第6章 水文分析
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工程水文学第六章水文统计
特大频率，尤其是特大频率的点子很难点在图上。
频率格纸，就能较好地率曲线点绘在频率格纸 上。
频率格纸
(0.01,3.720) , (50,0.000)
6.4.2 频率曲线参数估算
在概率分布函数中包含有 ，CV，CS三个参数。 为了唯一确定概率分布函数，就得估算这些参数。 一、样本估计总体 随机变量所取数值的全体称为总体，从总体中任意 抽取的一部分称为样本，样本中所包括的项数称为样本容 量。水文变量的总体是指自古迄今以至未来长远岁月所有 的水文系列，是不知道的，需要靠观测到的样本去估计总 体参数。现有的水文观测的系列可以当作总体的一个随机 样本来处理。
式中，α，β，a0－参数，且有：
如果已知设计值xP，推求
xp 取决于p、α、β和αO四个数，并且当α、β、αO 三 个参数为已知时，则xp只取决于p了。α、β、αO与分 布曲线的EX，CV和CS有关，因此只要确定EX、CV 和CS，xp仅与p有关，可以由p唯一地来计算xp。
P－3型分布的积分无解析解，实用中制表查用。 取标准化变量Ф（离均系数）
泛滥的概率为0.2；又知当河流甲泛滥时，河流乙泛滥的概率为
0.3。求在该时期内这个地区被淹没的概率。又当河流乙泛滥时 河流甲泛滥的概率？
例：某地区位于河流甲与乙的汇合点。当任一河流泛滥时，该地区即被淹没， 设在某时期内河流甲泛的概率为0.1，河流乙泛滥的概率为0.2；又知当河流 甲泛滥时，河流乙泛滥的概率为0.3。求在该时期内这个地区被淹没的概率。 又当河流乙泛滥时河流甲泛滥的概率？ 解：记河流甲泛滥为事件Ａ，河流乙泛滥为事件Ｂ。这个地区被淹没的概 率为：
经验频率曲线计算工作量小，绘制简单， 查用方便，但受实测资料所限 , 往往难以 满足设计上的需要。为此，提出用理论频 率曲线来配合经验点据，这就是水文频率 计算适线法。
水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.
◆来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
水文分析报告
水文分析报告1. 简介水文分析是一种通过收集和分析水文数据来评估水资源的可用性、水文过程和水文系统的研究方法。
本报告将介绍水文分析的步骤和一些常用的水文分析方法。
2. 数据收集水文分析的第一步是收集相关的水文数据。
这些数据可以包括降雨量、蒸发量、径流量等。
数据的收集可以通过气象站、水文站、遥感等方式进行。
3. 数据处理一旦数据收集完毕，接下来需要对数据进行处理。
处理的目的是为了清洗数据、填补缺失值，并进行必要的数据转换和计算。
常用的数据处理方法包括数据插值、异常值检测和曲线拟合等。
4. 数据分析在数据处理完成后，可以进行水文数据的分析。
水文分析的目的是了解水文过程和水文系统的特征。
常用的水文分析方法包括频率分析、时序分析和空间分析等。
4.1 频率分析频率分析是根据一系列水文数据的频率分布来评估特定事件的概率。
常用的频率分析方法包括概率密度函数、频率分布函数和重现期分析等。
4.2 时序分析时序分析是分析水文数据的时间变化规律。
常用的时序分析方法包括趋势分析、周期分析和相关性分析等。
4.3 空间分析空间分析是研究水文数据在空间上的分布和变化规律。
常用的空间分析方法包括插值分析、空间关联分析和空间聚类分析等。
5. 结果解释水文分析的最后一步是解释分析结果。
根据分析结果，可以评估水资源的可持续利用性、制定水资源管理策略和预测未来的水文变化趋势等。
6. 总结本报告介绍了水文分析的步骤和常用方法。
水文分析是评估水资源、水文过程和水文系统的重要工具。
通过收集和分析水文数据，可以更好地了解水文特征，为水资源管理和决策提供依据。
注：本文所述水文分析方法仅供参考，请根据具体情况选择合适的方法进行分析。
《水文分析》课件
总结
1 水文分析的意义
2 发展趋势及未来展望
水文分析可以为社会经济发展、水资源管 理和环境保护等方面提供科学依据和技术 支持。
水文分析技术将不断发展和更新，以满足 社会和人民对水资源利用和管理的需求。
