工程水文第一章

1工程水文学及水利计算讲课教师：李英海2工程水文学及水利计算•（一）课程性质和特点工程水文是水利类专业的一门重要的专业基础课。通过本课程的学习，能初步掌握与水利水电工程规划设计、施工建设和运行管理有关的暴雨、洪水、径流资料的收集、分析计算的基本知识和基本技能，为其它专业课的学习和今后从事专业工作或进行科学研究工作打下基础。3工程水文学•（二）课程的基本要求•1.了解水文现象的基本特点，物理成因，影响因素及其变化规律。•2.掌握初步的水文测验技能和收集水文资料的方法。•3.熟悉和掌握水文分析的基本原理，如径流形成原理、水量平衡原理、水文统计原理等；掌握径流和洪水计算的基本方法，如成因分析法、水文统计法等，对工程中遇到的水文分析计算问题具有一定的分析和计算能力。•4.初步掌握水文预报的基本原理和方法。4第一章绪论§1.1水文学§1.2工程水文学的研究方法§1.3水文学的发展5水文学§1.1水文学•内容提要工程水文学的意义与主要内容，水资源的基本概念。•学习要求从工程建设需要了解工程水文内容。水资源工程水文学6水文学§1.1水文学-§1.1.1水文学水文学的定义研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的存在、分布、循环、物理化学性质及其环境因素的变化规律，预测、预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势。水资源工程水文学7§1.1水文学-§1.1.1水文学全球各水体水量分布（亿km3）：大气:0.000129(0.1%)陆地:0.48(3.5%)海洋:13.38(96.5%)∑:13.868§1.1水文学-§1.1.1水文学根据水体分布情况，水文学可分为：•水文气象学：主要研究降水、蒸发、温度、湿度、风、气压。•陆地水文学：主要研究地表水、地下水，又可分为河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、地下水文学、森林水文学等。•海洋水文学：主要研究海温、洋流、风浪、潮汐等。9§1.1水文学-§1.1.2水资源水资源的定义：地球表层可供人类利用的水称为水资源。水资源包括水量、水质、水能资源和水域。10水文学§1.1水文学-§1.1.3工程水文学•工程水文学的定义：水文学的一个重要分支，将水文学方面的知识应用于水利水电工程，为工程的规划设计、施工建设、运行管理提供水文依据的一门科学。水资源工程水文学11水文学§1.1水文学-§1.1.3工程水文学工程水文学主要内容分四方面：（1）水文信息采集与处理（水文测验）：描述关于降水、蒸发、下渗、水位、流量、泥沙、水质、河道等项目的观测、调查及资料整编、检索的方法。（2）降雨径流相关分析：揭示流域径流的形成规律，定量分析降雨量、土壤含水量、径流量之间以及降雨过程与流量过程之间的关系，描述流域产流与汇流计算的常用方法与数学模型。水资源工程水文学12（3）水文分析计算：揭示水文现象的成因规律与统计规律，研究水文要素与地理因素之间的联系及时空分布特性，论述各种资料条件下预估未来水文情势的方法和途径。（4）水文预报：重点研究洪峰流量、洪水位及洪水过程的短期预报方法。13水文学§1.1水文学-§1.1.3工程水文学【例1-1】：1998年长江特大洪水防洪中，曾几次运用洪水预报，及时指导清江水库调度，实现清江洪水与三峡洪水错峰，避免了荆江分洪区分洪。水资源工程水文学14水文学§1.1水文学-§1.1.3工程水文学【例1-2】：长江三峡工程规划设计中的工程水文学问题。设计年径流预测（以确定正常高水位、枯季最低水位、装机容量、平均年发电量等）：平均年径流量；径流年际变化；径流年内变化。设计洪水预测（以确定校核洪水位、设计洪水位、防洪限制水位、防洪库容、溢洪道尺寸等）：校核洪水（万年一遇）；设计洪水（千年一遇）。水资源工程水文学15流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法•内容提要流域及其降雨径流水文系统，水文现象的基本规律与研究方法•学习要求了解流域水文系统的基本概念，理解水文现象基本规律与计算方法水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法16流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法•1、流域:汇聚于一条河流的积水区域，包括地面的和地下的，如图1-4。水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法17流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法2、流域降雨径流水文系统流域输入：I(t)=降雨P(t)流域出口输出：径流Q(t)，蒸发E(t)流域使I(t)转化为Q(t)的变换函数：Ω{}则该系统表示为：Q(t)=Ω{I(t)}水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法18流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法3、水文系统基本规律成因规律（确定性规律）统计规律（随机性规律）水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法19流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法•成因规律（确定性规律）表示水文现象形成的内在因果关系，确定的成因和条件将对应于确定的结果。【例1-1】根据水量平衡原理，可得全球的多年平均降水量=全球的多年平均蒸发量。【例1-2】流域上一次暴雨过程→扣除相应的损失过程=净雨过程→流域汇流=流域出口相应的一次洪水过程。水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法20流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法•统计规律（随机性规律）样本容量很大时，随机变量趋向于一个稳定的分布，或相关变量表现为稳定的相关关系。如某流域的年最大洪峰流量频率曲线图1-5和相邻流域间年径流量相关图1-6。水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法21流域降雨径流水文系统§1.2工程水文学的研究方法4、水文系统的研究方法•成因分析法:根据水文变化的成因规律，定量分析水文现象与其影响因素之间的成因关系，由其影响因素预报水文情势的方法。如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。•数理统计法：根据水文现象的统计规律，对水文观测资料统计分析，进行水文情势概率预测的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算等。•地理综合法：根据水文现象所具有的地区性和地带性分布特征，综合气候、地质地貌、土壤、植被等自然地理要素，分析水文要素的地理分布规律，利用已有水文资料建立地区经验公式，绘制水文特征等值线图。水文现象变化的基本规律水文研究的基本方法22§1.3水文学的发展•内容提要水文学发展的各个阶段与特点•学习要求一般了解即可23§1.3水文学的发展水文学的发展，就是随着社会经济发展和水利工程发展的需要，从萌芽到成熟、由经验到理论逐步发展起来的。今后的发展仍将遵循这一规律更快地向前发展，以满足社会继续发展的需求。水文学的发展，大体可分为以下几个阶段：萌芽时期（1400年以前）奠基时期（1400～1900年）应用水文学的形成（1900～1950年）现代水文学时期（1950年后）24§1.3水文学的发展•一、萌芽时期（1400年以前）这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如2000年前建成的都江堰，至今仍在发挥巨大作用，其中就体现着成功的水文知识；又如527年的《水经注》，是早于欧洲1000多年的水文地理巨著；公元前239年的《吕氏春秋》最先提出水文循环的概念。25§1.3水文学的发展•二、奠基时期（1400～1900年）该时期，西欧的文艺复兴和产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。26§1.3水文学的发展•三、应用水文学的形成（1900～1950年）进入20世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。1900年的美国J.A.塞登提出著名的塞登定律、1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法、1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法，1924年H.A.福斯特完整地建立了P-Ⅲ水文频率曲线计算方法等等，这一时期我国则比较落后。27§1.3水文学的发展•四、现代水文学时期（1950年后）随着计算机、空间信息技术等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。28内容总结•研究对象：自然界中水体变化基本规律与计算方法。•研究内容：水文学与工程水文学，水资源，水文变化基本规律与计算方法。•研究目的：了解水文学与工程水文学的意义、主要内容及作用，理解水文变化基本规律及基本研究方法。