工程水文学第一章

'工程水文学郑彩霞2016.3 工程水文学是是水文学的一个分支，一门专业基础课，是为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据的一门科学，主要内容分为水文分析计算和水文预报两方面。水文学知识河川径流，水文学的基本原理和方法，包括水文资料的收集与统计，设计洪水，流域分析计算，水质及水质评价。课程的目标主要是使得学生掌握水文学的基本理论、水工程水文分析计算的基本方法，了解水文学新理论和新技术的发展，在后续课程中能够较好地运用本门课程的基本理论和计算方法解决相关水文问题。 第一章绪论第二章流域径流形成第三章水文信息采集与处理第四章流域产汇流计算第五章水文统计第六章水文预报第七章设计年径流第八章由流量资料推求设计洪水第九章由暴雨资料推求设计洪水主要内容 水以不同的形式存在于自然界中。图中单位为可供直接饮用的河流和淡水湖泊10.17万第一章绪论 冰川： 湖泊： 大气： 沼泽： 沼泽： 地下：贵州安顺地下暗河 地下：趵突泉 山河：长江 山河：黄河入海口 一、水循环含义：地球上的水在太阳辐射作用下，不断地蒸发成水汽进入大气，随气流输送到各地；输送中，遇到适当的条件，凝结成云，重力作用下降落到地面，即降水；降水直接地、或以径流的形式补给地球上的海洋、河流、湖泊、土壤、地下和生态水等，如此永不停止的循环运动，如图2-1所示，称为水文循环。 分类大循环（外循环）,形成陆地降水、径流的主要形式小循环（内循环） 原因内因：水的三相转化外因：太阳的辐射能、水在地球引力场具有的势能与水资源的关系水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化 我国的水文循环途径：中国上空的水汽输入主要来自：太平洋的东海和南海；印度洋的孟加拉湾；强盛的北风带来北冰洋的水汽，鄂霍次克海和日本海的水汽随东北风来到东北地区。西风环流带来的大西洋水汽。中国的水量输出：径流主要通过黑龙江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江等七大水系,浙、闽、台水系及西南诸河水系入海。 长江黄河珠江松花江辽河海河淮河钱塘江闽江澜沧江怒江雅鲁藏布江印度河额尔齐斯河塔里木河雅砻江岷江大渡河嘉陵江乌江湘江汉江赣江湟水洮河汾河渭河泾河京杭大运河太平洋水系印度洋水系北冰洋水系内流区域雅砻岷嘉乌江水，湘汉赣江黄浦尾。黄浦江大兴安岭阴山贺兰山巴颜喀拉山冈底斯山 水文循环的意义：①直接影响气候变化：通过蒸散发进入大气的水产生云、雨等现象的主要物质基础。空气中的水直接影响气候的湿润或干燥，调节地面气候。②改变地表形态：降水形成的径流，冲刷和侵蚀地面，形成沟溪江河；水流搬运大量泥沙，可堆积成冲积平原；岩石受到水流强烈侵蚀和溶解作用，可形成岩溶等地貌。 水文循环的意义：③造成再生资源。水文循环造成巨大的、可以重复使用的再生水资源，使人类获得永不枯竭的水源和能源，为一切生物提供不可缺少的水分；大气降水把天空中游离的氮素带到地面，滋养植物；陆地上的径流又把大量的有机质送入海洋，供养海洋生物；而陆地和海洋生物又是人类食物和制造肥料的重要来源。④水文循环所带来的洪水和干旱灾害，也会给人类和生物造成不利的影响和威胁。 水资源（watersources）是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源，资源的本质特性在于其“可用性”，不能被人类所利用的不能成为资源。水资源是与一定的自然条件共生共存的，其分布、埋藏有其自然规律，它在被人类利用的过程中，如果方式方法不当会被减少或破坏。所以，在利用水资源的过程中，必须注意水资源的自然特性，不断调整和改造利用水资源的方式和方法，使水资源得到应有的保护，使其得以永续利用。 水灾害1）.干旱缺水，是当今和未来主要面临的水问题之一。自然因素和人为因素的制约。2）.洪涝灾害，是水资源时空分布不均。3）.水环境恶化，是人类对水资源作用结果的最直接体现，影响面广，后果最严重的问题。 §1-2工程水文学的任务及内容一、水文学：研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的存在、分布、循环、物理化学性质及其环境因素的变化规律，预测、预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势 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。 