工程水文学第一章-绪论

'工程水文学兰州交大环境学院授课人：刘桂民 目录第一章绪论第二章河川径流的形成第三章水文信息采集与处理第四章水文统计基本知识第五章年径流及洪、枯水第六章小流域设计洪峰流量的计算 课时安排第一章绪论（2学时）第二章河川径流的形成（4学时）第三章水文信息采集与处理（6学时）第四章水文统计基本知识（2学时）第五章年径流及洪、枯水（8学时）第六章小流域设计洪峰流量的计算（8学时）总复习（2学时） 第一章绪论内容：1.1水文学及其研究内容1.2水文学发展史1.3工程水文学在给排水工程中的作用1.4水文现象的特性及研究方法重点：水文现象的表现形式水文循环的定义和分类水文现象的研究方法 水资源储量淡水海洋水湖泊咸水和地下咸水冰川地下淡水其他淡水1.74%0.76%湖泊淡水96.53%0.03%0.94%0.94%2.53%土壤水大气水沼泽水河水生物水0.001%最活跃，地球可更新淡水资源的主要来源 水通过降水、下渗、径流、蒸发等水文现象在大气圈、岩石圈、水圈和生物圈所构成的地球系统中周而复始地运动，维持了地球上多种多样的生命形态 但自然或人为的一些原因，使得全球范围内出现了许多水问题，这些水问题给人类甚至整个地球生态系统的发展带来了极大威胁 水多水少 水是载体和溶剂水污染 流动的水具有能量 §1.1水文学及其研究内容一水文学定义研究自然界水的存在、分布、运动和循环变化规律，水的物理、化学性质，以及水圈与大气圈、岩石圈、生物圈的相互关系作为水利学科的重要组成部分，主要研究水资源的形成、分布、开发利用和保护，水旱灾害的形成、预测预报、防治，以及水利工程和其他有关工程建设的规划、设计、施工、管理中的水文水利计算技术 二相关概念水体：以一定方式存在于某一环境中的，具有一定特征和变化规律的水水文循环：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、下渗和径流方式进行的往复循环的运动过程水文现象：水在运动变化过程中表现出来的物理现象，如蒸发、降水、河流和湖泊中的水位涨落、冰情变化、冰川进退、地下水的运动和水质变化等 自然界的各种水体冰川 湖泊 大气 沼泽 沼泽 地下水贵州安顺地下暗河 河流长江 河流黄河入海口 水文循环示意图水汽水汽湖泊海洋蒸发降水水汽输送水汽输送降水植物散发蒸发下渗地面径流地下径流陆地土壤蒸发 水分循环的分类1大循环：海洋与陆地间的水分交换过程小循环：海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程 地球上的水文循环是由一系列大小循环组合而成的一个复杂的动态系统水文循环是最活跃的物质循环之一，其运动规律建立在水量平衡的基础上，是质量守恒在水文循环中的特殊表达方式 三水文学的分支学科按基础理论与应用分：水文学原理和应用水文学；水文学原理：阐明各种水文现象、水文过程形成的原因和机理应用水文学按应用范围分为：工程、农业、森林、城市、环境、生态水文学等；工程水文学：研究水文学原理应用于工程实践的方法，为给排水工程或其他有关工程的规划、设计、施工、运行管理提供水文依据。主要包括水文计算、水文预报和水利计算等内容 按研究对象分：河流、湖泊、冰川、河口、沼泽、海洋、地下水水文学等；河流水文学：研究河流水文现象基本规律及河流水资源利用地下水水文学：研究地下水水文现象基本规律及地下水资源开发利用 §1.2水文学发展史经历了由萌芽到成熟、定性到定量、经验到理论的发展过程萌芽时期(公元1400年以前)这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如公元前256年建成的都江堰，至今仍在发挥巨大作用，其中就体现着成功的水文知识；又如公元6世纪北魏郦道元所著《水经注》，是早于欧洲1000多年的水文地理巨著 奠基时期(公元1400～1900年)该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实的基础 兴起阶段（20世纪初至50年代）进入20世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来①美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律；②1924年H.A.福斯特建立了P-Ⅲ水文频率曲线计算方法；③1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法；④1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法……这一时期我国的水文学发展比较落后 现代水文学时期（1950年以后）随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成流域数学模型：如SPAC模型(土壤-植物-大气系统中水文现象的基本规律，为农业用水、节水和灌溉提供科学依据)，另如赵人俊的新安江模型和陕北模型(分别是湿润区和干旱区的产流机制) §1.3工程水文学在给排水工程中的作用工程水文学的主要内容是水文分析与计算的基本理论和方法，能够为给水排水工程的规划、设计、施工和运营管理提供正确的水文资料和分析结果 给水工程：需要了解供水的水源及水资源量地面水为水源：需考虑水量的变化及其取用的条件。