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水文学基础知识
水文学基础知识
一、概念
1、水文学概念
水文是水利、水电及一切与水资源有关的国民经济和社会发展所必需的前期工作的基础，是水利建设的尖兵、防汛抗旱的耳目、水资源管理与保护的哨兵、资源水利的基石，是一项必须适当超前发展的社会公益性事业水文学：
研究水存在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内的各种现象的发生和发展规律及其内在联系的学科。
包括水体的形成、循环和分布，水体的化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应等。
水文学：
广义地说就是研究地球与水的科学，包括它的性质、现象和分布，其核心是水循环。
水文学，广义地按地球圈层情况可分为水文气象学、地表水文学和地下水文学三种。
按地球表面分布情况，又可分为海洋水文学和陆地水文学。
陆地水文学：
主要研究存在于大陆表面上的各种水体及其水文现象的形成过程与运动变化规律。
按研究水体的不同又可分为：
①河川水文学；②湖泊（包括水库）水文学；③沼泽水文学；④冰川水文学；⑤河口水文学。
2、水文循环
水文循环：
地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力作用下，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程不断变化、迁移的现象。
大循环：
从海洋蒸发的水汽，被气流带到大陆上空，遇冷凝结而形成降水，降水至地面后，一部分蒸发直接返回空中，其余都经地面和地下注入海洋，这种海陆间的水分交换过程称大循环或外循环。
小循环：
陆地上的水经蒸发、凝结作用又降落到陆地上，或海洋面上蒸发的水汽在空中凝结后，又以降水形式降落在海洋中，这种局部的水文循环称小循环或内循环。
前者又可称内陆小循环，后者称海洋小循环。
由陆面蒸发而引起的内陆小循环，对内陆地区的降水有重要作用。
因内陆地区距离海洋很远，从海洋直接输送到内陆的水汽不多，需要通过内陆局部地区的水文循环运动，使水汽不断地向内陆输送，这是内陆地区的主要水汽来源。
由于水在向内陆输送过程中，沿途会逐步损耗，故内陆距离海洋越远，输送的水汽量越少，降水越小，沿海地区一般雨量充沛，而内陆地区则雨量稀少，气候干燥，就是这个原因。
3、水文现象的基本特点
⑴时程变化上的周期性与随机性
①周期性由于地球的自转和公转，昼夜、四季、海陆分布，以及一定的大气环境，季区区域等，使水文现象在时程变化上形成一定的周期性。
②随机性因为影响水文现象的因素众多，各因素本身在时间上不断地发生变化，所以受其控制的水文现象也处于不断变化之中，它们在时程上和数量上的变化过程，伴随周期性出现的同时，也存在着不重复性的特点，这就是所谓随机性。
⑵地区上的相似性与特殊性
①相似性有些流域所处的地理位置（纬度或离海洋远近等）相似，气候与地理条件相似，因而所产生的水文现象在一定程度上有一定的相似性，即具有所谓地带性。
②特殊性不同流域虽所处的地理位置、气候条件相似，但由于下垫面条件差异，而产生不同的水文变化规律。
4、水量平衡
研究水量平衡是对水文循环建立定量的概念，了解组成水文循环各要素——降水、下渗、蒸发和径流等作用；解决一个地区或流域的产水量和径流的出流过程；根据水量平衡由某些已知水文要素推求街定的水文要素（如已知降水、径流推求损失量）。
水量平衡原理被广泛地应用于水文预报、水文水利计算，同时还可以用来对水文测验、资料整编、预报和计算的成果进行合理性检查分析并评价成果精度。
闭合流域在某一给定时段内的水量平衡方程式为：
P=E+R+△W
闭合流域的多年平均水量平衡方程式为：
P=R+E
二、降水
