的间隔可用l，2或5 m)，然后以水位为纵座标，以水库面积为横坐标，点绘出水位～面积关系曲线，如图2－1所示。
图2－1水库面积特性曲线绘法示意（二）水库容积曲线水库容积曲线也称为水库库容曲线。
它是水库面积曲线的积分曲线，即库水位Z与累积容积V的关系曲线。
其绘制方法是：首先将水库面积曲线中的水位分层，其次，自河底向上逐层计算各相邻高程之间的容积。
0 i F 1+i F 水面面积库F (106 m 2)水库容积V (106 m 3)图 2－2 水库容积特性和面积特性1－水库面积特性; 2－水库容积特性假设水库形状为梯形台，则各分层间容积计算公式为：()2/1Z F F V i i ∆+=∆+ （2－1） 式中：V ∆——相邻高程间库容（m 3）;i F 、1+i F ——相邻两高程的水库水面面积（m 2）;Z ∆——高程间距（m ）。
第十一章孔隙水
11.3 古河道——河间洼地：地形与岩性
古、现代河道 地形 高 岩性（粒度） 粗
— — —
河间洼地 低 细
11.3 古河道——河间洼地：地下水赋存、补给与排泄
古、现代河道 地下水埋深 深 补给条件 好 排泄 径流
— — — —
河间洼地 浅 差 蒸发排泄
11.3 古河道——河间洼地：地下水化学特征
地下水的特征具明显的分好 Ｖ大，交替快 径流排泄
差 V小，交替慢 蒸发排泄
地下水的特征具明显的分带性—水化学
形成作用 矿化度（TDS) 成分与类型
溶滤作用 浓缩作用 低 中 高 HCO3 SO4 Cl
11.6
干旱半干旱黄土高原孔隙水
黄土高原包括青、陇、宁、陕、内蒙、山西和河南等省， 秦岭以北，太行山以西，祁连山以东，内蒙古高原以南广 大地区，面积62万平方千米，海拔由东南向西北依次由 1000m增加到4000m以上，年降水量由600mm降到200mm，蒸 发量由1000mm增大到1800mm。 黄土多为风成物，以粉砂为主，自西北向东南颗粒依次变 细，厚度减小。 黄土的划分：早更新世午城黄土、中更新世离石黄土和晚 更新世马兰黄土，午城黄土隔水层，离石黄土开始含水， 马兰黄土构成含水层。 黄土中的空隙：最小的原生孔隙，较大的次生孔隙，生物 作用的根孔和虫孔，以及最大的成岩裂隙。
第十一章 孔隙水（pore water）
本章内容 11.1 孔隙水的特征 11.2 洪积物中的孔隙水 11.3 冲积物中的孔隙水 11.4 湖积物中的孔隙水 11.5 冲积平原中的孔隙水：以黄河下游为例 11.6干旱半干旱黄土高原孔隙水系统 11.7半干旱平原孔隙水系统：河北平原
第十一章孔隙水详解
• 从沉积物形成时的水动力条件入手； • 分析沉积岩性的变化规律； • 到地下水的赋存条件与特征。
11.2 洪积物中的孔隙水
一、洪积扇的地质结构特征
扇顶部
砾石 卵石
结
漂砾
构 无明显层理
仅夹细粒时，
特 显示层理
征
分选性差
过渡带
砾石 砂为主 并出现粘土层
透水性（K） 水位埋深 赋存
好 深 深埋区
浅 溢流区
差 渐深（或承压） 下沉区
地下水的特征具明显的分带性—补给与排泄
补给 流动交替 排泄
好
Ｖ大，交替快
径流排泄
差 V小，交替慢 蒸发排泄
地下水的特征具明显的分带性—水化学
形成作用 矿化度（TDS) 成分与类型
溶滤作用
浓缩作用
由地势较高（堆积粗粒沉积）的现代河道与古河道，到地势低洼（堆积粘 性土）的河间洼地，显示着良好的微地貌—岩性—地下水分带。
11.3 古河道——河间洼地：地形与岩性
古、现代河道
地形
高
岩性（粒度） 粗
— — —
河间洼地 低 细
11.3 古河道——河间洼地：地下水赋存、补给与排泄
古、现代河道
地下水埋深 深
第十一章 孔隙水（pore water）
本章内容 11.1 孔隙水的特征 11.2 洪积物中的孔隙水 11.3 冲积物中的孔隙水 11.4 湖积物中的孔隙水 11.5 冲积平原中的孔隙水：以黄河下游为例 11.6干旱半干旱黄土高原孔隙水系统 11.7半干旱平原孔隙水系统：河北平原
11.1 孔隙水的特征
典型地区洪积扇(Alluvial fan)的形成
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第十一章 水文分析水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。
利用DEM 生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。
这些领域需要知道水流怎样流经某一地区，以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。
基于DEM 的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。
通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM 表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本章主要介绍ArcGIS 水文分析模块的应用。
ArcGIS 提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程。
同时，通过水文分析工具的应用，也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程，以及怎样通过ArcGIS 水文分析工具从DEM 数据上获取更多的水文信息。
图11.1 ArcToolBox 中的 水文分析模块ArcGIS9将水文分析中的地表水流过程集合到ArcToolbox 里，如图11.1所示。
主要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、洼地填平、水流累计矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的分割等。
本章1至5节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过程对ArcGIS 中的水文分析工具逐一介绍。
文中所用的DEM 数据在光盘中chp11文件夹下的tutor 文件夹里面，每个计算过程以及每一节所产生的数据存放在tutor 文件夹的result 文件夹里面，文件名与书中所命名相同，读者可以利用该数据进行参照联系。
第6节主要是提供了三个使用水文分析工具以及水文分析思想的实例。
11.1 无洼地DEM 生成DEM 被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM 表面存在着一些凹陷的区域。
那么这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时在该区域的得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM 。
11.1.1 水流方向提取水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。
在ArcGIS 中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码，水流方向便可以其中的某一值来确定，栅格方向编码如图11.2所示。
图11.2 水流流向编码 例如：如果中心栅格的水流流向左边，则其水流方向被赋值为16。
输出的方向值以2的幂值指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况，此时须将数个方向值相加，这样在后续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。
水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。
距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2的开平方根，否则距离为1。
ArcGIS 中的水流方向是利用D8算法，也就是最大距离权落差（最大坡降法）来计算水流方向的。