应用与发展
水文分析在水文灾 害中的应用
通过对水文数据的分析和模 拟，预测水文灾害发生的可 能性和危害程度，以便采取 相应措施。
水文分析在水资源 管理中的应用
通过对水资源的评价和水量 变化的监测，制定有效的水 资源管理措施，满足社会和 经济发展需要。
水文分析在城市规 划中的应用
利用水文分析的方法，合理 规划城市的水利设施和建设 用地，为城市的可持续发展 提供技术支持。
数据存储和管理
选择合适的存储和管理方式，确保数据的安 全、可靠、高效地维护。
水文数据的统计与分析
单位面积径流量计算方法
通过站点数据和降雨数据，采 用流域平衡原理计算出单位面 积的径流量。
洪峰流量计算
通过对历史洪水的分析，选取 适当的设计洪水进行计算，以 保证水工建筑物安全。
水能资源评价
通过计算各水电站或水资源区 的年径流量、有效水能等指标， 评价水能资源的质量和利用潜 力。
水文分析
水文分析是一种研究水循环及水资源利用情况的科学方法，可以帮助我们更 好地管理和保护水资源。
水文资料的获取与处理
水文站点的选择与布设
选择具有代表性和实际意义的站点，并合理 布设。
水文资料处理方法
采用科学有效的方法对采集到的水文数据进 行处理，包括质量控制、异常值处理等。
水文采集设备的选择
根据需要选择适当的设备采集水文数据，确 保数据的准确性和完整性。
水文模型的建立
水文学原理第六章下渗
1
2
3
4
5
6
7
8
（2） 0
P (t)
70 140 210 240 270 300 310 320
（3） 0 32.7 79.5 133.0 151.6 173.2 196.7 201.3 206.6
R (t)
时间 t(h) （1） 9
10
11
12
13
14
15
16
17
（2） 330 340 350 360 370 380 390 400 410
几个基本概念
下渗（入渗） 下渗率（下渗强度） 下渗能力（下渗容量） 下渗曲线（下渗能力曲线） 下渗累计曲线 初始下渗速率
稳定下渗速率 fc 剩余下渗率
下渗、 下渗率、下渗能力（下渗容量）
下 渗 指降水或灌溉水从地表进入土壤内部的过程。 下渗快慢以下渗率表示。
下渗率 单位时间内，渗入单位面积土壤中的水量， 用字母 f 表示，又称下渗强度。 常用单位mm/min 或 mm/hr
例题
2）土壤稳定下渗阶段，降水补给地下径流的水 分主要是（ B ）
A. 毛管水 B.重力水 C.薄膜水 D.吸着水
例题
3）下渗容量（能力）曲线，是指（ B ）
A. 降雨期间的土壤下渗过程线 B.干燥的土壤在充分供水条件下的下渗过程线 C.充分湿润后的土壤在降雨期间的下渗过程线 D.土壤的下渗累积过程线
P (t)
（3） 212.3 218.3 224.5 230.6 236.9 243.3 249.7 256.1 262.5
R (t)
例题
解： 作为一个实验点，人工降雨的实验面积很小，地表蓄水小而稳定雨期 蒸发可以不计，故其水量平衡可写成
ch6流域水文模型解析
流域产流
河道汇流
地下水汇流
流域汇流
第三页，共八十三页。
§1 流域(liúyù)水文模型的概念
早期的水文分析计算大多采用一些经验相关 的方法(fāngfǎ)，如：相应水位（或流量）法、降雨 径流相关图法、单位线法等。20世纪50年代后期 先后有流量综合与水库调节、斯坦福等模型出现。 这些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程 形成的全部过程。60年代先后涌现出了大量的多 参数、复杂的概念性降雨径流模型，比较著名的 有萨克拉门托、水箱等模型。河海大学1973年研 制的新安江模型是一个分散参数的概念性降雨径 流模型，在我国湿润与半湿润地区广为应用，并 取得好的效果。
E=EU+EL+ED EP=KC × EM
第十三页，共八十三页。
§2 新安江模型(móxíng)－蒸散发计算
上层 (Upper layer) EU, WU,WUM
下层
EL, WL,WLM
(Lower layer)
深层 (Deep layer) ED, WD,WDM
上土层(tǔ cénɡ)蒸发量： EU=EP 下土层(tǔ cénɡ)蒸发量： EL=EP.WL/WLM