1、降水
降水主要是指降雨和降雪，其它形式的降水还有露、霜、雹等。
水分以各种形式从大气到达地面统称为降水。
降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。
降水资料是分析河流洪枯水情，流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础。
因此，它是一项非常重要的资料。
2、降雨类型
⑴气旋雨随着气旋或低压过境而产生的雨称为气旋雨。
⑵对流雨在地面受热，温度升高、下层空气膨胀上升和上层空气形成对流运动。
当下层带有丰富水汽的暖空气上升到温度较低的高空时，产生动力冷却而凝成雨滴下降，称对流雨。
对流雨多发生在夏季酷热的午后，一般强度大、面积小、历时短，它对小面积洪水影响大，易形成陡涨陡落的洪水过程。
⑶地形雨当暖湿气团在运动中遇到山岭障碍时，沿山坡上升，由于逐渐变冷凝结成雨而降落称地形雨。
地形雨多在迎风的山坡上，背风坡则雨量稀少。
⑷台风雨台风雨是热带海洋上的风暴带到大陆来的雨。
是由异常强大的海洋湿热气团组成，常造成狂风暴雨。
发生台风雨时，暴雨一天内可达数百毫米，极易造成灾害。
3、暴雨
暴雨主要由于对流作用所形成，其特征是历时短、强度大，在地区上笼罩面积相对不大。
1d降雨量超过50mm或1h降雨量超过16mm者称为暴雨。
1d降雨量超过100mm者称为大暴雨，1d降雨量超过200mm者称为特大暴雨。
4、降水基本要素
⑴降水量
在某一给定时段内降落在某一面积上的总水量，如日降水量是指某一面积上1d内的降水总量，次降水量是指某一面积上一次降水的总量等等，以m3、亿m3或km3计，但一般常用降水深度表示，即在该时段内降落在某一面积上的水深，以mm计。
在各种水文资料中，降水量除特别注明外，均指降水深度。
⑵降水历时和降水时间
降水历时是指一次降水过程所经历的时间，降水时间则是指对应于某一降水量而言，某一时间内降雨若干毫米，此时间即为该若干毫米降雨的降水时间。
⑶降水强度
降水强度指单位时间内的降水量，一般以mm/min或mm/h计。
⑷降水面积
降水所笼罩的水平面积，以km2计。
5、降水特征表示方法
⑴降水量过程线降水量过程线以时段降水量为纵轴，时段次序为横轴绘制而成。
⑵降水量累积曲线此曲线横坐标表示时间，纵坐标代表自降水开始以各该时刻降水量累积值。
⑶等降水量线或等雨量线为了表示某一地区或流域的次、日、月、年降水量的分布情况，可用等雨量线图。
⑷降水特性综合曲线
①降雨强度与历时关系曲线
②平均深度与面积关系曲线
③平均深度与面积与历时关系曲线
6、降水量观测
⑴降水量观测场地：
应按规范要求建立观测场。
⑵降水量观测仪器：
一般为20厘米口径的雨量器和自记雨量计，目前水文遥测采用的是20厘米口径的翻斗雨量计。
⑶降水量观测：
一般只测记降雨、降雪、降雹的水果，并注记雪、雹符号。
单纯的雾、露、霜，不论其量大小均不测记（特别情况，可别作规定）。
⑷降水量记至0.1毫米，不足0.05毫米的降水不做记载。
历时记至分钟。
每日降水以8时为日分界，从本日8时至次日8时的降水量为本日的日降水量。
⑸用雨量器观测降水量一般采用定时分段观测制，测站各时期所采用的段次，在《测站任务书》中规定。
⑹液体降水量的量法，将储水瓶内的水倒入量杯，放平量杯，使视线与量杯水面齐平，观测量杯中水面的凹下面，记至0.1毫米。
每次观测后应立即记入记载簿中。
如果降水量很大，量杯不能一次量完，则可分几次量，将总数记入记载簿内。
每次雨量，待复测后方可倒去。
7、区域平均降水量计算
⑴算术平均法在地形起伏不大，区域内降水分布较均匀或降水在地区上的变化较均匀，测站布置合理或较多的情况下，算术平均法最简单且能获得满意的结果。
⑵泰森多边形法（又称垂直平分法）如果区域内雨量站分布不均匀，且有的站偏于一角，此时采用泰森多边形法较算术平均法合理和优越。
