工程水文学基础--注册土木工程师

'第七章工程水文学基础大连理工大学土木水利学院2009年7月 第7章工程水文学基础7.1绪论7.2水文循环与径流形成7.3水文测验与水文资料收集7.4流域产汇流计算7.5水文统计的基本知识及方法7.6设计年径流 7.1绪论水文学（Hydrology)研究地球上各种水体的一门科学它研究各种水体的存在、循环和分布，探讨水体的物理和化学特性以及它们对环境的作用，包括它们对生物的关系。水体：以一定形态存在于自然界中的水的总体，如大气中的水汽，地面上的江河、湖泊、沼泽、海洋和地面下的地下水。 7.1绪论水资源（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、水能资源和水域。工程水文学（EngineeringHydrology）应用于实际工程的水文学称为工程水文学。它研究与工程的规划、设计、施工以及运营管理有关的水文问题，主要内容为水文计算和水文预报。7.1绪论 7.2水文循环与径流形成7.2.1自然界的水循环地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升、冷却、凝结，并在适当的条件下，再降落到地面，这种往复的循环过程，称为水（文）循环自然界中水文循环的主要环节是：蒸发、降水、径流、下渗 7.2水文循环与径流形成7.2.1自然界的水循环水文循环是最重要、最活跃的物质循环之一，与人类有密切的关系。水循环使得人类生产和生活不可缺少的水资源具有可再生性。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。 7.2水文循环与径流形成7.2.1自然界的水循环从海洋上蒸发出来的一部分水汽，被气流带到大陆上空，冷凝后降落到陆地表面。其中一部分重新蒸发又回到大气中，另一部分从地面和地下汇入河流，最后又注入海洋。这种海陆间的水循环称为大循环。海洋中的水蒸发后，在空中冷凝又降落到海洋，或陆地上的水蒸发后又降落到陆地，这种局部的水循环称为小循环。 7.2水文循环与径流形成7.2.1水量平衡原理根据质量守恒定律可知，在水循环过程中，对于任一区域，任一时段，进入的水量与输出的水量之差额必等于其蓄水量的变量，这称为水量平衡原理。水量平衡原理是水文学的基本原理之一水量平衡法是分析研究水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等主要方法之一。 7.2水文循环与径流形成7.2.1水量平衡方程根据水量平衡原理，可以列出水量平衡方程。对某一区域：（7.2.1)—时段内输入、输出该区域的总水量。—时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。上式为水量平衡方程的通用式。对不同的研究对象，需具体分析其输入、输出量的组成，写出相应的水量平衡方程式。 7.2水文循环与径流形成7.2.2河流和流域河流横断面：垂直于水流方向的断面称为河流横断面。河流横断面是河道水位、流量测验计算的重要依据。河流纵断面：河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线，称为中泓线或溪谷线。沿河流中泓线的剖面，称为河流的纵断面，又称纵剖面。纵断面图可以用来表示河流的纵坡和落差的沿程分布。它是推算水流特性和估计水能蕴藏量的主要依据。河流纵比降：任意河段（水面或河底）的高差称为落差。河流比降有水面比降与河底比降。 7.2水文循环与径流形成7.2.2河流和流域降落到地表上的水，被高地、山岭分隔而汇集到不同的河流中，这些汇集水流的区域，称为某河流的流域。流域是河流的集水区域。地面分水线与地下分水线相重合的流域，称为闭合流域。否则叫不闭合流域。一般大中河流多按闭合流域考虑。 7.2水文循环与径流形成闭合流域任意时段水量平衡方程：（7.2.10)P—时段内的降水量（mm）；E—时段内的蒸发量（mm）；R—时段内的流域出口断面径流量（mm）；△S—时段内该流域的蓄水变量（mm）； 7.2水文循环与径流形成闭合流域多年平均情况，其水量平衡方程：(7.2.12)、、分别为流域多年平均降水量、多年平均径流量和多年平均蒸发量。