工程水文学复习.ppt

1、1、水文学和水资源学的定义及其两者之间的关系 2、工程水文学的定义以及与水文学的关系 3、水文学的基本规律 4、水文学的研究途径,第一章 绪论,水文学是指研究自然界中各种水体（大气中的水汽、地面上的江河、湖泊、海洋和地下水等）的存在、循环和分布，物理与化学性质，以及水体对环境的影响和作用，并根据其变化规律预测、预报各水文要素（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势。水资源是指地球表层可供人类利用的水，水资源包括水量、水质、水能资源和水域，可用年降水量和年径流量来定量描述。水资源是水文循环引起陆地上一定区域平均每年产生的淡水量 -降水量、径流量及其变化，这些可根据水文、水质观测资料通过水文学分析

2、计算推求，水资源评价（包括水环境质量）是由各级水文部门进行的。,1、水文学与水资源的关系,工程水文学是水文学的一个重要分支，随着水利水电工程建设的大规模开展，为满足工程规划设计、施工和运行管理的迫切需要，水文工作者针对提出的问题，进行大量的、深入的试验研究，使水文学发展到工程水文学阶段。工程水文学主要内容可以分为两个方面 水文分析计算：从统计的角度测算工程实施中和完成后很长时期内可能遇到的各种概率的水文现象的大小与过程。如预测长江三峡工程未来千年一遇的洪水有多大？主要为规划设计提供依据。 水文预报：预报指定地点或地区一定时期内（称预见期）水文现象的大小及变化过程。如预报某河流断面处从现在起以后

3、24h的水位有多高？主要为现场施工及工程管理提供水文依据。,2、工程水文学定义,1、成因规律（确定性规律）：表示水文现象形成的内在因果关系，确定性的成因和条件将对应于确定性的结果。 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 2、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和相邻流域间年径流量相关图。,3、水文学的基本规律,（1）成因分析法根据水文变化的成因规律，由其影响因素预报、 预测水文情势的方法。如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。 （2） 数理统

4、计法根据水文现象的统计规律，对水文观测资料统计分析，进行水文情势预测、预报的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算、地区经验公式等。水文计算常常是二种方法综合使用，相辅相成，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。,4、水文学的研究途径,1、自然界的水文循环、大循环、小循环2、各种水体的水量平衡方程3、河流及流域的几何特征4、降水概念及其基本要素5、流域平均雨量的计算6、土壤含水量和土壤水分常数7、下渗率和下渗能力概念8、蒸发量、蒸发率、水面蒸发、土壤蒸发9、径流的形成过程及径流的定量描述方法,第二章 水文循环与径流形成,1、自然界的水文

5、循环,自然界中的水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面（江、河、湖、海）、陆面（土壤、岩石）和植物的茎叶面，通过蒸发或散发，以水汽的形式进入大气圈，在适当的条件下形成降水。一部分降水通过地面渗透地下，成为土壤水，再经过蒸发和散发重新进入大气圈，或者形成地下水最终进入江河、海洋；一部分形成地面径流，最终汇入海洋。,大循环：从海洋蒸发的水汽，被 气流输送到大陆形成降水，其中 一部分以地面和地下径流的形式 从河流汇归海洋；另一部分重新 蒸发返回大气。这种海陆间的水 分交换过程称为大循环或外循环。小循环：海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上

6、，这种局部的水文循环称为小循环或内循环。海洋、内陆小循环。,水平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现，即,时段内进入系统的水量是系统“收入”的水量，时段内从系统输出的水量是系统“支出”的水量，时段内系统蓄水量的变化量是系统“库存”水量的变化，因此，水量平衡方程式实际上是系统的水量收支平衡关系式。,2、水量平衡原理,对流域而言，其水量平衡方程式写为,若该流域为闭合流域，假设用水量很小，则简化为,闭合流域多年水量平衡方程式为,流域水量平衡方程式,陆地和海洋年水量平衡方程式为,多年平均水量平衡方程式为,全球水量平衡方程式,河流基本特征 （1）河长L：自河源沿干流到流域出口流程长度 （2）河流横断面