2．分类：按各种水体存在形式水文气象学：它是水文科学和大气科学共同关心合作研究而逐渐形成的一门学科。水文气象学研究水圈和大气圈的相互关系，包括大气中水文循环和水量平衡，以蒸发、凝结、降水为主要方式的大气与下垫面的水分交换，其中尤其着重研究暴雨和干旱发生和发展的规律。它是气象学与水文学之间的边缘学科,既是应用气象学的一个分支,又是水文学的重要组成部分，其研究成果可以用于河道、水库的防洪兴利，以及水资源的开发利用，防灾减灾和水利水电工程的规划设计。 海洋水文学：海洋水文学着重研究海水的物理性质和化学成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸带泥沙运动等。陆地水文学：陆地上的水量虽然只约占全球总水量的3.5％，但是，淡水几乎都分布在陆地，存在着复杂的水文过程，陆地上的水与陆地上的一切生物，尤其是与人类生活有着不可分割的联系。因此，对陆地上的水的研究尤其受到人们的重视。陆地水文学是水文科学的主要组成部分。 应用水文学：水文测验学、工程水文学、城市水文学、农业水文学、水文预报学等学科分支二、工程水文学：应用水文学的一个重要分支，为工程规划设计、施工建设、运行管理提供水文依据的一门科学 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。应用于实际工程的水文学称为工程水文学2/2 主要作用：1．规划设计阶段：推求设计来水过程（包括洪水），合理确定工程位置、规模2．施工阶段：推求设计施工期洪水、洪水预报，确定围堰、导流设施等临时建筑物的规模，以及了解近期更确切的水情，以确定施工的进度。3．运行阶段：通过水文预报，了解未来一定时期内的来水情况，以确定最佳的水调度运营方案，以充分发挥工程的效益。 基本内容1．水文监测——水文资料收集、整理、刊布2．水文分析与计算:主要运用概率论和数理统计的原理和方法，对未来长期的水文情势作出概率预估，为各类水利工程的规划和设计提供设计暴雨、设计洪水、设计年径流及其他有关水文数据。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3．水文预报 基本内容3．水文预报a根据暴雨洪水形成理论和河道洪水波传播的规律，进行洪水预报；b根据水体热量平衡原理对山区融雪径流，河流、水库、湖泊冰情作出预报；c根据土壤中水分的补给、运动和消退规律为农业提供土壤水分的预报；d根据河道退水规律为航运和引水工程等作出枯季径流及其水位预报。 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§1-3工程水文学的研究方法 §1-3工程水文学的研究方法一、基本规律1．确定性规律（成因规律）；河流在任一时刻呈现的水文现象都是一定客观因素条件下的必然结果。水文现象的周期性变化和因果关系。如暴雨与洪水的联系、降水、径流以年为周期的变化、丰、枯年组的周期交替 2．随机性规律：河流水文现象的随机性特征。如某河流的某一断面各年径流不同，具有随机性。3．地区规律：气候因素与地理因素具有地区性变化规律，使水文现象也具有地区变化规律 二、水文研究的基本方法1．成因分析法：利用水文现象的确定性规律解决水文问题的方法，称为成因分析法。当某种水文现象与其影响因素之间确定性关系较为明确时，可通过观测资料和实验数据，建立水文现象与影响因素之间的定量关系，从而预测未来的水文情势。在水文预报、降雨径流分析中，广泛应用。 2．数理统计法：根据水文现象的随机性，运用概率论和数理统计方法，分析河流水文特征值系列的统计规律，并进行概率估计，从而得出水文特征值。在水文分析计算中，数理统计方法与成因分析法结合起来解决水文问题。 3．地理综合法：利用已有固定观测站的长期观测资料确定资料短缺地区的水文特征值，此即地理综合方法。某些水文现象及水文特征值具有地区性变化规律，可以用等值线图的方式将水文特征值的地区变化反映出来，或建立地区性的经验公式。水文分析计算中，可用此类等值线图或经验公式推求观测资料短缺地区的水文特征值。'