《工程水文及水利计算》01第一章绪论

1-1第一章绪论第一节水文学一、水文学(一)地球上各种水体的数量与分布水体：大气中的水汽,地面上的江河、湖沼、海洋和地下水等,统称为水体。水文学(Hydrology)研究各种水体的存在、循环和分布,物理与化学特性,以及水体对环境的影响和作用,包括对生物特别是对人类的影响。地球上各种水体的数量和分布如表1-1所示。(二)全球的水储量1-2某一时刻储存于地球表面(5·1亿km2)上的水量,约为13·68亿km3(1km3=10亿m3)。其中分布在海洋的水量约为1338亿k时,占总水量的96.5%,陆地上的水量约为0·48亿km3,占总水量的3·5%。而陆地水中有1·7%存在于极地冰雪,1·7%存在于地下水中,仅有0·1%存在于地面和大气中。其中大气水量很小〈仅1290Okm3〉,但地球上的水分循环不已，每年通过大气的水量是很大的,年循环达600000km3。地球上的水量平衡如表l-2所示(a代表年)。水体通过水循环得到更新,更新所需时间tr,可由式(1-1)计算:tr=s/q(1-1)1-3式中,s为水体的储量,q为流量。【例1-1】大气中的水量s为12900km3(见表1-1),流量q(年降水量为：陆地458000+海洋119000=57700Okm3/a,见表1-2)。tr=12900/577000=0.022a=8.2d二、水资源(WaterResources)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。有效水资源：对人类最为实用的水资源,是陆地上每年可以更新的降水量、江河流水量和浅层地下水的淡水量。降水可以直接为人类利用,同时,它又是江河径流和浅层地下淡水的来源。全球陆地上多年平均年阵水量为800mm,中国为628mm(在整个国土上平均每年的降水量为6·0万亿m3),比全世界平均少22%。江河径流是人类最重要和最经常利用的水资源。人类可从江河引水,供城市、工矿、农业灌溉利用。在全球46·8万亿m3的江河年径流量中,中国占2·72万亿m3,折合水深284mm。我国水资源量与世界各国比较,仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国及印尼,居世界第六位。但因为人口众多,人均占有2400m3,只有世界人均占有量的1/4,排在世界百位以后。耕地平均分摊水量只有世界平均数的3/4。中国降水量的地区分布也很不均匀：南部和东南沿海平均年降水量大于1600mm。台湾省的平均年降水量为2540mm,是全国最湿润地区。华北和东北年降水量为400~800mm。西北的大部地区,只有200~400mm,1-4一些沙漠边缘地区少于100mm,新疆塔里木盆地和青海柴达木盆地平均年降水量小于25mm,是全国最干旱的地区。中国境内江河年径流深的分布趋势,大致与年降水量分布相似,自东南向西北逐渐递减。东南沿海年径流深大于900mm,而西北部的沙漠边缘年径流小于10mm。由于降水径流与耕地间的不相适应,造成我国水土资源不平衡,需要跨流域调度水资源。各地的降水量和江河径流量,在各年之间和年内各月之间都不均衡,这就使水资源利用困难,并造成洪涝和干旱灾害。水能资源,全球的理论蕴藏量为44·28万亿kw.h/a,其中技术上可开发的水能资源为19·39万亿KW·h/a。我国径流丰沛,地形有利,在可开发容量和可开发年发电量方面,均居世界第一位。根据1997~1998年全国水力资源普查成果:全国水能蕴藏量为6·67亿KW(包括台湾省为6·91亿KW),其中可开发的装机容量为3·78亿KW(包括台湾省为3·83亿KW)。我国大量的水能资源可以进行长期持续开发利用。三、工程水文学(EngineeringHydrology)及其任务从水文学的研究对象来看,水文学是地球物理科学的一部分。进入20世纪特别是第一次世界大战以后,大量兴起的防洪、灌溉、水电、航运工程、铁路、桥梁和农业、林业及城市建设,向水文科学提出工许多新课题。