⑶等雨量线法对于地形变化较大（一般是大流域），区域内又有足够数量的雨量站，能够根据降水资料结合地形变化绘制出等雨量线图，则应采用本方法。
三、蒸发与散发
1、蒸发与散发
蒸发与散发是水文循环过程中自降水到达地面后由液态（或固态）化为水汽返回大气的一个阶段。
大陆上一年内的降水约有60%消耗于蒸发与散发，显然蒸发与散发是水文循环的重要环节。
从径流形成来看蒸发与散发是一种损失。
蒸发与散发在水量平衡研究及水利工程规划设计中是不可忽视的影响因素。
2、陆上水面蒸发场的设置要求
①蒸发场四周应空旷、平坦，避开局部地形、建筑物及树木等障碍物的影响。
②蒸发场应离大水体远些，以避开其影响。
③蒸发场内及其周围，一般不应产生地面积水。
④选择场址应考虑到加水的方便，水源的水质应符合观测用水的要求。
⑤在城市和工矿区附近的蒸发场，最好选在工矿区最多风向的上风面，以减少烟尘对蒸发器内水质的影响。
⑥在大洪水期有可能遭致淹没的地区，一般应避免设站。
如确有需要，应考虑在淹没时期采取相应的观测措施。
3、观测仪器
目前全国蒸发站网上使用的观测仪器，主要有E-601型蒸发器，口径为80厘米带套盆的蒸发器和口径为20厘米的蒸发皿三种。
4、蒸发量观测
一般每日8时观测蒸发量和降水量一次，蒸发量以毫米计，测记至0.1毫米。
四、径流
1、径流形成过程
由降雨（或融雪）到水流汇集到河流出口断面的整个物理过程，称径流形成过程。
水文过程线以连续曲线的形式显示了通过断面的流量随时间变化的情况。
过程线是指地面径流、壤中流（表层流）、地下水和河槽降水的总量随时间变化的过程。
2、流域蓄渗过程
当雨水降落到地面上时，除一小部分（一般不超过5%）降落于河槽水面上的降水直接形成径流外，大部分降雨并不立即产生径流，而是消耗于植物截留、下渗、填洼与蒸发。
在一次降雨过程中，流域上各处的蓄渗量及蓄渗过程的发展是不均匀的。
因此，地面径流产生的时间和地方并不一致，有前有后，先满足蓄渗的地方先产流。
渗入土壤中的水份，使包气带含水量增加，在表土层较薄，且松散透水、下伏相对不透水层的条件下，当达到饱和时，部分水份沿坡侧向流动，形成壤中流，注入河槽。
继续深向运行的下渗水量，到达地下水面，以地下水的形式补给河流，称地下径流。
在这一阶段中凡是不构成径流的降水部分，称损失量，包括植物截留、填洼及滞蓄于土壤中的下渗水量。
在这一阶段中，河槽水流基本上没有大量的新的补给，主要仍靠前期地下水补给（可能有少量的河槽降水）。
因此，流量过程线无明显的变化。
3、坡地汇流过程
超渗雨水在坡面上以片流域时分时合的细沟流运动的现象称坡面漫流。
当满足填洼以后，开始产生大量的地面径流，水流进入正式的漫流阶段。
在漫流过程中，坡面水流一方面继续不断地接受降雨补给，一方面又不断地消耗于蒸发和下渗。
壤中流及地下径流也同样具有沿坡地土层的汇集过程。
壤中流汇流速度比地面径流慢，到达河槽也较迟。
壤中流所占总径流中的比例与流域土壤和地质条件有关。
4、河网汇流过程
各种径流成分经坡地汇流注入河网，在河网内沿河槽作纵向流动和汇集的过程称河网汇流。
5、径流计量单位
⑴流量Q:
单位时间内通过某过水断面的水量，以（m3/s）表示。
流量有瞬时值、日平均值、年平均值及多年平均值等。
⑵径流总量W:
在一定时段内通过某断面的水量，以m3或亿m3计。
⑶径流模数M:
单位流域面积上的平均流量。
⑷流量变率K:
某一年的年平均流量和正常年径流量之比。
⑸径流深度R:
将计算时段内的径流总量，均匀铺在某断面以上的流域面积上，其相应的水层深度即是径流深度，以mm表示。
⑹径流系数α:
任意时段内径流深度R与同时段内降水深度P之比。
6、洪水特性表示方法
通常用洪峰流量、洪水总量和洪水总历时表示洪水特性的三个要素。