5mm
缺林地
UM=
20mm
多林地
LM=60~90mm，根据实验，在此范围内蒸散发大约与土 湿成正比。
DM=WM-UM-LM
WM可用实测资料来分析。选择前期特别干旱，本次降雨足
够(zúgòu)大，大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据水量平 衡：
第三十页，共八十三页。
2.2 模型(móxíng)参数的物理意义及初值的
法，即：
合解上述两式得: Q2=C0I2+C1I1+C2O1
水文分析
水பைடு நூலகம்分析步骤：
实验数据：
某地区1:5 万DEM数据
软件准备：
水文分析工具添加：水文分析工具位于【自定义】》扩展模 块
了
然后水文分析工具就可以使用
三、实验内容及步骤 1. 数据基础：无洼地的DEM
在ArcMap中加载 DEM数据，打开Arctoolbox，运行工具 [Spatial Analyst Tools]>>【水文分析】>>【填洼】， 在出现的对话框中 【输入表面栅格数据】参数指定为 “dem”
得到的的河流网络栅格：StreamNet
❷
提取河流网络矢量数据
在上一步的基础上进行，在上一步的基础上进行，打开 Arctoolbox，运行工具[Spatial Analyst Tools]>>【水 文分析】>>【栅格河网矢量化】，在出现的对话框中 【输入河流栅格数据】参数指定为 “streamnet” 【输入流向栅格数据】参数指定为“flowdirection” 【输出折线（polyline）要素】参数指定为“shape”
无洼地DEM生成原因
DEM一般被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由 于内揑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。这些区域在进 行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，使得在进行 水流流向计算时在该区域得到丌合理的或错误的水流斱向 。因此，在进行水流斱向的计算乊前，应该首先对原始 DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。 洼地填充的基本过程是先利用水流斱向数据计算出DEM 数据中的洼地区域，然后计算出这些的洼地区域的洼地深 度，最后以这些洼地深度为参考而设定填充阈值进行洼地 填充。
顺流计算时
水文分析与计算教学讲义
水文分析与计算教学讲义一、概述水文分析是指通过对水文数据的收集、整理和分析，来研究地表水和地下水的分布、变化和利用情况等。
水文学中的分析是建立在大量的水文数据基础上的，因此数据的收集和整理是水文分析的基础。
二、水文数据的收集与整理水文数据的收集主要包括观测站的建立和水文观测点的选取。
观测站的建立需要考虑到区域的地理条件、地下水位和降水情况等。
水文观测点的选取需要根据实际需要，采取代表性的采样方法，以获得真实可靠的水文数据。
水文数据的整理主要包括数据的筛选、统计和处理。
筛选是指对收集到的水文数据进行初步的处理，去除异常值和错误数据。
统计是指对筛选后的数据进行大致的分析和总结，了解水文数据的分布和特征。
处理是指对统计后的数据进行进一步的计算和分析，得出更精确的结果和结论。
三、水文分析的方法和途径1.水文数据的描述与分析方法：水文数据的描述主要包括频率分析、时域分析和空间分析等。
频率分析是指通过对一定时期内的水文数据进行统计和分析，揭示水文事件的发生规律和概率分布特征。
时域分析是指通过对时间序列数据进行分析，了解水文数据的长期趋势和周期变化。
空间分析是指通过对不同水文观测点的数据进行比较和分析，寻找地表水和地下水的空间分布规律。
2.水文计算的方法和技巧：水文计算主要包括水文循环计算、水文平衡计算和水文模拟计算等。
水文循环计算是指通过计算降水量、蒸发量、径流量和地下水补给量等水文要素之间的关系，研究水文系统的循环过程和能量平衡。
水文平衡计算是指通过计算水文系统的收入和支出之间的差异，来评估水资源的可利用性和水文环境的稳定性。
水文模拟计算是指通过建立数学模型或计算机模型，对水文系统的运行过程进行模拟和预测。
