90工程水文与水利计算

水文与水利水电规划主讲：刘艳芳华北水利水电学院水利职业学院水力学教研组目录第一章绪论第二章水分循环与水文资料收集整理第三章水文统计第四章径流计算第五章设计洪水第六章水库防洪调节计算第七章兴利调节第一章绪论§1-1水资源及其开发利用§1-2水文现象及其研究方法§1-5本课程在水资源开发利用工程中的应用第一章绪论§1-1水资源及其开发利用一、水资源的含义水资源是人类赖以生存、社会经济得以发展的重要物质资源。广义的水资源，指自然界所有的以气态、固态和液态等各种形式存在的天然水。自然界的天然水体海洋河流湖泊沼泽土壤水地下水冰川水大气水水圈太阳的辐射能气态水地表水地下水降水蒸发下渗径流水循环水循环的形成水作为资源，应具有价值和使用价值，同时，满足社会需水“质”和“量”两个方面的要求。因此，水资源是指地坏上目前和近期可供人类直接或间接取用的水。目前所讲的水资源多半是一种狭义的概念，是指水循环周期内可以恢复再生的、能为一般生态和人类直接利用的动态淡水资源。这部分资源由大气降水补给，由江河湖泊、地表径流和逐年可恢复的浅层地下水组成，并受水循环过程支配。二、水资源的分类为了适应各用水部门以及社会经济各方面的需要，常常将水资源进行分类。水资源的分类有以下几种。1.地表水资源和地下水资源在水资源总量的计算中，往往将水资源按形成条件分为地表水资源和地下水资源，它们共同接受大气降水的补给并相互转化和影响。2.天然水资源和调节水资源在水资源的供需分析中，往往将水资源按工程措施分为天然水资源和调节水资源，后者是指天然水资源中通过工程措施被控制利用的部分。3.消耗性水资源和非消耗性水资源按用水部门的用水情况，将水资源分为消耗性水资源和非消耗性水资源两类。如航运、发电用水并不消耗水资源，是非消耗性水资源；灌溉、给水都消耗水量，是消耗性水资源。三、水资源的特点水资源的基本特点表现为：水资源本身的水文和气象本质，既有一定的因果性、周期性，又带有一定的随机性；水资源本身的二重性，既能给人类带来灾难，又可为人类所利用以有益于人类。1.循环性水资源与其它固体资源的本质区别在于其所具有的流动性，它是在循环中形成的一种动态资源。2.有限性在一定时间、空间范围内，大气降水对水资源的补给量是有限的，这就决定了区域水资源的有限性。3.分布的不均匀性在一定时间、空间范围内，大气降水对水资源的补给量是有限的，这就决定了区域水资源的有限性。4.因果性和随机性水资源主要来源于大气降水和溶雪水，所以说水资源的循环运移是有因果关系的。由于大气降水和溶雪水在时空上存在着随机性，有着因果关系的水资源在循环运移过程中也具有随机性。5.用途的广泛性水资源是被人类在生产和生活中广泛利用的资源，不仅广泛应用于农业、工业和生活，还用于发电、水运、水产、旅游和环境改造等。6.不可替代性水是一切生命之源。7.利害的两重性水量过多容易造成洪水泛滥、内涝渍水；水量过少容易形成干旱等自然灾害。正是水资源的这种双重性质，在水资源的开发利用过程中尤其应强调合理利用、有序开发，以达到兴利除害的目的。8.水量相互转化的特性水量转化包括液态、固态水的汽化，水汽凝结降水的反复过程；地表水、土壤水、地下水的相互转化；各种自成体系但边界为非封闭的水体在重力、分子力的作用下，发生的渗流、越流，使这些水体之间相互转化。§1－2水文现象及其研究方法一、水文现象及其特点水文现象属于自然现象的一种，是由自然界中各种水体的循环变化所形成的。它和其它自然现象一样，是许许多多复杂影响因素综合作用的结果。概括起来水文现象的特点有以下4个方面。1.确定性水文现象的确定性是指由于确定性因素的影响使其具有的必然性。水文现象都有其客观发生的原因和具体形成条件，它是服从确定性规律的。2.随机性水文现象的随机性也称偶然性，是指水文现象由于受各种因素的影响在时程上和数量上的不确定性。3.地区性水文现象的地区性是指水文现象在时空上的变化规律的相似性。4.模糊性水文现象的模糊性是指水文现象的差异，在中介过渡时所呈现的“亦此亦彼”性。