一次洪水过程，其最大值为洪峰流量，洪水过程线与横座标所包围的面积即为该次洪水总量，洪水过程线的底宽即为总历时。
洪峰流量为Qm，洪水总量为W，洪水总历时为T。
若相邻两次降雨，由于前期降雨所形成的洪水过程尚未泄完，第二次降雨所形成的洪水过程又接踵而来，就形成了复式洪水过程。
7、枯水
枯水是河流断面上较小流量的总称。
枯水经历的时间为枯水期。
枯水是因地面径流完全停止，河网中容蓄的水量全部消退，河道的水量完全依赖于流域蓄水量的补给。
五、水文站网
1、水文站网
水文站网是在一定地区，按一下原则，用适当数量的各类水文测站构成的水文资料收集系统。
水文测站是在河流上或流域内设立的，按一定技术标准经常收集的提供水文要素的各种水文观测现场的总称。
2、水文测站分类
水文测站按按目的和作用分为基本站、实验站、专用站和辅助站。
水文测站按观测项目可分为流量站、水位站、泥沙站、雨量站、水面蒸发站、水质站、地下水观测井等。
3、流量站分类
流量站按控制面积大小及作用分为大河控制站，区域代表站和小河站、流量站按水体的类型，可分为河道站、水库站、湖泊站、潮流量站。
控制面积为3000～5000km2以上大河干流上的流量站为大河控制站。
湿润地区在100～200km2以下的小河流上设立的流量站，称为小河站。
其余的天然河道上的流量站，称为区域代表站。
4、浙江省水文站网规划
根据水利部《水文站网规划技术导则》（SL34-92）的要求和结合浙江省实际情况，2001年5月编制了《浙江省水文事业发展规划》，对我省各类水文站网进行了全面规划。
规划后浙江省基本水文站156个，站网密度达到653km2/站；雨量站达到1010个，站网密度达到101km2/站；蒸发站达到116个，站网密度达到878km2/站。
均已达到或超过各项规范规定的布站密度，而且项目设置比较齐全，基本上能够满足防汛抗旱、水文分析计算、水资源分析评价、水环境保护、水利工程规划设计以及国民经济其它各部门服务需要。
六、水文测站设立
1、水文站设立
按照站网规划设立水文站时，要尽可能选择较好的站址，建立适当的、准确的、牢固的测验设施，这对于提高工效、方便测验、保证资料质量都有重要意义。
2、测验河段选择
⑴站址查勘时，选择测验河段的原则是首先应能满足设站目的和要求，并能保证成果精度，便于测验和整编。
⑵一般河道站应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中，便于布设测验设施的河段，顺直长度一般应不少于洪水时主槽河宽的3～5倍。
山区河流，在保证测验工作安全的前提下，尽可能选在急滩、石梁、卡口等控制断面的上游。
测验河段要尽量避开变动回水，急剧冲淤变化，分流、斜流、严重漫滩等不利影响，避开妨碍测验工作的地貌、地物。
⑶堰闸站和水库站的测验河段，一般选在建筑物的下游避开水流紊动影响的地方。
堰闸站、建筑物上游如有较长的顺直河段，也可选在上游，但应注意测验安全。
⑷水库、湖泊的水位观测点，应选在岸坡稳定，水位有代表性，便于建立观测设备，便于观测的地方。
⑸考虑生活、交通、通讯方便等条件。
3、基面的确定
水位和高程数值，一般都以一个基本水准面为准，这个基本水准面，称为基面。
水文资料中涉及的基面有：
绝对基面、假定基面、测站基面和冻结基面。
分述如下：
⑴绝对基面：
一般是以某一海滨地点的特征海水面为准，这个特征海水面的高程均定为0.000米。
现用者有大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面。
若将水文测站的基本水准点与国家水准网所设的水准点接测后，则该站的水准点高程就可根据引据水准点用某一绝对基面以上的高程数来表示。
⑵假定基面：
若水文测站附近没有国家水准网，其水准点高程暂无法与全河（地区）统一引据的某一绝对基面高程相连接，则可暂自行假定一个水准基面，作为本站水位或高程起算的基准。
⑶测站基面：