解决这些新课题的方法也由经验的、零碎的知识逐渐理论化和系统化,水文科学的应用特色也逐渐显现出来,并率先形成最重要的分支学科一一工程水文学。工程水文学包括水文计算、水利计算和水文预报等内容。由于天然来水过程与国民经济的需要不相适应,修建水利工程就是解决这一矛盾的技术措施。每一水利工程在其实施过程中,都可划分为规划设计、施工及管理运营三个阶段。1-5规划设计阶段,水文计算的主要任务是确定工程的规模。规模过大,造成工程投资上的浪费;过小,又使水资源不能充分利用,也是一种浪费。对于防洪措施如标准过低,还可能导致工程失事,造成工程本身和下游人民生命财产的巨大损失。在多沙河流兴建水利工程还需估算蓄水引水工程的泥沙淤积量,以便考虑延长工程寿命的措施。水利工程的使用期限一般为几十年甚至百年以上,规划设计时,必须知道控制水体在使用期间的水文情势。水文计算就是研究这类问题的学科。施工阶段,其任务即将规划设计的工程付诸实施。因而在施工期间必须对水文情势有所了解。水利工程工期一般较长,往往需要一个季度甚至长达几年。对水文情势的了解应包括两个方面:一是为了临时性建筑物如围堰、引水隧洞或渠道等,提供长期(如整个施工期之内)的水文预告（天然来水情势）,而通常的水文和气象预报,往往不能提供如此长期的预报,仍需通过水文计算来解决这个问题。另一方面,为了安排日常工作也必须了解近期更为确切的水情,这就需要提供短期(如几天之内)的水文预告。水文预报是为解决这一类问题服务的。管理运营阶段,其主要任务在于使建成的工程充分发挥作用。为此需要未来一定时期的水文情况,以便确定最经济合理的调度方案。此时需要由水文分析得到的长期平均情势结合水文预报的短期水情,从而提出最佳的调度运用方案。规划设计水利工程大体可分为两大环节：水文计算为第一个环节,其输入为基本水文气象资料,输出是当地可能出现的水文情势。水文计算的输出则是后继环节一一水利计算的输入;水利计算由当地的水文情势、自然情况和国民经济对水资源开发的需求,研究各种设计方案的经济效益,从中选出最优方案,如图1-1所示。1-6第二节工程水文学的研究方法水文现象异常复杂,不易完全了解。但通常可以借系统概念作简化处理。所谓系统,是由许多互相关联部分组成的总体。系统大的可以包括整个地球水循环,小的可以只涉及地球上的一个小部分(如流域)面积上的几个水文过程。[例1-2]试定出流域上的降雨径流水文系统。解如图1-2,流域是指汇集于一条河流的集水区域。分水岭是流域汇水的分界线。沿流域分水岭的界面在向上向下与顶面和底面包围成一个水文系统(图1-2)。1-7此系统可以降雨作为输入,河流出口的水流作为输出,蒸发也是输出,但降雨时蒸发甚小,可以不计。这是一个非常复杂的系统:降雨在流域面上随时随地发生变化,汇流过程中也不断发生时空变化。这样一个变化复杂的水文现象若以严格的物理数学方程来描述是不可能的？。实用上只能以联系输入与输出的模型来代表。水文系统模型的用途是由输入预测输出。模型的输入输出是可测量的水文变量。其中心结构是联系输入输出的方程式,设输入输出以时间函数I（t）和Q（t）表示,则系统由输入变换为输出的方程为式（1-2）:Q（t）=ΩI（t）(1-2)式中,Ω称为变换函数,它可以是代数式,也可以是微分方程式。水文系统是一种自然现象,存在两种基本规律:分布与动态物理规律(成因规律)和统计规律。工程水文学中的水文计算与水文预报都有预报性质的任务,但因预见期长短的不同而采用不同的方法。水文预报通常只能预报几天的来水情况,往往是根据现象的前一过程预报后一过程(未来)情况,此时必然性起主要作用,往往采用动态规律。例如可以由上游的洪水通过洪水的传播规律预报下游的未来情况。随着预见期的加长,所研究的水文现象影响因素更为复杂,此时必然性退居次要地位,偶然性显示其重要性,因此要求预见期较长的水文计算多采用统计方法进行概率预报。概率预报不同于实时预报,只能预报水文事件出现的概率,而不能预报该事件出现的时间。1-8在工程水文学应用中,这两种方法相辅相成,是不能截然分开的。