7、：河流断面有横断面和纵断面。 （3）河流纵断面：河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线称为中泓线，沿中泓线的断面称为河流的纵断面。河流纵断面能反映河床的沿程变化。 （4）河道纵比降：任意河段两端（水面或河底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。常用的比降有水面比降和河底比降。,3、河流及流域的基本特征,水系、河流分级 水系（河系或河网）：流域中大大小小河流交汇形成的树枝或网状结构称为水系或河系，自然形成的多为树状结构，人工开挖的平原水系多为网状结构。,水系分叉：自然界的天然水系一般属于二分叉树的形状。“树枝”的端点为河源，源的总数是水系量级的度量。一个量级为N的二分叉水系，必有N个

8、源，N条外链和N-1条内链，链的总数为2N-1条。例如，水系的量级为12，河源12，内链12，外链11。,河流分级：为了对水系中大小不同的河流进行区别，需要对河流进行分级。20世纪以前，一般采用定性分为支流和干流。1914年后，采用序列命名法，即将水系中各条河流按一定的次序排列成序列，并以序号对序列中的河流加以命名。斯特拉勒河流分级法：如图中的各个河流按自上而下的顺序分为1级、2级。规定2条同级的河流汇合为高一级的河流，例如2条1级河流汇合后为2级；不同级的汇合时，则不增加汇合后的河流级别，如2级与1级汇合后仍为2级。,流域的几何特征流域面积：在地形图上绘出流域的分水线，用求积仪量出分水线 包

9、围的面积，即流域面积，km2。河网密度：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值，km/km2流域长度：从流域出口到流域最远点的流域轴线长度，km流域平均宽度：流域面积与流域长度之比，km流域形状系数：流域平均宽度与流域长度之比。扇形流域的形状系数 较大，狭长形流域则较小，反映流域的形状。流域平均高程与平均坡度：将流域地形图划分为100个以上的正方格，依次定出每个正方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡度，取其平均值即为流域的平均高度河平均坡度。,降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象，如雨、雪、霰（白色不透明的圆锥形或球形的颗粒固态降水，直径约2-5mm，下降时常显阵性，着硬

10、地常反弹，松脆易碎）、雹、露、霜等，其中以雨、雪为主，更以降雨为主，因此也常把降水混称为降雨。降水是水文循环中最活跃的因子。因此，降水现象是水文学和气象学共同研究的对象。我国大部分地区一年内降水以降雨为主。,4、降水及其基本要素,降雨量（深）：点降雨量和面降雨量降雨历时：次降雨历时降雨强度：时段平均降雨强度和瞬时降雨强度降雨面积暴雨中心：暴雨集中的较小的局部地区降雨级别：微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。,降水要素及其时空变化表示方法,等雨量线：将每个雨量站观测得到的同一时段的时段降雨量点绘在各自的测站位置上，然后按照降雨量相同的原则连成光滑线。,海南岛1962年8月10日一次降

11、雨（105个雨量站）,（26个雨量站）,等雨量线与站网密度相关,降雨强度与历时关系曲线：对一次降雨过程，统计计算其不同历时的最大时段平均降雨强度，然后点绘所得的曲线。,降雨深与面积关系曲线：在一定历时降雨量的等雨量线图上，从暴雨中心开始，分别计算每一条等雨量所包围的面积及该面积的平均降雨深。,降雨深与面积和历时关系曲线：如果分别对不同历时的等雨量线图点绘降雨深与面积关系曲线，可以得到一组以历时为参变数的降雨深与面积曲线。,雨量站观测的降雨量只代表那一点的降雨，而形成河川径流的则是整个流域上的降雨量，对此，可用流域平均雨量（或称面雨量）来反映。下面介绍4种常用的计算方法。 算术平均法：对流域内各

12、站同一时段的雨量进行算术平均。 式中: P为某一指定时段的流域平均雨量，mm；n为流域内的雨量站数；Pi为流域内第i站指定时段的雨量，mm。 算术平均法一般适用于雨量站均匀分布的情况。,5、流域平均雨量及降雨过程计算,泰森多边形法：该法假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的雨量为代表，因此需要采用一定的方法推求各站代表的在流域中距其最近的点的面积，这些站代表的面积图称泰森多边形。其作法是：先用直线（图中的虚线）就近连接各站为许多三角形，然后作各连线的垂直平分线，他们与流域分水线一起组成n个多边形，每个多边形的面积，就是其中的雨量站代表的面积。设第i站代表的面积为 , 雨量为Pi, 则该法计算流

