1、第二讲：水利水电基本知识（讲课提纲）水文学的有关概念 水利水电规划 水电站在电网中的作用 水能利用和开发方式 径流调节 水库的特征水位及其库容 工程地质的有关知识水文学的有关概念 水文学是研究地球水圈的存在与运动的科学。水文学主要研究地球上水的形成、循环、时空分布、化学和物理性质以及水与环境的相互关系，为人类防治水旱灾害，合理开发和有效利用水资源，不断改善人类生存和发展的环境条件，提供科学依据。水文学是地理科学中一门独立的基础科学，并与气象学、地质学、地理学、生态学等有着密切的联系；水文学又是一门应用科学，广泛地为水利、农业、林业、城市、交通等部门服务。广义的水文学包括海洋水文学、水文气象学、
2、陆地水文学和应用水文学。水文学通常主要指陆地水文学和应用水文学。水文学的有关概念 海洋水文学：研究海水的化学成分和物理特性、海洋中的波浪、潮汐、海流、海岸泥沙运动。水文气象学：研究水圈和气圈的相互关系，包括大气中的水文循环和水量平衡、暴雨和干旱的发生规律和发展规律，它是水文学和气象学的边缘学科。陆地水文学：研究陆地上水的分布、运动、化学和物理性质以及水与环境相互关系的学科。应用水文学：运用水文学及有关学科的理论，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为农业、水利、林业、电力、交通、城镇供水和排水、环境保护等提供水文参数、水文数据和水文预报服务的一门应用科学。是现代水文学中最富有生气的分支学科。
3、水文学的有关概念 现代水文学的发展方向：人类对水资源的需求越来越迫切，水文学的研究领域正在向着水资源开发利用提供科学依据的方向发展。大规模人类活动对水文循环、进而对地球环境正在产生多方面的影响。研究和评价这种影响，指导人们在开发水资源时注意保护人类生存环境，是水文学科发展中的新课题。水文学和环境科学的交叉学科环境水文学正在育孕而成。现代科学技术，如遥感技术、通信技术、计算机技术、随机过程的理论与方法、系统分析的理论与方法等，正在渗入水文学各领域，使传统水文学方法出现突破性的进展。水文学的研究领域不断扩大，水文学和地理学科中其他学科间的空隙逐渐得到填补，交叉学科正在蓬勃兴起。水文学的有关概念 水
4、文测验技术 近年来，我国从国外引进了许多水文测验技术先进设备，如声学多普勒测流设备、水质自动监测设备等。目前，我国水位、雨量观测实现采集传输自动化，流量、泥沙、水质在线监测有很大进展，在测验方法上保持与国外先进水平同步发展，但在测验设备研发上还相当滞后。水文职工使用流速仪测流水文职工正在抢测洪峰天津海河闸数字化水文站黄河温家川水文站超声波水位计黄河河源区水文自动测报装置水文学的有关概念 水循环（又称水分循环或水文循环）的定义：地球上的水分通过蒸发、水汽输送、降水、下渗、径流等过程不断转化、迁移的现象。水循环由海洋的、大陆的以及各种不同尺度的局部循环系统组成，他们相互联系、周而复始，形成庞大而复
5、杂的动态系统。水循环的范围：向上伸展到大气层约15高，向下深入到地壳平均约1深之间的大气圈、岩石圈、生物圈。根据水在自然界的循环路径，水循环可分为大循环和小循环。水文学的有关概念 水在地球大气圈、水圈和岩石圈之间的循水在地球大气圈、水圈和岩石圈之间的循环过程称为环过程称为大循环大循环过程过程。大循环的路径大循环的路径：海洋水通过蒸发上升到大：海洋水通过蒸发上升到大气中，水蒸汽随大气环流漂移到陆面上空，气中，水蒸汽随大气环流漂移到陆面上空，然后降落到地面，降水的一部分形成地表然后降落到地面，降水的一部分形成地表径流汇流到江河，另一部分下渗到土壤形径流汇流到江河，另一部分下渗到土壤形成地下径流也渗