第三节水文学的发展水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。一、萌芽时期(1400年以前)在一些古文明国家和地区,从历代古籍、文献、碑刻古迹和发掘的文物中,可以发现水文科学萌发的一系列史实:古埃及在公元前3500~300年因灌溉引水开始观测尼罗河水位,至今还保存有公元前2200年所刻水尺的崖壁。中国古代的一些水利工程如都江堰、灵渠等建成后能较长时期地发挥效益,都与运用水文知识有关,尤其是2000年前建成的都江堰,至今仍在发挥巨大的效益。中国西汉四年(公元4年)张戎最先提出的以水攻沙,对当时和后世治理黄河的影响甚大。中国的测雨可追溯到公元前11世纪以前的商代,甲骨文中有细雨、大雨和骤雨的分类。宋秦九韶在《数书九章》记有当时全国都有天池盆测雨量及测雪量的计算方法。北魏邮道元的《水经注》(公元527年)记述干支河流达1252条之多,比欧洲同类水平的著作约早1000年,是一部水文地理巨著。《吕氏春秋》(公元前239年)完整地提出了水循环概念云气西行云云然,冬夏不辍;水泉东流,日夜不休;上不竭,下不满,小为大,重为轻,圈道也。《吕氏春秋》最先提出水文循环,至今尚为世界学术界所称道。总的说来,这一时期中国的水文知识居于世界领先地位。二、奠基时期(1400~1900年)14~16世纪欧洲文艺复兴和18~19世纪工业革命给自然科学的发展以很大影响。此时期水文方面雨量器、蒸发器和流速仪等一系列观测仪器的发明,为水文现象的实地观测、定量研究和科学实验提供了必要的条件。水文循环在观测和实验基础上得到验证,水文现象由概念描述深入到定量表达,为水文科学的建立奠定基础。这一时期,水文学首先在西欧发展,后在北美兴起,并应用于实际。1-91424年中国开始全国统一制作和使用标准测雨器。1610年意大利B.卡斯泰利提出流量测量方法。英国雷恩发明自记雨量计。l790年法国R.活尔特曼发明了转子式流速仪。1870年美国T.G.埃利斯发明了旋桨式流速仪。1885年美国W.G.普赖斯发明了旋杯式流速仪,为水文定量观测和水文科学提供了有力的工具。在欧洲,由于实测水文资料增加和许多实验研究,揭示了一系列水文基本规律。在中国徐霞客经过28年的野外考察,他的游记关于岩溶地貌和水文地理的记述,早于国外同类著作近300年。18~19世纪西欧产业革命促进城市、交通和工业发展,大量的水利建设要求解决各种设计中的水力计算问题,使水力学理论得到较大进步,由此又为一些水文规律的理论研究提供了有力的工具。水文学基本理论和方法逐步完善,使水文计算和水文预报水平得到提高,在工程建设中和防洪中的效果日益显著,从而形成以水文计算和水文预报为主的新分支学科一一应用水文学。但在这一时期总的说来,中国水文科学进展则比较缓慢。三、应用水文学的兴起(1900~1950年)进入20世纪,特别是经过两次世界大战的破坏后,各国都致力于经济恢复和发展,迫切需要解决城市建设、动力开发、交通运输、工农业用水和防洪等水利工程中的一系列水文问题,促进了水文科学的迅速发展。此时期水文站网扩大,实测资料积累丰富,为水文分析研究提供了前所未有的条件,应用水文学取得了许多新进展。美国在这一时期取得的成果较多,处于领先地位。1900年美国J.A.塞登提出了著名的塞登定律,为天然河道洪水演进提供了理论。1935年，霍顿就提出产流理论或产流机制：降雨径流的产生受控于两个条件：降雨强度超过地面下渗能力；包气带的土壤含水量超过田间持水量。1-101935年美国的G.T.麦卡锡提出的马斯京根方法简化了河道的洪水演进计算。为适应工程设计和防洪要求,水文计算和水文预报方面得出了许多新的概念和方法:1914年,黑曾首先用正态概率格纸选配流量频率曲线。1924年H.A.福斯特完整地提出了P-Ⅲ频率曲线的分析方法。W.韦伯尔提出了经验频率计算公式。这些学者把概率论和数理统计引进了水文学。1932年美国L.R.K.谢尔曼提出的单位过程线被誉为水文学进展的里程碑。1937年美国M.贝纳德和R.K.Jr.林斯雷等提