四、水文计算的实例与应用1.降水量的计算与分析：降水量是水文学中的一个重要指标，它直接影响地表水和地下水的补给和存储。
降水量的计算可以通过气象站的观测数据和气象雷达等技术手段来进行。
降水量的分析可以根据时间序列数据和空间数据，揭示降水的分布特征和变化趋势。
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图6.6 洼地提取对话框 图6.7 洼地提取结果
无洼地DEM生成
• 洼地填充
洼地的存在，导致不能得到正确的真实的水流方向，在进行水 文分析之前需要进行洼地区域的填充。
填充前 图6.8 洼地填充示意图
填充后
无洼地DEM生成
• 洼地填充
由于有些洼地也是真实地形的反映，在填充前需要进行洼地深 度的计算，从而判定填充阈值。
图6.10 洼地区域计算 图6.6 洼地区域最低高程计算
无洼地DEM生成
• 洼地深度的计算
洼地区域最低出水口计算
双击spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal fill工具，弹出 zonal fill对话框。
洼地深度计算
加载Spatial Analyst模块，点击Spatial Analyst模块的下拉箭头，选择
洼地深度的计算 洼地的填充
洼地深度是洼地区域最低高程值与洼地区域最低Hale Waihona Puke 水口高程 之差洼 地 深 度
图6.9 断面图上获得洼地深度
无洼地DEM生成
• 洼地深度的计算
洼地区域的计算
双击hydrology工具集中的watershed工具，弹出洼地区域计算对话框 。
洼地区域最低高程计算
双击spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal statistic工具， 分区统计对话框 。
图6.15 洼地的填充
汇流累积量
某栅格汇流累积量是该栅格其上游沿水流方向最终汇流 经过该栅格的栅格个数。
图6.16 汇流累积量的示意图
汇流累积量
汇流累积量的计算
双击hydrology工具集中的的fill accumulation工具，打开汇流累积量
计算对话框
图6.17 汇流累积量的计算
图6.18 汇流累积量的结果图
水流长度
水流长度通常是指在地面 上一点沿水流方向到其流 向起点（终点）间的最大 地面距离在水平面上的投 影长度。 水流长度有两种： Downstream
沿着水流方向到流域的出水口 的距离在水平面的投影
Upstream
沿着水流方向到水流的起源点 的距离在水平方向的投影
图6.19 水流长度分布图
水流长度
图6.23 河网的生成
河网的提取
• 栅格河网矢量化
双击hydrology工具集中的的 stream to feature工具，打 开栅格河网矢量化 对话框
hydrology工具集中的的 stream to feature工具不仅 仅只是将栅格形式河网数据转 化为矢量形式的数据，它利用 了水流方向数据进行辅助分析， 使得矢量化后的河网更真实、 更合理
图6.35 集水区域的计算结果
• 水流方向计算 • 洼地的计算 • 洼地填充
无洼地DEM生成
• 水流方向计算
在3×3的窗口中, 对 中心栅格与周围栅格 高程差值进行对比, 利用最大坡降的方法 来判断中心栅格的水 流方向,也就是常用 的D8算法.
图6.3 水流方向计算示意图
• D8算法中，确定一个栅格的水流方向就是将被处理的 栅格单元同其最邻近的8个栅格单元之间的坡降进行 比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元 中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向被定 义为被处理栅格的水流方向，并且规定一个栅格的水 流方向用一个特征码表示。有效的水流方向定义为东 北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并分别用 128、1、2、4、8、16、32和64这8个有效特征码表 示。
洼地区域是水流方向不合理的地 方 ,在进行水文分析时需要进行洼 地区域的判断.
