工程水文学-

工程水文学第一章绪论第二章水文基础知识第三章水文资料的收集第四章水文统计第五章设计年径流分析计算第六章小流域设计洪水计算第七章径流调节计算2021/3/231第一章绪论第一章绪论1.1我国的水资源概况1.2工程水文学的研究对象及其作用1.3水文现象的特点与水文学的研究方法2021/3/232第一章绪论→1.1我国的水资源概况1/6一、世界水资源存在形式及比例地球的总储水量约1386×10^7亿立方米，其中海洋水为1338×10^7亿立方米，约占全球总水量的97%。人类主要利用的淡水约35×10^7亿立方米，在全球总储水量中只占2.5%。2021/3/233广义的水资源：指人类在一定的技术经济条件下能够直接或间接使用的地球上的各种水体。包括海洋、地下水、冰川、河流等各种水体的总称（气态，液态，固态）狭义的水资源：指人类在一定的技术经济条件下能够直接使用的淡水。4第一章绪论→1.1我国的水资源概况2/6地下海洋冰川沼泽湖泊山河大气自然界中的水2021/3/235冰川：6湖泊：7大气：8沼泽：9沼泽：10地下：贵州安顺地下暗河11地下：趵突泉12山河：长江13山河：黄河入海口2021/3/2314二、我国水资源总量1、地表水资源量年平均径流总量：27115亿立方米，折合年平均径流深284mm；近20年统计最高年份与最低年份径流相差25%以上。年平均入海量17243亿立方米，约占全国河川径流总量的63%，呈逐年减少之势。我国有许多国际河流，年出境水量为6057亿立方米，占全国总量的27%；流进境内水资源量为172亿立方米。15水资源总量2.8万亿m30.1万亿m32.7万亿m3河川径流地下水16三、我国水资源特点1、水资源总量较丰富，人均拥有水量少。项目现状总径流量世界第六；占全球径流总量的5.8％每公顷耕地占有径流量世界平均值的80％平均每人每年占有量不足世界平均值的1/4172、水资源时空分布极不均匀面积水量长江流域36.5％80.9％北方内陆63.5％4.6％1819连续最大四个月降水量占年降水量百分数连续最大四个月降水量占年降水量70％以上地区年内年际分配不匀，旱涝灾害频繁。203、水资源与人口、耕地、矿产资源分布不匹配北方南方人口2/53/5耕地3/52/5矿产59％41％水资源1/54/521全国660个城市中，有近400个城市缺水，全国城市年缺水量为60亿立方米左右。全国有山西、重庆、天津、陕西、河南、贵州、四川、北京、山东等9个省（直辖市）人均用水量小于300立方米；其中山西、重庆、天津不足200立方米。222324水文学(Hydrology)是一门研究水在自然界中运行、变化和分布规律的科学。第一章绪论→1.2工程水文学的研究对象及其作用1/2水文学水文气象学水文地质学地表水文学海洋水文学陆地水文学河川水文学冰川水文学湖泊水文学沼泽水文学2021/3/2325应用于实际工程的水文学称为工程水文学，包括有关控制或利用河川和海洋资源所建造的工程，其规划、设计、施工与运行管理所需要的水文学的知识。整理分析掌握收集观测主要任务内容包括：水文现象变化规律水文资料的测验和收集方法水文资料的整理、分析、统计和计算方法应用于实际工程的水文学称为工程水文学2/22021/3/2326我国的河川和海洋都蕴藏着丰富的资源，有待于我们去综合开发和利用。所有的这些水资源的开发利用，都需要我们进行相应的工程建设，工程水文学是我们利用地球丰富资源的基础。水资源水能资源淡水养殖航运河川资源海洋运输港口航道渔业石油天然气海洋资源2021/3/2327大运河长江三峡28三峡水库世界最大水利枢纽中国长江三峡水库大坝二00三年六月一日上午下闸蓄水成功。十五天后，三峡库区水位将达到135米高程。2009年8月29日，长江三峡三期工程枢纽工程达到正常蓄水（175米水位）。正常蓄水（175米水位）验收是三峡工程建设的重要里程碑，是三峡工程按照设计规模全面建成的重要标志。