工程水文学第一章绪论课件(1)

工程水文学EngineeringHydrology主讲：刘新侠电话：[phone]工程水文学是针对涉水工程的性质与需要，将水文学的基本理论和方法应用于工程设计、建设与管理的一门技术学科。本门课共32学时，每周2次课，共8周课。考查课，平时成绩30%，卷面成绩70%。第一章绪论§1—1地球上的水§1—2工程水文学的任务及内容§1—3工程水文学的研究方法§1—1地球上的水水是由氢、氧两种元素组成的一种无机物，在常温常压下位无色无味的透明液体。化学分子式：H2O。地球表面约有70%以上面积被海洋覆盖。海洋水量占总水量的96.54%。见P1，表1-1.一、水循环二、水资源三、水灾害水体：以一定形态存在于自然界一定空间的水的总体。大气水、地表水、地下水、生物水固、液、气大气、地表、地下、生物海洋、湖泊、水库、冰川、河流、湿地、沼泽等一、水循环水圈地球上各种水体通过这种不断的蒸发、水汽输送、冷凝降落、下渗、形成径流的往复循环的过程成为水循环二、水资源1、水资源的含义（1）广义：指水圈内所有的水。（2）狭义：指可供人们经常取用的，在一定时间内能够得到恢复和更新的淡水量。通常指陆地水，又称陆地水资源，简称水资源。资料在地球为人类提供的“大水缸”里，可以饮用的水实际上只有一汤匙。地球有70.8％的面积为水所覆盖，但其中97.5％的水是咸水，无法饮用。在余下的2.5％的淡水中，有87％是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪。人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅约占地球总水量的0.26％。即使如此，总体而言，世界上是不缺水的。但是，世界上淡水资源分布极不均匀，约65％的水资源集中在不到10个国家，而约占世界人口总数40％的80个国家和地区却严重缺水。人类使用水资源的方式以及污染更加剧了水资源的紧张形势。上个世纪90年代中期以来，全世界每年约有5000亿m3污水排入江河湖海，造成35.5亿m3以上的水体受到污染。世界淡水资源总量为466666.6667亿m3，我国淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300m3，仅为世界平均水平的1／4，美国的1／5，在世界上名列121位。我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿m3左右，人均可利用水资源量约为900m3，并且其分布极不均衡，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。二、水资源2、我国水资源的特点和问题（1）人均、亩均占有量低我国水资源总量不算少，但人均占有河川径流量约为2327m3左右，只相当于世界人均占有量的1/4，每亩耕地平均占有河川径流量相当于世界亩均水量的2/3左右，被列为13个贫水国之一。我国多年平均降水量为648mm，低于全球陆面降水量800mm，也低于亚洲的740mm。平均河川径流总量为27115亿m3，折合径流深为284mm，居世界第六位。2、我国水资源的特点和问题（2）地区分布上很不均匀，水土资源组合又不平衡我国降水量和径流量的地区分布极不均匀，总的趋势是由东南沿海向西北内陆递减。南方：水多、人多、地少；北方：地多、人多、水少。2、我国水资源的特点和问题（3）年内、年际变化大，水旱灾害频繁据统计，全国大部分地区连续最大四个月降水量占全年70％左右，年降水量的最大与最小比值，在南方为2～4倍，在北方为3～6倍。年径流量的最大与最小的比值，在长江、珠江、松花江为2～3倍，黄河为4倍。而且年际间还存在着连丰、连枯的现象，如黄河1922年～1932年连续11年的平均年径流量比正常年少30％，松花江在近90年中出现过连续11年和连续13年的枯、丰水年组。2、我国水资源的特点和问题（4）水土流失严重，许多河流含沙量大我国森林覆盖率只有18.21％，居世界（世界森林覆盖率为27％）第130位，水土流失严重。据统计，目前我国水土流失面积约为356万km2，占国土面积的37.1％左右，每年流失泥沙50亿t。黄河三、水灾害•由于天然来水时空分布不均，不能满足人们正常生活和发展的要求，会造成洪水和干旱等自然灾害。•另一方面，人类对水资源的过度开发和利用，尤其是对水生态环境的不利影响，会进一步加剧水灾害的程度，甚至造成新的水灾害，使水环境恶化。牧场遭遇平原融雪型洪水灾害赣州是信丰县暴雨洪水灾害美国密西西比河大洪水天水市干旱灾害内蒙古农田草原干旱水环境恶化§1—2工程水文学及其任务一、工程水文学的任务每一项水利工程在其实施过程中，都可以划分为规划设计、施工、管理运营三个阶段。1、在规划设计阶段主要是为确定工程规模提供来水、设计年径流、设计洪水等水文数据。•2、施工阶段为了确定临时性水工建筑物（如施工围堰、导流隧洞、导流渠）的规模提供施工期设计洪水。