• 洼地的类型
错误的地表描述
产生原因：数据采集、数据内插
真实地表描述
产生原因：湖泊、喀斯特地貌、陷穴
图6.5 洼地在断面图上的显示
无洼地DEM生成
• 洼地的计算步骤
启动ArcToolbox，展开Analysis Tools工具箱，打开 hydrology工具集 双击hydrology工具集中的sink工具，弹出洼地计算对话框
无洼地DEM生成
• 水流方向计算步骤
启动ArcToolbox，展开 Analysis Tools工具箱，打 开hydrology工具集 双击Flow Direction工具， 水流方向（Flow Direction） 计算对话框
图6.4 水流方向计算对话框
无洼地DEM生成
• 洼地的计算
双击hydrology工具集中的basin 工具，打开流域盆地计算的对话框。
图6.32 流域盆地的生成
注意：
ArcGIS中的hydrology工具集 中的basin工具所提取出的所有流域 盆地均是认为盆地的出水口在研究 区域的边缘。
图6.33 得到的流域盆地结果图
流域的分割
• 汇水区出水口的确定
流域的分割首先是要确定小级别的 流域的出水口的位置，也就是要进 行汇水区出水口的确定
• 水流长度的计算
双击hydrology工具集中的的flow length工具，弹出水流长度的计算对
话框
图6.20 水流长度的计算
downstream方向上的水流长度
upstream方向上的水流长度
图6.21 两个不同的水流长度的示意图
河网的提取
水流网络是基于 DEM的水文分析 的其中一个主要 目的，也是地表 水流模拟的一个 重要过程。
raster calculator 工具
图6.12 洼地区域最低出水口计算
图6.13 洼地深度计算
无洼地DEM生成
• 计算出的洼地深度
图6.14 洼地深度分布图
无洼地DEM生成
洼地的填充
双击hydrology工具集中的fill工具，弹出如图所示的洼地填充对话 框。 注意： 填充时的填充阈值是依据洼地深度范围和研究区域的自然地形； 当不设填充阈值的时候，默认是将所有洼地全部填平
利用hydrology工具集中的snap pour point 的工具寻找。
注意：
Pour point data应是已有的研究区 域流域的出水点数据；如果没有， 可以用stream link数据
图6.34 汇水区出水口的确定
流域的分割
• 集水流域的生成
利用hydrology工具集 中的的watershed工 具，进行集水区域 （贡献区域）的计算。 其中输入数据为水流 方向数据和 streamlink数据
图6.29 河网分级操作
Strahler分级结果
图6.30 两个分级的结果对比
Shreve分级结果
流域的分割
• 流域的概念
流域又称集水区域，是 指流经其中的水流和其 它物质从一个公共的出 水口排出从而形成一个 集中的排水区域。
图6.31 流域示意图
流域的分割
• 流域盆地的确定
流域盆地是由分水岭分割 而成的汇水区域。
第六章
水文分析
主要内容
• • • • • • 水文分析简介 无洼地DEM生成 汇流累积量 水流长度 河网的提取 流域的分割
水文分析简介
主要用来建立地表水 的运动模型,辅助分析 地表水流从那里产生 以及要流向何处，再 现水流的流动过程。
图6.1 水文流域示意图
图6.2 水文分析体系图
无洼地DEM生成
图6.24 栅格河网矢量化操作
图6.25 得到的矢量化的河网图
河网的提取
• stream link的生成
Stream link是记录着河网 中的一些节点之间的连接 信息，主要记录着河网的 结构信息。
图6.26
弧段
结点
Stream link示意图
双击hydrology工具集中的 stream link工具，弹出如图所 示的stream link计算的对话框。
图6.27
Stream link生成操作
河网的提取
河网分级
河网分级是对一个线性的河流网络进行分级别的数字 标识 。
河网分级方法：
Strahler分级
Shreve分级
图6.28 两种不同的河网分级方法
河网的提取
• 河网分级的生成
双击hydrology工具集中的stream order
工具，弹出stream order计算的对话框。
图6.22 河网的三维立体显示图
河网的提取
• 河网的生成 注意：
阈值的设定应遵循科学、合理的原则； 阈值的设定应以研究区域的实际地形和实际地貌为依据； 阈值的设定应以研究对象的空间尺度为依据。
利用map algebra工具集中的multi map output工具中的con 工具或者setnull工具进行计算。