是水文测站专用的一种固定基面。
一般选在略低于历年最低水位或河床最低点的基准面上。
⑷冻结基面：
也是水文测站专用的一种固定基面。
一般是将测站第一次使用的基面冻结下来，作为冻结基面。
4、断面的布设
⑴基本水尺断面的布设
⑵流速仪测流断面的布设
⑶浮标测流断面的布设
⑷比降断面的布设
⑸基线、测量标志的布置
5、水位观测设备的建立
⑴水位观测的设备
常用的水位观测设备有水尺和自记水位计两类。
①水尺：
是测站水位观测的基本设施，按型式可分为直立式、倾斜式、矮桩式和悬锤式四种。
②自记水位计：
具有记录连续、完整、节省人力等优点，测站可根据需要和可能条件予以采用。
目前使用的自记水位计的型式，主要有就地记录式与远传记录式两种。
⑵水尺的布置
确定水尺型式后，应根据历年水位变幅，本着满足使用要求、保证观测精度与设置经济安全的原则，安排各支水尺的位置与观测范围。
⑶自记水位计的设置
自记水位计由自记水位仪器与自记水位计台两部分组成。
目前普遍采用的自记水位仪器是机械型自记仪器，其特点是感应系统通过机械传动作用于记录系统（重庆水文仪器厂、上海气象仪器厂的日记水位计等）。
自记水位计台的类型有岛式、岸式、岛岸结合式、传动式四种。
七、水文测报
1、水文测报作用
水文测报的作用一方面是了解、掌握水文测报站所在地区现时水雨情情况、水文情势变化情况和发展态势。
另一方面，可以通过实测水雨情信息应用由历史水文资料、历史灾害资料分析率定的水文预报模型或通过水文学方法进行分析计算，预测预报预见期内水文要素的变化情况，为防汛抗旱调度决策提供科学依据。
2、水位观测基本内容
⑴用水尺观测时，应按要求的测次观读、记录水尺读数，计算水位与日平均水位，或统计每日出现的各次高、低潮位。
⑵用自记水位计观测时，应定时校测、换纸、调整仪器，并对自记记录进行订正、摘录，计算日平均水位，或统计各次高、低潮位。
⑶堰闸、水库测站，除观测水位外，还要测记涵闸闸门开启高度、孔数和流态。
3、水位观测精度
⑴水位用某一基面以上米数表示，一般读记至0.01米。
⑵上下比降断面的水位差小于0.2米时，比降水尺水位可读记至0.005米。
⑶对基本、辅助水尺水位有特殊精度要求者，也可读记至0.005米。
4、水位观测时间及观测次数
水位的基本定时观测时间是8时。
基本水尺水位观测次数，视河流及水位涨落变化情况合理分布，以能测得完整的水位变化过程，满足日平均水位计算和水情拍报的要求为原则。
5、水位观测方法
用直接观读式水尺时，应该读取水面截于水尺上的读数，并注意折光影响。
有风浪且无静水设备时，应该记波浪的峰顶和谷底在水尺上所截两个读数的平均值，或以水面出现瞬时平静的读数为准，并应连续观读2～3次，取其均值。
使用自记水位计观测水位，一般每日定时进行一次校测和检查，水位涨落急剧时，应适当增加校测和检查次数。
6、水位观测结果计算
⑴水位计算
水位用某一基面以上米数表示，由水尺读数与水尺零点高程的代数和算得。
水位=水尺零点高程+水尺读数
⑵日平均水位计算
一日内水位变化缓慢时，或水位变化虽较大，但系等时距观测或摘录时，均采用算术平均法。
一日内水位变化较大，且不等时距观测（摘录）时，采用面积包围法，将本日0～24时内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得。
7、水位的几种提法
警戒水位：
是指可能造成防洪工程出现险情的河流和其它水体的水位。
保证水位（危急水位）：
是指能保证防洪工程或防护区安全运行的最高洪水位。
最高水位：
一定时段内，某观测点所出现的瞬时最高水位。
历史最高水位：
某观测点在迄今为止的历史上所出现的瞬时最高水位。
最低水位：
一定时段内，某观测点所出现的瞬时最低水位。
历史最低水位：
某观测点在迄今为止历史上所出现的瞬时最低水位。
平均水位：