6、入到江河，江河最终流入成地下径流也渗入到江河，江河最终流入海洋，完成循环过程。海洋，完成循环过程。水文学的有关概念 陆面、湖泊或海洋本身的水，在其自身的陆面、湖泊或海洋本身的水，在其自身的小区域内单独进行循环的过程称为小区域内单独进行循环的过程称为小循环小循环过程过程。小循环路径小循环路径：海洋：海洋蒸发蒸发降水降水海洋。海洋。湖泊湖泊蒸发蒸发降水降水汇流汇流江河江河湖泊。湖泊。土壤土壤蒸发蒸发降水降水下渗下渗土壤。土壤。水文学的有关概念水文学的有关概念自然界水量平衡：水文学的有关概念水文学的有关概念水文学的有关概念 地表水：分别存在于河流、湖泊、沼泽、冰川和冰盖等水体中水分的总称，又称陆地水
7、。流域：河流或湖泊由地表水及地下水的分水线所包围的集水区。集水区的面积，称作流域面积。流域按河道水流归宿的不同，分为外流流域和内流流域。水文学的有关概念 江河水流直接流入海洋的称为外流流域。（如长江、黄河、钱塘江等江河直接流入太平洋）江河水流排入内陆湖或消失在沙漠中、不与海洋相通的称为内流流域。（如塔里木河流入沙漠区的台特马湖）水文学的有关概念 河流泥沙是指水流中携带或淤积下来的岩土颗粒。河流泥沙运动是指河流中泥沙颗粒在水流作用下的冲刷、搬运和堆积过程。在暴雨作用下，流域地表受到侵蚀是产生河流泥沙的主要原因。河流泥沙在水流作用下汇集到河流中，一部分被送入海洋，一部分在河谷内沿程落淤形成冲积层，
8、河流就在它自己造成的冲积层上流动并不断朔造河床。水文学的有关概念 中国西北黄土高原大部分河流汛期含沙量很高，常超过300400kgm3,最大含沙量出现于黄河支流窟野河，为1500 kgm3。黄河多年平均含沙量37 kgm3，海河多年平均含沙量10.7 kgm3，辽河多年平均含沙量5.12kgm3，长江多年平均含沙量1.21 kgm3，珠江多年平均含沙量0.2185kgm3。水文学的有关概念 洪水洪水 河湖在较短时间内发生的流量急剧增加，河湖在较短时间内发生的流量急剧增加，水位明显上升的水流现象。水位明显上升的水流现象。洪水按成因和地理位置不同，分为暴雨洪水、融洪水按成因和地理位置不同，分为暴雨
9、洪水、融雪洪水、山洪、冰凌洪水以及溃坝洪水。雪洪水、山洪、冰凌洪水以及溃坝洪水。一次洪水的流量最大值称为一次洪水的流量最大值称为洪峰流量洪峰流量，一次洪水，一次洪水的总水量称为的总水量称为洪水总量或洪量洪水总量或洪量。特定流域一定历时内，气象上可能发生的最大暴特定流域一定历时内，气象上可能发生的最大暴雨称雨称可能最大暴雨可能最大暴雨，将之转化为洪水为，将之转化为洪水为可能最大可能最大洪水洪水水文学的有关概念 水文统计 在工程上，应用概率论和数理统计学的原理和方法来研究降水、径流、洪水等水文事件发生规律的一种技术途径。降水、径流、洪水等水文事件具有循环性、规律性、随机性和地区性。从短期看，降水、
10、径流、洪水等水文事件是随机性的；从长期看，降水、径流、洪水等水文事件是有规律性的。水文学的有关概念水文学的有关概念水利水电规划 水利水电规划是水利水电建设的一项重要的前期工作；是防治水害、合理开发利用和保护水资源而制定的总体安排；也是水利水电科学的一个重要分支。水利水电规划的类型：流域规划、地区规划、专业规划、跨流域调水规划、工程规划等。水利水电规划 编制水利水电规划的基本原则 坚持可持续发展的原则。坚持水利水电建设与国民经济和社会发展紧密结合的原则。坚持人与自然和谐相处的原则。坚持全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理的原则。坚持量力而行、突出重点的原则。坚持因时因地制宜的原则。水利水电规划
11、水电站在电网中的作用 水力发电的特点：水能是可再生能源；水能可以储蓄和调节；水力发电的可逆性；水电站运行的灵活性；水电站生产成本低、效率高；水电站不产生污染；水电站电能生产存在不均衡性。我国水能资源分布图水利水电规划 水电站在电网中的作用 水轮发电机组开停灵活、快速，能适应电力负荷的变化。有水库调节的水电站适应在腰荷和峰荷工作。没有调节能力的径流式水电站适合在基荷工作。在一个较大的供电区域内，用高压输电线路将各种不同类型的发电厂（火电、水电、核电、风电、潮汐电站等）连接在一起，统一向用电户供电的系统，称为电力系统，也称电网。在电力系统中，用电户在某一时刻所需的电力功率称为电力负荷。水利水电规划