•3、管理运营阶段在此阶段，需要知道面临时期的来水情况，以便编制水量调度方案，合理调度，充分发挥工程效益。因此，在这一阶段，水文预报工作十分重要。二、工程水文学的内容1、水文信息采集与处理（水文测验）2、降雨径流关系分析3、水文分析与计算4、水文预报每周2次课，共8周课，32学时。§1—3工程水文学的研究方法一、水文现象的基本特性自然界的水文现象极其复杂，其发生发展与气象因素、地质地貌植被等下垫面因素及人类活动有关。我们把影响水文现象的因素按其影响作用分为必然性因素和偶然性因素两类。其中，必然性因素起主导作用，决定着水文现象发生发展的趋势和方向；而偶然性因素起次要作用，对水文现象的发展过程起着促进和延缓作用，使发展的确定趋势出现这样或那样的振荡、偏离。在水文学中通常称必然性为确定性，称偶然性为随机性。经过人们对水文现象的长期观察、观测、分析和研究，发现水文现象具有以下三种基本特性：周期性、随机性和地区性。二、工程水文学的基本研究方法•成因分析法——确定性根据水文现象所具有的确定性特点，通过对实测资料或试验资料的分析，建立某一水文现象的特征值与其主要影响因素之间的定量关系，由其影响因素预报、预测未来水文情势的方法。如降雨径流预报法、河流洪水演算法、水位流量关系等。这种方法在水文预报上应用较多，但是，由于水文现象的影响因素非常复杂，使其在应用上受到一定的限制，目前并不能完全满足实际的需要。02004006008001000Annualrunoff(mm)8001000120014001600Annualrainfall降雨~径流关系水位~流量关系曲线（2）工程水文学的基本研究方法•数理统计法——随机性根据水文现象所具有的随机性特点，运用概率论和数理统计的方法，分析水文特征值的统计规律，对未来水文情势做出概率预估，为工程规划设计和施工提供设计水文依据。数理统计法是目前水文分析计算的主要方法。，不过这种方法只注重于水文现象的随机性特点，所得出的统计规律并不能揭示水文现象的本质和内在联系。100030005000700090001100013000150001700019000P(%)Qm(m3/s)0.010.10.515102030405060708090959999.999.99（2）工程水文学的基本研究方法•地区综合法——地区性根据水文现象的地区性特点，气候和地理因素相似的地区，水文要素的分布也有一定的地区分布规律。依据本地区已有的水文资料进行分析计算，揭示水文现象某些水文特征值的地区分布规律，并以经验公式或等值线图形式表示，用于推求观测资料短缺或缺乏地区的水文特征值。洪峰流量地区经验公式：nppFCQ（2）工程水文学的基本研究方法注意：水文计算常常是三种方法综合使用，互为补充。例如由暴雨资料推求设计洪水，就是先由数理统计法求设计暴雨，再按成因分析法将设计暴雨转化为设计洪水，其中的成果合理性分析用到地区性规律。水文分析计算原则：多种方法，综合分析，合理选定。§1—4水文学的发展及展望•内容提要：水文学发展的各个阶段及特点•学习要求：一般了解即可。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）中国的都江堰（2000年以前建成），至今仍在发挥巨大的效益；《吕氏春秋》最先提出水文循环，至今尚为世界学术界所称道。在萌芽时期，中国的水文知识居于世界领先地位。二、奠基时期（1400～1900年）1424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。1790年法国R.活尔特曼发明了转子式流速仪。继而旋桨式、旋杯式流速仪被发明，流速仪的发明为水文定量观测和水文科学提供了有力的工具。这一时期中国水文科学进展比较缓慢。三、应用水文学的发展（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。这一时期，中国从西方引进了新的水文科学，从事于江河水文学的研究。四、水文学的现代特色与发展（1950年以后）•50年代，随着电子计算技术的发展，出现了许多水文数学模型，为水文科学的进一步发展开创了新途径。•70年代中期开展的国际水文合作，兴起了全球性的水文科学研究和国际水文十年、世界气象组织的业务水文计划、联合国教科文组织国际水文计划等。广泛的国际合作，促进了全球水文、水资源知识的交流，推动了水文科学的发展。发展方向：(1)研究领域向为水资源开发利用提供科学依据的方向发展。(2)大规模人类活动对水文循环，对地球环境正在产生多方面的影响。研究和评价这种影响，指导人们在开发水资源时注意保护人类生存环境。环境水文学正在形成。(3)现代科学技术，如核技术、遥感技术、通信技术、计算机技术、随机过程的理论与方法、系统分析的理论与方法等，正在渗入水文学各领域，使传统水文学方法出现突破性的进展。(4)研究领域不断扩大，水文学和地球科学中其他学科间的空隙逐渐得到填补，交叉学科正在蓬勃兴起。