具体计算步骤如下：1. 在ArcMap 中用左键单击ArcToolbox 图标，启动ArcToolbox 。
2. 打开水文分析模块。
启动ArcToolbox ，展开Analysis Tools 工具箱，打开hydrology 工具集。
3. 双击Flow Direction 工具，打开如图11.3所示水流方向（Flow Direction ）计算对话框。
（1） I nput surface data 文本框中选择输入数据dem。
（2） O utput flow direction raster 文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir，并选择保存路径。
（3） 在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的复选框前打钩，所有在DEM 数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM 数据区域。
默认为不选择。
这一步为可选步骤。
图11.3 水流方向Flow Direction 计算对话框（4） d rop raster 输出。
drop raster 是该栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录。
它反映了在整个区域中最大坡降的分布情况。
这一步为可选步骤。
（5） 单击OK，进行水流方向计算过程。
（6） 计算完成后，计算出的水流方向数据如图11.4所示。
11.1.2 洼地计算洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断那些地方是洼地，然后再对洼地进行填充。
有一点必须清楚的是，并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地区域也是地表形态的真实反映，因此，在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态，然后在进行洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。
图11.4 利用Flow Direction 工具计算出来的水流方向图图11.5 洼地计算对话框1. 洼地计算（1） 双击hydrology 工具集中的Sink 工具，弹出洼地计算对话框，如图11.5所示。
（2） 在Input flow direction raster 文本框中，选择水流方向数据flowdir。
（3） 在Output raster 文本框中，选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink。
（4） 单击OK 进行洼地计算。
结果如图11.6所示，深色的区域是洼地。
图11.6 计算出来的洼地区域2. 洼地深度计算（1） 双击hydrology 工具集中的watershed 工具，弹出流域计算对话框，如图11.7所示，用来计算洼地的贡献区域。
图11.7 洼地贡献区域计算对话窗口（watershed ）（2） 在Input flow direction raster 文本框中选择水流方向数据flowdir，在Input raster or feature pourpoint 文本框中输入洼地数据sink，在pour point field 文本框中选择value。
（3） 在Output raster 文本框中设置输出数据的名称为watershsink。
（4） 单击OK，进行洼地贡献区域的计算。
显示结果如图11.8所示。
图11.8 计算出来的洼地贡献区域（5） 计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程。
双击spatial analysis tools 工具箱中zonal 工具集下的zonal statistic 工具，弹出如图11.9所示的分区统计对话框。
1） 在Input raster or feature zonal data文本框中，选择洼地贡献区域数据watershsink ；2） 在Input value raster 文本框中输入希望进行统计分析的数据层，现在需要统计洼地贡献区域的最低高程，选dem 作为value raster 。
3） 在Output raster 文本框中将输出数据文件命名为zonalmin ，存放路径保持不变。
4） 统计类型选择。
在统计类型选择的下拉菜单中有软件所提供的一些统计类型：分别是在分带区域中统计的每一个分带的平均值（mean ）、最大值（maximum ）、最小值（minimum ）、分带中的属性值的变化值（rang ）、标准差（std ）以及总和（sum ）。
这里选择最小值作为统计类型。
以上设置完毕之后，单击OK ，完成计算。
图11.9 分区统计对话框（6） 计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程。
双击spatial analysistools 工具箱中zonal 工具集下的zonal fill 工具，弹出如图11.10所示的分区统计对话框。
在Input zone raster 文本框中选择watershsink，在Input weight raster文本框中选择dem，在Output raster 文本框中将输出数据文件名改为zonalmax，然后单击OK，进行运算。
（7） 计算洼地深度。
加载Spatial Analyst 模块，点击Spatial Analyst 模块的下拉箭头，点击raster calculator 菜单工具，如图11.11，在文本框里面输入sinkdep = ( [zonalmax] - [zonalmin])，然后点击evaluate 进行计算。
对于以上（4）、（5）步的计算，可以利用spatial analysis tools 工具箱中的map algebra 工具集的multi map output 工具进行计算。
双击spatial analysis tools 工具箱中的map algebra 工具集下的multi map output 工具，弹出图11.12的对话框。
对于第（4）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmin = zonalmin(E:\chp11\tutor\result\watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；对于第（5）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmax = zonalfill(E:\chp11\tutor\result \watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；经过以上七步的运算，就可到如图11.13所示的所有洼地贡献区域的洼地深度。
通过对研究区地形的分析，可以确定出哪些是由数据误差而产生的洼地，哪些洼地区域又是真实的反映地表形态，从而根据洼地深度来设置合理的填充阈值，使得生成的无洼地DEM 更准确的反映地表形态。
图11.11 洼深度计算图11.10 洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框图11.12 map algebra 计算窗口11.1.3 洼地填充洼地填充是无洼地DEM 生成的最后一个步骤。
在通过洼地计算之后，知道了原始的DEM 上是否存在着洼地，如果没有存在着洼地，那么原始DEM 数据就直接可以用来进行以后的河网的生成、流域的分割等。
而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值提供了很好的参考。
图11.13 计算出的洼地深度图1. 双击hydrology 工具集中的fill 工具，弹出如图11.14所示的洼地填充对话框。