1、工程水文学工程水文学郑彩霞郑彩霞2013.32013.3 第一章第一章 绪绪 论论 第二章第二章 流域流域径流形成径流形成 第三章第三章 水文信息采集与处理水文信息采集与处理 第四章第四章 流域产汇流计算流域产汇流计算 第五章第五章 水文统计水文统计 第六章第六章 水文预报水文预报 第七章第七章 设计年径流设计年径流 第八章第八章 由流量资料推求设计洪水由流量资料推求设计洪水 第九章第九章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水 l 水以不同的形式存在于自然界中。水以不同的形式存在于自然界中。3km图中单位为图中单位为可供直接饮用的河流和淡水湖泊可供直接饮用的河流和淡水湖泊10.17万万
2、 第一章第一章 绪论绪论地下地下海洋海洋冰川冰川沼泽沼泽湖泊湖泊山河山河大气大气自然界自然界中的水中的水冰川：冰川：湖泊：湖泊：大气：大气：沼泽沼泽：沼泽：沼泽：地下：地下：贵州安顺贵州安顺地下暗河地下暗河地下：地下：趵突泉趵突泉山河：山河：长江长江山河：山河：黄河入海口黄河入海口一、水循环一、水循环 含义含义：地球上的水在太阳辐射作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，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；降水直接下降落到地面，即降水；降水直
3、接地、或以径流的形式补给地球上的地、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生态水等，如此永不停止的循环运动，如图动，如图2-12-1所示，称为所示，称为水文循环。水文循环。分类分类 大循环（外循环）大循环（外循环）,形成陆地降水、径流的主要形式形成陆地降水、径流的主要形式 小循环（内循环）小循环（内循环）原因原因 内因：水的三相转化内因：水的三相转化 外因：太阳的辐射能、水在地球引力场具有的外因：太阳的辐射能、水在地球引力场具有的势能势能 与水资源的关系与水资源的关系 水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，水文循环供
4、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，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将引起水资源的变化 我国的水文循环途径：我国的水文循环途径：中国上空的水汽输入主要来自：中国上空的水汽输入主要来自：太平洋的东海和南海；太平洋的东海和南海；印度洋的孟加拉湾；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。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。西风环流带来的大西洋水汽。中国的水量
5、输出：径流主要通过黑龙江、辽河、海河、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、珠江等七大水系黄河、淮河、长江、珠江等七大水系,浙、闽、台水系浙、闽、台水系及西南诸河水系入海。及西南诸河水系入海。长江长江黄河黄河珠江珠江松花江松花江辽河辽河海河海河淮河淮河钱塘江钱塘江闽江闽江澜沧江澜沧江怒江怒江雅鲁藏布江雅鲁藏布江印度河印度河额尔齐斯河额尔齐斯河塔里木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京京杭杭大大运运河河太太平平洋洋水水系系印度洋水系印度洋水系北冰洋水系北冰洋水系内流区域内流区域雅砻雅砻岷岷嘉嘉乌江乌江水，水，湘湘汉汉赣江赣江黄浦黄浦尾
6、。尾。黄浦江黄浦江大兴安岭大兴安岭阴山阴山贺兰山贺兰山巴颜喀拉山巴颜喀拉山冈底斯山冈底斯山水文循环的意义：水文循环的意义：直接影响气候变化：通过蒸散发进入大气的水直接影响气候变化：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，调节地面的水直接影响气候的湿润或干燥，调节地面气候。气候。改变地表形态：降水形成的径流，冲刷和侵改变地表形态：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，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可堆积成冲积平原；岩石受到水流强烈侵蚀和
7、溶解作用，可形成岩溶等地貌。和溶解作用，可形成岩溶等地貌。水文循环的意义：水文循环的意义：造成再生资源。水文循环造成巨大的、可以重造成再生资源。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；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
8、。类食物和制造肥料的重要来源。水文循环所带来的洪水和干旱灾害，也会给人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。类和生物造成不利的影响和威胁。水资源（水资源（water sources）是人类生产和生活不）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境资源，资源的本质特性在于其“可用性可用性”，不能被人类所利用的不能成为资源。不能被人类所利用的不能成为资源。水资源水资源是与一定的自然条件共生共存的，其分布、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，如埋