我国利用中小流域的降水量与径流量观测资料，用水量平衡公式推算出全国各地的总蒸发量，并绘制了全国多年平均蒸发量等值线图，可供使用。 7.2水文循环与径流形成7.2.3降水量观测常用的方法：器测法器测法的分辨率为0.1mm观测仪器有雨量器和自记雨量计一般采用2段制进行观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次，如4段制或8段制，雨大时还需加测。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。 7.2水文循环与径流形成7.2.4土壤水、下渗与地下水下渗指降落到流域表面的降水,由地表进入地下的过程。图7.2.9下渗曲线和下渗累积曲线下渗容量(能力)曲线是指干燥的土壤在充分供水水条件下的下渗过程线 7.2水文循环与径流形成7.2.5蒸发水文学中研讨的蒸发为自然界（及流域）的蒸发，包括水面蒸发，土壤蒸发及植物蒸散发，其中后两者合称为陆面蒸发。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。影响蒸发过程的主要因素有水温（或土温）、空气饱和差（湿度）、风速、日照等.流域蒸散发能力Em反映了温度、湿度、风、日照等气象因素的作用。 7.2水文循环与径流形成7.2.5蒸发我国水文和气象部门采用的水面蒸发器：ф–20型、ф–80套盆式、E601型蒸发器，水面面积为20m2和100m2的大型蒸发池E601型蒸发器是目前水文部门普遍采用的观测仪器。每日8时观测一次，得蒸发器一日（今日8时至明日8时）的蒸发水深，即日水面蒸发量。一月中每日蒸发量之和为月蒸发量，一年中每日的蒸发量总和为年蒸发量。 7.2水文循环与径流形成7.2.6径流的形成过程径流是指降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川湖泊、水库、洼地等流动的水流。径流的形成过程概述:降落到流域表面上的降水，一部分形成地面径流，一部分渗入地表土壤，在含水层内形成地下径流。地面径流和地下径流汇集到河槽中而成河川径流。暴雨洪水主要来源于地面径流，而地下径流对大河枯水期的水量补给具有重要意义。流域内自降水开始到径流形成并流经流域出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。 7.2水文循环与径流形成7.2.6.1径流的形成过程为研究径流的形成过程,将其分为产流过程（降水、流域蓄渗）和汇流过程（坡面漫流及河网汇流）。参见“7.4流域产汇流计算”。7.2.6.2影响径流的主要因素1）气候因素2）下垫面因素(略）3）人类活动的影响（略） 7.2水文循环与径流形成7.2.6影响径流的主要因素1）气候因素降水是径流形成的主要因素，降水强度、降水历时降水面积、暴雨中心以及暴雨移动的方向等都对径流量及其变化过程都有很大影响。蒸发是水循环及水量平衡的基本要素之一，对径流量有直接影响。若雨前流域蒸发量大，则雨前流域蓄水量就小，降雨的损失量就增大，而径流量减小。因此，蒸发主要影响径流的产流过程。我国湿润地区年降水量的30～50%，干旱地区年降水量的80～95%都消耗于蒸发，其余部分才形成径流。 7.2水文循环与径流形成7.2.7径流的表示方法和度量单位（1）流量Q：指单位时间通过河流某一断面的水量。常用单位为m3/s。（2）径流总量W：指时段T内通过河流某一断面的水量。常用的单位为m3,亿m3。(7.2.13) 7.2水文循环与径流形成（3）径流深R：指径流总量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，以mm为单位。(7.2.14)（4）径流系数a：指某时段内的径流深R与形成该时段径流量的相应降雨深度P之比值。(7.2.16)因Rfc时，（i-fc）形成地面径流，fc形成地下径流。设Δt时段内降雨量为PΔt，蒸散发量为EΔt，产流面积为FR。由于只有在产流面积上才发生稳定下渗，则时段内所产生的地下径流量：（7.4.23）时段的总产流量：（7.4.24）产流面积等于径流系数：（7.4.25） 7.4流域产汇流计算2）蓄满产流的产流量计算当PΔt-EΔt