13、域平均雨量的公式为,等雨量线法： 根据流域及附近的雨量站观测的同一时段的雨量值，参考地形影响，类似绘制地形等高线那样，画出如图的雨量等值线图，然后量出相邻等值线间的流域面积 ，即可按下式计算流域平均雨量 Pi为相邻的2条等值线数值的平均数,等雨量线图,距离平方倒数法：20世纪60年代由美国天气局提出的方法。该法将计算区域划分为许多网格，每隔网格均为一个矩形，网格的格点处的雨量用其周围临近的雨量站按照距离平方的倒数插值得到。,算术平均法最为简便，在区域面积不大，地形起伏较小，雨量站分布较为均匀的情况下，精度可以得到保证。 泰森多边形法也较为简单，精度一般较高但该法将各雨量站权重视为定值，而降雨空

14、间分布复杂多变。另外，不管雨量站之间的距离远近，呈现线性关系不符合。 等雨量线法在理论上比较完善，但要求雨量站网密度高，而且需要绘制等雨量线，计算量大。 距离平方倒数法改进了站与站之间必须满足线性关系的假定，便于计算机处理，可以插补出每个网格点上的雨量。,各种面平均雨量计算方法的特点,土壤含水量是指包气带土壤含水的多少，常用单位土壤体积内包含的水体体积、或包含的水体质量来表示。水文上还常用包气带土层的含水量折合为水深（）来表示，称土壤蓄水量。采用某些特征条件下的土壤含水量来反映它们的变化特性，这些特征土壤含水量称为土壤水分常数。,6、土壤含水量和水分常数,凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系的吸力

15、约为15个大气压，对于土粒吸附的吸力大于该值的水分，植物则无法利用。当土壤水分低于这时的含水量时，植物将缺水而凋萎死亡，该土壤含水量称为凋萎含水量。毛管断裂含水量：湿润的土壤逐渐干燥时，毛管悬着水的连续状态开始断裂，此时的土壤含水量称毛管断裂含水量。土壤含水量低于该值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸发面运移。田间持水量：土壤能够保持而不在重力作用下流走的最大含水量，称田间持水量。这时继续下渗的雨水，将补给潜水，形成地下径流。饱和含水量：土壤中的孔隙全部被水充满情况下的土壤含水量。,1、下渗：是指地面上的雨水从地表渗入土壤的运动过程。2、下渗曲线与下渗方程下渗的快慢以下渗率表示，单位

16、时间内渗入单位面积土壤中的水量为下渗率。充分供水条件下的下渗率为下渗能力。下渗曲线确切地说，应称下渗能力曲线，指地面充分供水条件下下渗率随时间的变化过程线。下渗曲线积分，得下渗累积曲线 Ft ，F 为从开始到时的下渗累积量，以计。,7、下渗,水面蒸发是指在自然条件下，水面的水分由液态转化为气态向大气扩散、运移的过程。单位时间蒸发的水深，称蒸发率或蒸发强度，以mm/d计。 水面蒸发观测资料较多，比较可靠，常是其他蒸发计算的基础。由于蒸发器的蒸发面积远较天然水体为小，其受热条件与大水体有显著的差异，所以，其数值不能直接作为大水体的水面蒸发值。将水面蒸发器的观测值E器转换为大水体的蒸发量E，计算式为

17、： E=KE器式中：K为蒸发器的折算系数，随水面蒸发器类型和季节变化，可在水文计算规范等文献中查取。,8、水面蒸发观测与计算,1、土壤蒸发过程 充分湿润的土壤蒸发过程，根据观测资料分析，如图所示，大体上可分为3个阶段：第一阶段：土壤含水量（蓄水量）WW田(田间持水量），土壤蒸发强度为:E=Em ；Em为土壤蒸发能力，近似等于这时的水面蒸发率第二阶段：W=W田W断（土壤毛管断裂含水量），这时的土壤蒸发为 第三阶段： W fc时， i-fc形成地面径流， fc形成地下径流。总净雨划分为地面、地下两部分。由于只有在产流面积上才发生稳定下渗，所以时段内所产生的地下径流量RGt=fctFR/F，而时段的