水文现象的这些特点并不是相互独立的、割裂的，而是交织在一起的，只不过在某些条件下它们表现的强弱不同而已。二、水文学的研究方法根据水文现象的特点，水文学的研究方法可分为以下4类。1.成因分析法由于水文现象与其影响因素之间存在确定性关系，因此可通过对观测资料与实验资料的分析，建立某一水文现象与其影响因素之间的定量关系。这样，就可根据当前影响因素的状况，预测未来的水文现象。这种利用水文现象的确定性规律来解决水文问题的方法，称为成因分析法。2.数理统计法根据水文现象的随机性，以概率论为基础，运用数理统计方法，可以求取长期水文特征值（如年径流量、年最大洪峰流量等）系列的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的设计水文特征值。数理统计方法是目前水文分析计算的主要方法。3.地理综合法根据水文现象的地区性特点，气候和地理因素相似地区水文要素（如多年平均年径流量、多年平均年陆面蒸发量等）的分布也应有一定的地区分布规律。因此依据地区已有的水文资料进行分析计算，可找出水文要素的地区分布规律，并常以等值线图、地区经验公式的形式来表示。4.模糊分析法这种分析方法是综合运用成因分析、数理统计分析与模糊集分析相结合的新的分析方法称为模糊水文水资源学法。这种方法与传统水文学方法的主要区别在于：既考虑水文现象的必然性、随机性，又计及其在划分、识别与判决过程中的模糊性。目前这种方法还在发展。§1－3本课程在水资源开发利用工程中的应用一、水文学及工程水文学内容工程水文学是应用水文学的一个分支，它直接为水利水电工程和其它工程的规划、设计、施工和运行和运行管理等提供正确、合理的水文数据，以达到充分开发和利用水资源并发挥工程效益的目的。二、工程水文学在水利水电工程中的应用。1.规划设计阶段。2.施工阶段。3.管理运用阶段。三、水文现象的基本规律及工程水文的研究方法。水文现象具有不重复性，地区性和周期性等特点。1.不重复性是指水文现象无论什么时候都不会完全重复出现。2.地区性是表示水文现象随地区而异，每个地区都有自己的特殊性。3.周期性是指水文现象具有周期地循环变化的性质。根据水文现象的基本特点，工程水文学的研究途径，可归纳如下：1.成因分析2.数理统计3.地区综合第二章水分循环与水文资料收集整理§2-1水分循环§2-2河流与流域§2-3降水、蒸发与下渗§2-4径流与水量平衡原理§2-5水文测站及观测§2-6水文资料收集整理§2-7水文调查与水文资料的采集第二章水文循环与径流形成§2－1自然界的水文循环一、地球上的水分布整个地球上约有13.86亿km3的水，其中海水约占96.5%，陆地上水仅占3.5%，其中地表水和地下水各占1/2。二、水文循环的概念地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大地和生物机体中，这些水体构成了地球的水圈。水圈中的各种水体在太阳辐射作用下，从海洋和陆地表面蒸腾到空中，气流运行，在一定条件下，水汽凝结并以降水形式落回地面，降水的一部分通过地面入渗形成地下水，一部分形成地面径流并通过江河流回海洋，一部分又重新蒸发到空中。上述水分不断转移交替的现象称为水文循环。如图所示。三、水文循环的分类水文循环可分为大循环和小循环。从海洋表面蒸发的水汽，被气流输送到大陆上空，冷凝成降水后落到陆面。除其中一部分重新蒸发又回到空中外，大部分则从地面和地下汇入河流重返大海，这种海陆间的水分交换过程称为大循环。海洋表面蒸发的水分，在海洋上空凝结直接降落到海洋上，陆地上的部分水蒸发成水汽冷凝后又降落到陆地上，这种局部的水文循环称为小循环。前者称为海洋小循环，后者称为内陆小循环。内陆小循环对内陆地区降水有着重要作用。水循环是最重要、最活跃的物质循环之一，与为类有密切的关系，水循环使得人类生产和生活不可缺少的水资源具有再生性。水循环的途径及循环的强弱，决定了水资源的地区分布及时程变化。