2021/3/2329成因法确定性规律偶然性规律区域性规律随机现象概率论和数理统计区域性方法第一章绪论→1.3水文现象的特点与水文学的研究方法1/12021/3/2330第二章水文基础知识2.1水循环与水量平衡2.2河流、流域与分水线2.3降水2.4蒸发与下渗2.5径流2.6径流的度量方法2021/3/2331定义：存在于地球上各种水体中的水，在太阳辐射与地心引力的作用下，以蒸发、降水、入渗和径流方式进行的往复交替的运动过程，称为水文循环或水循环分类：大循环－－海陆之间的水文循环小循环－－海洋或陆地局部的水文循环自然界水循环的意义：水的可更新性。水具有自身净化作用。水存在的形式多样性，分布的广泛性，时空变化的随机性，水资源的分配的巨大差异性。2.1水循环与水量平衡3/6水文循环2021/3/23322021/3/2333水量平衡原理：自然界中的水分不停的运动与循环只是其形态和存在场所的改变，既不会自消自灭又不会无中生有，就全球而言，水的数量保持着平衡。水量平衡陆地：多年降水量等于多年蒸发量与入海径流量之和海洋：多年蒸发量等于多年降水量与入海径流量之和陆地水量平衡：PL=EL+RL海洋水量平衡：Po+RL=EoPL、Po－－陆地、海洋的多年降水量EL、Eo－－陆地、海洋的多年蒸发量RL－－－－陆地多年入海径流量两式相加：PL+Po=EL+Eo2021/3/2334全球水平衡（数据来自JohnMbuguaetal,1995）352.2河流、流域与分水线1、河流的形成和分段河流——汇集地面径流和地下径流的水道河水流经的谷地称为河谷。河谷底部有水流的部分为河床。脉络相通的大小河流所构成的系统为水系（或河系）。2021/3/2336河源上游中游下游河口一般天然河流，按照河谷和河床的情况，冲淤程度，水情变化等特点，分为：2021/3/2337河源上游中游下游河口黄河分段示意图382、河流的基本特征河流比降河流长度河流断面河流的基本特征2021/3/2339河流长度——从河源到河口的距离。河流比降——单位长度河段的落差。lHlHHi//12i12,HHl——河底或水面比降。——河段上游端和下游端水面或河底的高程。——河段长度。H——水面或河底落差。6/102021/3/23403、山区与平原河流的一般特性山区河流流经地势高峻、地形复杂的山区。受水流不断的纵向切割和横向拓宽，河谷断面形成发育不完全的“V”字和“U”字形。2021/3/2341平原河流流经地势平坦的平原地区。河谷多为发育完全的河漫滩形态。8/102021/3/2342在平原河流主槽中，由于水流和河床的相互作用，往往形成各种淤积体。2021/3/23431/44、流域分水线与流域面积降水落到地面形成的径流，被高地、山岭分隔而汇集到不同的河流中，汇集水流的同一区域为某河流的流域。概括说就是河流的集水区域。分隔水流的高地、山岭的山脊线，就是相邻流域的分界线，称分水线（或分水岭）2021/3/2344地面分水线和地下分水线相重合的流域为闭合流域；地面与地下分水线不重合的流域叫做非闭合流域。流域的分水线和出口断面所包围的面积，称为流域面积，或称为集水面积（km2）2021/3/23455、流域特征几何特征自然地理特征2021/3/2346几何特征主要指流域面积和流域形状自然地理特征主要是流域的地理位置和地形4/42021/3/23472.3降水一、降水的基本概念从云雾中降落到地面的液态水或固态水，如雨、雪、霰、雹、露、霜等称为降水。降水是气象要素之一，也是自然界水循环和水量平衡的基本要素之一，降水量时空分布的变化规律直接影响河川径流情势，所以在水文水利计算中必须研究降水，特别是降雨。482.降水的分类按空气抬升形成动力冷却的原因可以把降水分为4种类型：降水对流雨地形雨气旋雨锋面雨温带气旋雨热带气旋雨冷锋雨暖锋雨强度大，范围小，历时短迎风面雨多，背风面雨少气旋前方：暖锋云系及连续性降雨气旋后方：狭窄的冷锋云系和降雨气旋中部：暖气团，层云或毛毛雨水汽充足，运动强烈，易带来狂风暴雨强度大，雨区范围较小强度小历时长，雨区范围大49（二）降雨的基本要素和表示方法1.