9、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。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。最
10、直接体现，影响面广，后果最严重的问题。1-2 1-2 工程水文学的任务及内容工程水文学的任务及内容一、水文学一、水文学：研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的存：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、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）的变化情势预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势 大 气 中 水 汽 江 河 湖 沼 1 研 究 对 象 地 表 水 海 洋 冰 川 地 下 水 水文学水文学(Hydrology)是一门研究水在自然界中运行
11、、是一门研究水在自然界中运行、变化和分布规律的科学。变化和分布规律的科学。水文学水文学水文气象学水文气象学水文地质学水文地质学地表水文学地表水文学海洋水文学海洋水文学陆地水文学陆地水文学河川水文学河川水文学冰川水文学冰川水文学湖泊水文学湖泊水文学沼泽水文学沼泽水文学 2 2分类：按各种水体分类：按各种水体存在形式存在形式 水文气象学：水文气象学：它是水文科学和大气科学共同关心合作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，以气圈的相互关系，包括大气中水文循环和水量
12、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。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它是气象学与水文学之间的边缘学科,既是应用气象学既是应用气象学的一个分支的一个分支,又是水文学的重要组成部分，其研究成果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。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：海洋水文学着重研
13、究海水的物理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。岸带泥沙运动等。陆地水文学：陆地水文学：陆地上的水量虽然只约占全球陆地上的水量虽然只约占全球总水量的总水量的3.5，但是，淡水几乎都分布在陆，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。陆地水文学是水文究尤其受到人们的重视。
14、陆地水文学是水文科学的主要组成部分。科学的主要组成部分。应用水文学：应用水文学：水文测验学、水文测验学、工程水文学、工程水文学、城市水文城市水文学、农业水文学、水文预报学等学科分支学、农业水文学、水文预报学等学科分支二、工程水文学：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应用于实际工程的水文学称为工程水文学，包，包括有关控制或利用河川和海洋资源所建造的工程，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
15、与运行管理所需要的水文学的其规划、设计、施工与运行管理所需要的水文学的知识。知识。整理整理分析分析掌握掌握收集收集观测观测主要主要任务任务内容包括：内容包括：水文现象变化规律水文现象变化规律水文资料的测验和收集方法水文资料的测验和收集方法水文资料的整理、分析、水文资料的整理、分析、统计和计算方法统计和计算方法 应用于实际工程的水文学称为工程水文学应用于实际工程的水文学称为工程水文学2/2 主要作用：主要作用：1规划设计阶段规划设计阶段：推求设计来水过程（包括洪水），推求设计来水过程（包括洪水），合理确定工程位置、规模合理确定工程位置、规模2施工阶段：施工阶段：推求设计施工期洪水、洪水预报，确推
16、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。近期更确切的水情，以确定施工的进度。3运行阶段：运行阶段：通过水文预报，了解未来一定时期内通过水文预报，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。分发挥工程的效益。基本内容基本内容1 1水文监测水文监测水文资料收集、整理、刊布水文资料收集、整理、刊布 2 2水文分析与计算水文分析与计算:主要运用概率论和数理统计主要运用概率论和数理统计的原理和方法，的原理和方法，