§2－2河流与流域一、河流及其特征（一）河流河流是水循环的一个重要环节，地表水沿天然槽道沟谷运动形成的水体称为河流，由流动的水体和容纳水流的河槽两个要素构成。汇入干流的河流称为一级支流，汇入一级支流的河流称为二级支流；其余依此类推。河流的自然功能1.河流的形成和发展在地球的演变历程中，出现过多次陆地板块的分离和碰撞，相应发生过多次的陆海变迁。在不同地质年代的河流，各有其形成、发育、衰退和消亡的过程。不同地区的自然环境塑造了不同特性的河流，同时，河流的活动也不断改变着与河流有关的自然环境。2.河流的自然功能河流是地球演化过程中的产物，也是地球深化过程中的一个活跃因素，它的自然功能是地球环境系统不可或缺的。因此，河流的自然功能在总体意义上就是它的环境功能。可从以下三个方面进行研究分析：(1)河流的水文功能河流是全球水文循环过程中液态水在陆地表面流动的主要通道。(2)河流的地质功能河流是塑造全球地形地貌的一个重要因素。(3)河流的生态功能河流是形成和支持地球上许多生态系统的重要因素。3.河流的基本特性及发展规律由上可见，河流具有多方面的自然功能，其中最基本的是水文方面的功能。从一定意义上说，水文方面的功能决定了其他方面的功能，水文方面的特性决定了其他方面的特性。河流的水文特性决定于所在流域的气候特征以及地形地貌和地质特征。4.人类活动和河流演变的相互影响人类的种种改造都不同程度地改变了河流天然的水文律情，干扰它的自然功能。河流是一个巨大的系统，具有较强的抵御干扰的能力，但如果干扰超过它的自我调节和自我修复能力，其自然功能也将不可逆转地逐渐退化，最终将影响甚至威胁人的自下而上和发展。干流、支流和流域内的湖泊、沼泽彼此相连构成一个泄水系统，称为河系，又叫水系或河网。根据干支流的分布形态不同，河系的几何形态可分为以下几种：扇形水系羽形水系平衡水系混合水系不同的河系会产生不同的水情。水系结构型式（二）河流的特征1.河流的纵横断面河流某处垂直于水流方向的断面称为横断面，又称过水断面。当水流涨落变化时，过水断面的开关和面积也随之变化。河槽横断面有单式断面和复式断面两种基本形状。洪水位洪水位枯水位枯水位河槽横断面图L1L2L3LnL…Zn-1…Z2Z1Z0河槽纵断面Zn2.河流长度由河源至河口沿中泓线量计的平面曲线长度称为河流长度，简称河长。3.河道纵比降河段两端的河底高程之差称为河床落差，河源与河口的河底高程之差为河床总落差。单位河长的落差称为河道的纵比降。河流的比降按下式计算。式中Zn——自出口断面起，向上沿干流底部各黑白点的高程，m；Ln——干流底部各黑白点间的距离，m；——河道全长，km;——河道平均纵比降。2.2.2流域及其特征（一）流域、分水线河流某一断面来水的集水区域，即该断面（称流域出口断面）以上地面、地下分水线包围的区域，称为流域。流域的边界通常是山脊或高地岭脊的连线，它起着分水作用，故称为分水线。分水线有地面分水线和地下分水线之分，地面分水线包围的区域为地面集水区，地下分水线包围的区域为地下集水区。在垂直方向上地面、地下分水线生命的流域称为闭合流域；而非闭合流域则为地面地下分水线不重合的流域，如图所示：乙甲地面分水线地下分水线不透水层地面与地下分水线示意图河流分段河流一般分为河源、上游、中游、下游、河口5段。河源上游中游下游河口黄河分段示意图（二）流域的基本特征1.流域的一般特征（1）流域面积F。在实际工作中，由于地下分水线难以确定，常以地面分水线包围的面积为集水面积，也称流域面积，以km2计。（2）流域长度L。是指从流域出口到流域最远点的流域轴线长度，以km计。（3）流域平均宽度B。是指流域面积与流域长度的比值，B＝F/L，以km计。（4）流域形状系数K。是指流域平均宽度与流域长度的比值K＝B/L＝F/L2。K是一个无因次系数。当K近似等于1时，流域形状接近方形，则水流易于集中；当K小于1时，流域形状则为狭长形，水流难以集中；当K大于1时，流域形状则为扁形，水流也易于集中。（5）流域平均高度H（m）与平均坡度J。将流域划分成100以上的正方