工程水文学 第1章 绪论

'第一章绪论第一节概述1第二节工程水文学的研究方法4第三节水文学的发展5第一节概述一、水文学（一）地球上各种水体的数量与分布　　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（Hvdroloyy）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-l所示。表1-1水文循环各环节中近似水量及其更新所需时间环　　节总量(103km3)占总量(%)占淡水(%)年循环量(km3)更新所需时间海洋至2000m深的地下水　　其中淡水土壤水冰川与永久雪　　其中南极　　　　格陵兰　　　北极岛屿　　　其他地区地面冰（永冻）湖泊　　　其中淡水湖　　　　　咸水湖沼泽河流大气水生物水总水量133800234001053016.524064.121600234083.540.6300176.49185.411.472.1212.91.121385981.6196.51.70.760.0011.741.560.170.0060.0030.0220.0130.0070.0060.00080.000020.0010.0001100　　30.10.0568.761.76.680.240.120.86　0.26　0.030.0060.040.0023　50500016700　16500　　2477　253010376　　　49400577000　　2650年1400年　1年　　9700年　1600年10000年17年　　5年16日8日数小时　 总淡水量35029.212.53100　　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、水能和水域。　　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降水量为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，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，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。例如我国的南水北调工程将长江水输送到华北和西北地区，以缓解这些地区的水资源短缺，就是跨流域调度水资源。　　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6.91亿kw（包括台湾省），其中可开发的装机容量为3.83亿kw（包括台湾省）。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。进人20世纪特别是第一次世大战以后，大量兴起的防洪、灌溉、水电、航运工程和农业、林业及城市建设，向水文科学提出了许多新课题。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——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。　　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。水利工程的使期限一般为几十年甚至百年上，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，须预报整个施工期的天然来水情势，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眼务的。　　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和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，其输人为基本水文象资料，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——水利计算的输人；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。图1-1流域规划工作流程图 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此系统可以降雨作为输人，河流出口的水流作为输出。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人与输出的模型来代表。水文系统模型的用途是由输人预测输出。模型的输人输出是可测量的水文变量。其中心结构是联系输人输出的方程式，设输人输出以时间函数I(t)和Q(t)表示，则系统由输人变换为输出的方程为式（l－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：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。　　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。　　在学习水文学时，读者当会发现它与其他工程课程不同。因为水文学涉及的许多水文现象不宜用工程力学所用的严格分析方法。水文学的许多问题需要判断，有时似乎缺乏准确性。事实上，健全的水文问题的解答，完全能和其他工程计算的精度相比，工程上的不可靠性常由使用安全系数及保守的假设而掩盖起来了。但必须指出，水文问题的解答，也不能如其他工程那样采用保守的安全系数，因为水文数量很大，过大的安全考虑，在经济上是不能允许的。水文解答只能采用安全界限（Marginofsafety），这样的界限更不易掌握，需要对原始资料、计算方法及运算误差进行充分合理的估计，使计算结果不致超过安全界限。 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。北魏哪道元的《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；上不揭，下不满，小为大，重为轻，圜道业”《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人到定量表达，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。　　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。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——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）　　进人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年美国打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年美国队贝纳德和R．K．Jr．林斯雷等提出可能最大降水/洪水方法。这些水文计算方法在实际应用中得到迅速推广，丰富了应用水文学。1936年美国的W．G．霍伊特提出随机过程引人水文计算，形成了随机水文学。此外，许多应用水文学著作的出版，标志着水文学进入了成熟阶段。　　这一时期中国在停滞了数个世纪之后，开始从西方引进了新的水文科学，从事于中国江河水文学的研究。四、水文学的现代特色与发展（1950年以后）　　20世纪后期水文科学的发展，出现了新的形势：首先，由于新技术特别是计算机的应用，使水文信息（实时资料）的获取、传递和处理大为方便迅速，节省了大量人力和时间。其次，由于工农业和城市建设的需要，应用水文学发展迅速。其三，由于生产和生活用水的增长，环境污染日趋严重，出现了水资源紧张局面，迫使水文学特别侧重于水资源研究，不仅注重水量还要注重水质；不仅注重洪水，还要注重枯水；不仅研究一条河流、一个流域的水文特性，还要研究跨流域、跨地区的水资源联合调度问题；不仅要研究短期、近期的水文预报（forecast），还要研究长期的水文趋势预估（predication）。从此，水文科学进人了一个现代化的新时代。　　美国1971年建立了水文资料库，能够在各州终端上获得全美任一地点的资料。80年代前期先后发射4颗陆地卫星，取得了许多水文研究成果，并为国际服务。美、英和挪威等国采用测深仪直接绘制断面图。这一时期，中国水文站网发展迅速，全国基本站达21600处，可以基本掌握全国各主要河流的水文情势；在长江、黄河等流域开始应用卫星图片和遥感技术研究水文和水资源问题。 　　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。　　1966年美国林斯雷和N．H．克劳福法提出的斯坦福流域模型和美籍华人周文德在60～70年代提出的流域水文模型以及一系列的水文随机模型、水系统模型等，推动了水文预报和水资源系统分析。中国水文预报自50年代初开始，也提出了具有中国特色的洪水预报方法。　　调查、考证和分析历史洪水资料，以弥补实际资料的不足。除广泛调查历史洪水外，90年代又发展古洪水研究，利用放射性同位素碳十四获得全新世（约距今10000年）以来的古洪水资料，在长江三峡、黄河小浪底等水利枢纽工程的洪水计算中取得了有巨大意义的成果。70年代以来，中国还相继编绘出版了《全国可能最大降水等值线图》和《全国暴雨参数等值线图》等，为中国的暴雨洪水研究和计算作出了贡献。　　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（IHD）、世界气象组织（WMO）的业务水文计划（OHP）、联合国教科文组织国际水文计划（IHP）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。'