17、对未来长期的水文情势作出概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计暴雨、设计洪水、设计年径流及其他有关水文数据。文数据。如预测长江三峡工程未来千年一遇的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洪水有多大？主要为规划设计提供依据3 3水文预报水文预报 基本内容基本内容3 3水文预报水文预报 a根据暴雨洪水形成理论和河道洪水波传播的规律，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；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、根据水体热量平
18、衡原理对山区融雪径流，河流、水库、湖泊冰情作出预报；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；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。径流及其水位预报。v 例例1 1：1998年长江特大洪水防洪中，曾几次运用年长江特大洪水防洪中，曾几次运用洪水预报洪水预报，及时指导清江，及时指导清江水水库调度库调度，实现清江洪水与三峡，实现清江洪水与三峡洪水错峰洪水错峰，避免了，避免了荆江分洪区荆江分洪区分洪。分洪。v 例例2：长江三峡工程
19、规划设计中的工程水文学问题。：长江三峡工程规划设计中的工程水文学问题。工程水文学v【大坝大坝】坝型：坝型：混凝土重力坝混凝土重力坝 坝顶高程（坝顶高程（m）:185 坝高（坝高（m）:175 坝长（坝长（m）:2335v【溢洪道溢洪道】型式：有闸控制泄洪型式：有闸控制泄洪 泄洪坝段长度（泄洪坝段长度（m）：）：483 设计洪水洪峰流量（设计洪水洪峰流量（m3/s）：）：98800 校核洪水洪峰流量（校核洪水洪峰流量（m3/s）：）：124300v【电站电站】型式：型式：坝后式坝后式 装机容量（装机容量（MW）：）：18200（=26台台 *700MW/台）台）保证出力（保证出力（MW）：）：4
20、990 平均年发电量（亿平均年发电量（亿kW.h）：）：846.8v【船闸船闸】型式：型式：双线五级连续梯级双线五级连续梯级 闸室尺寸（闸室尺寸（m）：）：280*34*5 v【水库水库】校核洪水位（校核洪水位（m）：）：180.4 设计洪水位（设计洪水位（m）：）：175 防洪限制水位（防洪限制水位（m）：）：145 正常高水位（正常高水位（m）：）：175 枯季最低水位（枯季最低水位（m）：）：155 总库容（亿总库容（亿m3）：）：393 防洪库容（亿防洪库容（亿m3）：）：221.5 库面面积（库面面积（km3）：）：1084v【升船机升船机】型式：型式：单线单级垂直提升式单线单级垂直
21、提升式 升船厢尺寸（升船厢尺寸（m）：）：120*18*3.5三峡工程主要技术参数三峡工程主要技术参数v 设计年径流预测设计年径流预测（以确定以确定正常高水位正常高水位、枯季、枯季最低水位最低水位、装机容量、装机容量、平均年发电量平均年发电量等）：等）：平均年径流量平均年径流量 径流年际变化径流年际变化 径流年内变化径流年内变化 v 设计洪水预测设计洪水预测（以确定（以确定校核洪水位校核洪水位、设计洪水位、防洪、设计洪水位、防洪限制水位限制水位、防洪库容、溢洪道尺寸等）：防洪库容、溢洪道尺寸等）：校核洪水（万年一遇）校核洪水（万年一遇）设计洪水（千年一遇）设计洪水（千年一遇）v 水文预报水文预
22、报（指导发电、防洪等）：（指导发电、防洪等）：长期年、月长期年、月径流预报径流预报 中、短期暴雨洪水预报中、短期暴雨洪水预报 三峡工程主要水文学问题三峡工程主要水文学问题成因法确定性规律确定性规律偶然性规律偶然性规律区域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 1-3 工程水文学的工程水文学的研究方法研究方法1-3 1-3 工程水文学的工程水文学的研究方法研究方法一、基本规律一、基本规律 1 1确定性规律（成因规律）确定性规律（成因规律）；河流在任一时刻呈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。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
23、变化和因果关系。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、枯年组的周期交替化、丰、枯年组的周期交替 2 2随机性规律随机性规律：河流水文现象的随机性特征河流水文现象的随机性特征。如某如某河流的某一断面各年径流不同，具有随机性。河流的某一断面各年径流不同，具有随机性。3 3地区规律地区规律：气候因素与地理因素具有地区性变化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二、水文研究的基本方法1 1成因分析法：成因分析法：利用水文现象的确定
24、性规律解决水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。预报、降雨径流分析中，广泛应用。2 2数理统计法：数理统计法：根据水文现象的随机性，运用根据水文现象的随机性，运用概率概率论和数理统计方法论和数理统计方法，分析河流水文特征值系列的统，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。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。合起来解决水文问题。