当水量充沛时，需要了解水位、泥沙、冰凌等变化情况；当水量不足时，就必须修建蓄水工程，进行蓄丰补枯，进行水量的引取、蓄放与调节，需要对径流的年际年内变化等水文情况进行分析 排水工程：雨水的排除、污水排泄的设计计算、排泄口位置的选择、洪水防御的设计等，都需要预先求得暴雨和洪水的大小和变化情况 工程在规划设计期间，对河流洪水量的估算直接关系到工程规模和投资的大小；在施工期间，施工期设计洪水的估算关系到工程的安全性和经济性；运行管理期间，根据水文预报进行径流调节，充分利用水库的调节功能，拦蓄洪水变害为利，确保工程的本身的安全性和下游人民的生命与财产安全 规划、设计阶段——为确定工程规模提供水文依据例如在设计直接从河流中取水的工程时若洪水位估算偏高，则使工程规模偏大；洪水位估算偏低，则易使取水工程遭淹没破坏；河流枯水位估算过高，易使取水工程在枯水期取不到足够水量；河流枯水位估算过低，不仅会使取水工程底面标高偏低，增加建设投资，并恶化取水水质，而且可能使得设计的工程规模偏小，使天然水资源得不到充分利用 施工阶段大型取水工程施工工期较长，为确定施工用临时性水工建筑物的尺寸，需了解施工期间的来水情况洪水位估算偏高，会使施工建筑物规模过大，造成浪费；洪水位估算偏低，则易使施工建筑物遭受破坏，影响施工进度并造成巨大损失 运营管理阶段需经常掌握来水来沙情况，以便最优调度给水工程，向用户提供足量的合格用水；在工程运营期间，有时还须不断复核和修正设计阶段的水文分析计算成果，必要时对工程进行扩改建 滞洪区（分洪区）闸门闸门Qq 城市给水排水工程排水工程：需建设排水建筑物，如：街道两侧的排水沟或排水管道；排水泵站或排涝站等城市区域暴雨可能产生内涝2006年7月韶关铁路成为河道水中熄火的车辆2006年7月韶关体育馆陷入汪洋 §1.4水文现象的特性及研究方法蒸发、降水、地下径流、地面径流统称水文现象一水文现象的特性在时间变化上既有确定性又有随机性在地区分布上既有相似性又有特殊性 1水文现象的确定性规律河流：洪水期、枯水期周期性交替冰雪补给河流：流量日周期变化流域：暴雨洪水具有因果关系水文现象具有客观发生的原因和具体形成的条件，存在确定性规律，称为成因规律 2水文现象的随机性规律河流：每年洪水的次数、大小、发生时间流域：暴雨都会形成洪水，但相同暴雨量所形成的洪水的大小不相同我国沿海地区：每年登陆台风的次数、强度和路径不同通过大量观测资料分析，随机性具有一定的规律，称为统计规律 3水文现象的地区性规律水文现象除受气候因素影响，呈现出与气候带一致的地带性分布规律外，还受流域地理位置、自然地理条件的影响，因而水文现象的地区性规律包括：地区分布的相似性和特殊性【例1.1】我国多年平均降雨量自东南向西北递减，所以，河川多年平均径流量也呈现出自东南向西北递减的渐变规律 相似性地理位置相近的不同流域：气候因素、流域的自然地理条件相似，在这些因素综合影响下的水文现象在一定范围内就具有相似性，呈现一定的地区分布规律【例1.2】湿润地区的河流，水量充沛，径流变化过程相似，汛期和枯水期相近【例1.3】干旱地区河流，水量小，年内分配不均匀 特殊性地理位置不同的流域或流域内自然地理条件（下垫面条件）差异较大的流域，水文现象就显示出不同的规律性，这就是特殊性【例1.4】闽江流域的面积是黄河流域的1/14，但河川径流量比黄河流域还大【例1.5】福建省山区流域和沿海流域，洪水运动的规律不同【例1.6】流域植被条件和地质条件不同的流域，其洪枯水特点不同 小结由水文现象具有时间变化上的随机性和地区分布上的特殊性，因此需要对不同流域的各种水文要素进行长期观测，通过积累资料，进行统计，分析其变化规律；由水文现象具有地区上的相似性，可有目的选择代表性流域进行观测，并将其成果移用于相似地区 二水文现象的研究方法成因分析法确定性随机性地区性数理统计法地理综合法 1、成因分析法通过对实测资料或实验资料进行分析，从水文过程的形成机理上建立某一水文要素与其影响因素之间的确定性定量关系但由于影响水文现象的因素极其复杂，这种方法目前尚不能完全用数学物理方法来描述，通常用数学模型或物理模型来模拟 2、数理统计法（水文统计法）根据水文现象的随机性，以概率论为基础，运用数理统计的方法，推求水文要素的统计规律，从而求出工程设计所需的设计水文特征值其次，可以通过对两个或多个水文要素进行相关分析，建立它们之间的统计关系，从而利用已知的水文要素推求未知的水文要素 3、地区综合法由于气候要素和地理要素具有地区分布的渐变规律，因而受其影响的水文要素也呈现一定的地区性规律。这种规律通常用等值线或经验公式来表示，用以综合反映某一区域水文要素的变化规律地区综合法可用来解决资料短缺地区的水文设计问题 小结在解决实际问题时，上述三种方法常同时使用，它们相辅相成、互为补充我国已初步形成一种具有自己特点的研究方法，概括为“多种方法，综合分析，合理选定”的原则'