降雨的基本要素降雨的性质和特征用以下几个基本要素表示。降雨量降雨历时、降雨时间降雨强度降雨面积501）降雨量x降雨量是指一定时段内降落在某一点或某一流域面积上的水层深度，以mm为单位。在表明降雨量时一定要指明时段，如次降雨量、日降雨量等。512）降雨历时和降雨时间降雨历时是指一次降雨自始至终所经历的实际时间；降雨时间是根据需要人为划分的时段，如1h、3h、6h、12h、24h、和1d、3d、5d等，用以计算各时段内的降雨量。降雨历时内的降雨是连续的；而降雨时间内的降雨可能是连续的，也可能是间歇的。523）降雨强度i降雨强度表示单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计，简称雨强。雨强大小反映了一次降雨的强弱程度，故常用雨强进行降雨分级，常见分级标准见下表：4）降雨面积指降雨笼罩的水平面积，以km2计。53＞200＞100特大暴雨100～20070～100大暴雨50～10030～70暴雨25～5015～30大雨10～255～15中雨＜100.2～5.0小雨24h降雨量12h降雨量等级降雨强度分级（mm）542.降雨资料的图示为了表示降雨在时间上的变化及空间上的分布，常用以下图示方法：–降雨过程线–降雨累积曲线–降雨量等值线图法551.降雨过程线降雨在时程上的分配可用降雨强度过程线表示。常以时段雨量为纵坐标，时段时序为横坐标，采用柱状图表示。0246810203040时段（Δt＝6h）时段降雨量（mm）降雨过程线562.降雨累积曲线降雨过程也可用降雨量累积曲线表示。此曲线横坐标为时间，纵坐标代表自降雨开始到各时刻降雨量的累积值，如图示：历时t（h）02420406080累计降雨量（mm）降雨累积曲线573.降雨量等值线图法降雨量等值线图是表示某一地区或流域的次降雨量或时段（如小时、天、月、年）降雨量地理分布的常用工具。它的具体做法是：在地形图上将各雨量站相同起讫时间内的时段雨量标注在相应的地理位置上，根据直线内插的原理，考虑地形对降雨的影响，勾绘出等值线。58（三）流域平均降雨量的计算流域内各站降雨量是不同的，分析流域降雨与径流关系时，需要由降雨量计算流域平均面雨量，根据流域内雨量资料，常用以下方法：591.算术平均法式中——某一指定时段的流域平均雨量，mm；——流域内的雨量站数；——流域内第站指定时段的雨量，mm。602.泰森多边形法式中——第站代表面积占流域面积的比值，称权重。该方法适用于雨量站分布不均匀、地形起伏比较大的流域，是生产实践中应用比较广泛的一种方法。f7f3f2f1f6f5f4泰森多边形613.等雨量线法式中——相邻两条等雨量线间的面积，km2；——相邻两条等雨量线降雨量的平均值，mm。x1x2x3x4x5f1f2f3f4等雨量线62§2－4蒸发与下渗一、蒸发蒸发是水文循环及水量平衡的基本要素之一，对径流有直接影响。蒸发过程是水由液态或固态转化为气态的过程，是水分子运动的结果。流域的蒸发分为以下几种：63（一）水面蒸发水面蒸发是指江、河、水库、湖泊和沼泽等地表水体水面上的蒸发现象。水面蒸发是最简单的蒸发方式，属于饱和蒸发。影响水面蒸发的主要原因是温度、湿度、风速和气压等气象条件。64水面蒸发常用蒸发器进行观测。换算关系为：式中——天然水面蒸发量，mm；——蒸发器实测蒸发量，mm；——蒸发器折算系数。65（二）土壤蒸发土壤蒸发比水面蒸发要复杂得多。湿润的土壤，其蒸发过程一般可以分为三个阶段。（三）植物散发土壤中的水分经植物根系吸收后，输送至叶面，再从叶面散发到大气中，称为植物散发。66（四）流域总蒸发流域总蒸发是流域内所有的水面、土壤以及植被蒸发与散发的总和。目前采用的方法是从全流域综合角度出发，用水量平衡原理来推算流域总蒸发量。式中——计算时段内的全流域平均蒸发量，mm；——计算时段内的全流域平均降水量，mm；——计算时段内的