18、总产流量Rt=(Pt-Et)FR/F，由此可得FR/F=R t /(Pt - E t)，即产流面积等于径流系数。,3、地面地下径流过程的划分,地面地下径流过程的划分,fc可以利用实测降雨径流资料得到，先求出地下径流总量RGt及相应的降雨过程Ptt，蒸发过程Ett，并计算相应的产流量过程Rtt，再利用上述公式反推。,例题：某流域一次降雨过程，已经求得各时段产流量如表所示，并求得地下径流量38.1mm，试求得稳定下渗率fc,1、单位线的基本概念 单位线是指在给定的流域上，单位时段内均匀降落单位深度的地面净雨在流域出口断面形成的地面径流过程线，如右图所示。单位净雨一般取10mm，单位时段可取1、3、

19、6、12、24h等，依流域大小而定。,4、时段单位线法推求流量过程,由于实际的净雨不一定正好是一个单位和一个时段，所以分析使用时有如下两条假定。- 倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个单位，则形成的流量过程是单位线纵标的k倍。- 叠加假定：如果净雨不是一个时段而是m个时段，则所形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开时段叠加。 根据上述假定，可以得到流域出口断面流量过程线的表达式： 式中：Qi为流域出口断面各时刻流量值，m3/s；hj为各时段净雨量，mm； qi-j+1为单位线各时刻纵坐标，m3/s；l为流域出口断面流量过程线时段数；m为净雨时段数；n为单位线时段数。,1

20、、水文预报的分类2、河道洪水波、洪水波运动3、马斯京根洪水演算方法的基本原理4、实时洪水预报的误差来源,第五章 水文预报,1、按预报的项目，水文预报可分为 径流预报：预报的要素主要是水位和流量，水位预报指的是水位高程及其出现时间；流量预报则是流量的大小、涨落时间及其过程。径流预报又可分洪水预报和枯水预报。冰情预报：冰情预报是利用影响河流冰情的前期气象因子，预报流凌开始、封冻与开冻日期，冰厚、冰坝及凌汛最高水位等。沙情预报：沙情预报则是根据河流的水沙相关关系，结合流域下垫面因素，预报年、月和一次洪水的含沙量及其过程。水质预报：预测河流中污染物迁移转化的时空变化过程。,1、水文预报的分类,2、按预

21、见期的长短，水文预报可分为短期水文预报：主要由水文要素作出的预报 中长期水文预报：包括气象预报性质在内的水文预报 预报的预见期是指发布预报与预报要素出现的时间间距。在水文预报中，预见期的长与短并没有明确的时间界限。 施工水文预报：在工程施工期间要进行的特殊预报项目。,1、洪水波 流域上大量降水产生的净雨沿坡地迅速汇集，注入河槽， 由于降雨量时空分布不均匀、河网干支流和分布形状的不同，以及水流汇集速度的快慢，河道接纳的水量沿程不同，使河道沿程水面发生高低起伏的一种波动，称为洪水波。 2、附加比降附加比降是洪水波的主要特征之一。附加比降i是指洪水波水面比降i与同水位稳定流水面比降i0之差，即i= i-i0 。当涨洪时，i0， 落洪时，i0，正偏； 当系列中负离差的立方占优势时，Cs0，分析原因，大于均值和小于均值的 离散立方比较。对于概率密度曲线而言，曲线下的面积以均值为界，对Cs=0，左边等于右边；对Cs0，左边大于右边；对Cst1。T= t1+ t2 ，称为洪水历时。,2、设计洪水三要素,按工程性质不同，设计洪水分为水库设计洪水下游防护对象的设计洪水 施工设计洪水 堤防设计洪水 桥涵设计洪水 按所用资料不同，设计洪水分为由流量资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水,