某观测点不同时段水位的均值或同一水体各观测点同时水位的均值。
日平均水位：
某观测点一天内（当天早上8:
00至次日早上8:
00）不同时段水位的均值。
潮位（潮水位）：
受潮汐影响所产生周期性涨落的水位。
8、流量测验
我省流量测验一般采用流速仪法，利用测桥或架设水文缆道用流速仪施测流速，计算流量，也有部分测站采用多普勒流速仪，浮标进行测流，也有的站采用测流槽、比降推求流量。
9、确定测流次数的基本原则
测站一年中测流次数的多少，应根据水流特性及控制情况等因素而定，总的要求能准确推算出逐日流量和各项特征值。
10、流速仪测流工作内容
⑴进行水道断测量。
⑵在各测速垂线上测量各点的流速。
⑶观测水位。
⑷根据需要观测水面比降。
⑸观测天气现象、测流段及其附近的河流情况。
⑹计算、检查和分析实测流量及有关数值。
流速仪测流分为精测法、常测法和简测法。
11、实测流量的计算
⑴垂线起点距和水深的计算。
⑵测点流速的计算。
⑶垂线平均流速的计算。
⑷部分面积计算。
⑸部分平均流速计算。
⑹部分流量计算。
⑺断面流量计算。
12、水文报汛方式
⑴水文自动测报系统
⑵人工置数报汛机
⑶利用传真机报汛
⑷利用电话报告水雨情信息
⑸直接报汛方式
13、水情拍报段次标准的拟定
水情拍报段次标准，应根据需要与可能，经济合理地加以拟定。
一般应考虑以下几个方面：
①防汛、防涝、抗旱的要求。
②工程施工及运行管理要求。
③水文预报要求。
④照顾上下游、干支流之间的相应一致性。
⑤便于水情站执行，特别当水情站要求报汛较多时，应尽可能统一或简化段次标准。
14、水文预报
根据前期或现时已出现的水文、气象等信息，运用水文学、气象学、水力学的原理和方法，对河流、湖泊等水体未来一定时段内的水文情势作出定量或定性的预报。
15、水文预报方案编制要求
⑴编制预报方案所引用的水文资料，应有足够的代表性，一般不少于10年系列，并需包括大水年、平水年和小水年，在多个量级上都有代表性。
⑵预报方案所采用的预报方法，必须有理论依据。
对经验相关关系也必须进行物理成因分析，检查合理性和适用条件。
⑶预报方案建立以后，必须进行评定或检验，以说明方案的有效性和可靠程度。
⑷编制完成的预报方案，必须送上级水情主管单位审查批准，方可进行作业预报，开展预报业务工作。
16、水文预报模型
⑴流域水文预报（降雨径流预报）
流域上降水在流域出口处形成的流量过程的预报，包括流域产流预报和流域汇流预报。
⑵区域水文预报
根据水文条件相似地区内的各河流涨水和退水规律，发布洪水预报或枯季径流预报。
⑶暴雨洪水预报
根据前期和现时的场次暴雨等有关资料，对暴雨形成的洪水过程所作的预报。
⑷风暴潮预报
沿海由于气压或风扰动引起的骤发性增水或减水的预报。
⑸水库水文预报
根据前期和现时水文、气象资料对水库未来的水文情报所作的预报。
⑹施工水文预报
为了安全顺利地进行工程施工，根据施工不同阶段的要求所作的水文预报。
17、许可误差
⑴河道水位（流量）预报预见期内最大变幅的许可误差采变幅均方差бΔ，变幅为零的许可误差采用0.3бΔ，其余变幅的许可误差按上述两值用直线内插法求出。
如算出的水位许可误差бΔ>1.0m时。
取预见期内实测变幅的20%作为许可误差，水位以5cm为下限，流量以测验误差为下限。
上述两标准可任选一种进行评定。
预报洪峰出现时间的许可误差，采用预报根据时间至实测洪峰出现时间间距的30%，并以3h为下限。
⑵降雨径流预报：
净雨深预报的许可误差采用实测值的20%，许可误差大于20mm时，以20mm为上限；许可误差小于3mm时，以3mm为下限。
洪峰流量的许可误差取实测值的20%，并以流量测验误差为下限。
洪峰流量出现时间的许可误差，取预报根据时间至实际峰现时间间距的30%，并以3h或一个
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