12、 水能利用和开发方式 水力发电是将河流、湖泊或海洋等水体所蕴藏的水力发电是将河流、湖泊或海洋等水体所蕴藏的水能转换为电能的工程技术。水力发电的原理是水能转换为电能的工程技术。水力发电的原理是利用水体的势能而做功，主要因素是流量（利用水体的势能而做功，主要因素是流量（Q）与水头（与水头（H）。）。水力发电的能力以水力发电功率P表示：P=(6.58.5)QH 其中水力发电功率P的单位为kw;流量流量Q Q的单位为的单位为m m3 3s s;水头水头H H的单位为的单位为m m。水利水电规划 按水电站的开发方式，分为按水电站的开发方式，分为蓄水式水电站蓄水式水电站和和径流式水电站。径流式水电站。按水
13、电站的结构形式，分为按水电站的结构形式，分为坝式水电站坝式水电站、引水式水电站引水式水电站和和混合式水电站混合式水电站。蓄水式水电站采用拦河坝形成水库，用输蓄水式水电站采用拦河坝形成水库，用输水管道或输水隧洞，在短距离内形成水头，水管道或输水隧洞，在短距离内形成水头，集中落差发电。坝式水电站和混合式水电集中落差发电。坝式水电站和混合式水电站都属于蓄水式水电站。站都属于蓄水式水电站。位于浙江省的新安江水电厂（水库总库容220亿立方米、总装机容量66.25万千瓦）位于四川省的二滩水电站（水库总库容58亿立方米、总装机容量330万千瓦）水利水电规划 径流式水电站径流式水电站是指对天然径流无调节能力的
14、或仅是指对天然径流无调节能力的或仅能进行水量日调节的水电站。能进行水量日调节的水电站。无调节水电站的特点是完全按照天然径流量发电，无调节水电站的特点是完全按照天然径流量发电，功率和发电量随着天然流量的变化而变化，季节功率和发电量随着天然流量的变化而变化，季节性电能比重大，水量利用率（发电年用水量与多性电能比重大，水量利用率（发电年用水量与多年平均径流量之比）常为年平均径流量之比）常为0.60.7。在径流式水电站中，高水头引水式水电站发电水在径流式水电站中，高水头引水式水电站发电水头比较固定，电站出力主要取决于来水量头比较固定，电站出力主要取决于来水量;而低水而低水头河床式水电站在洪水时常因下游
15、水位抬高，水头河床式水电站在洪水时常因下游水位抬高，水头减少，功率反而降低。头减少，功率反而降低。湖南省茶陵县青年水电站（径流式、河道蓄水、低水头）浙江省景宁县宁润水电站（径流式电站，高水头引水式）吉林省双山水电站(径流式，高水头引水式）安徽皖南山区小水电站（径流式、橡胶坝挡水形成低水头河床式）水利水电规划 径流调节 径流调节:运用湖泊、水库对天然径流进行控制和重新分用湖泊、水库对天然径流进行控制和重新分配，配，以适度改变天然径流在时空上的分布不均，以适度改变天然径流在时空上的分布不均，称为径流称为径流调节。调节。径流调节的目的蓄丰补枯，提高枯水期流量。径流调节的径流调节的目的蓄丰补枯，提高枯
16、水期流量。径流调节的原理为水量平衡。原理为水量平衡。水量平衡公式：水量平衡公式：W W来来WW用用=V V 式中式中W W来来为某一时段从河道进入水库的天然来水量为某一时段从河道进入水库的天然来水量 W W用用为某一时段水库向下游的供水量为某一时段水库向下游的供水量 V V为库容增量为库容增量 V V0 0，表示水库蓄水，库水位上升，表示水库蓄水，库水位上升，库容增加。库容增加。V V0 0，表示水库供水，库水位下降，表示水库供水，库水位下降，库容减少。库容减少。水利水电规划 水库兴利调节的能力：水库调节天然径流以满足各用水部水库兴利调节的能力：水库调节天然径流以满足各用水部门需求（供水、发电
17、、灌溉、航运、河流生态流量补给等）门需求（供水、发电、灌溉、航运、河流生态流量补给等）的能力大小，用库容系数的能力大小，用库容系数表示：表示：库容系数库容系数=兴利库容兴利库容V V兴兴/多年平均年径流量多年平均年径流量W W 库容系数库容系数大，表示水库调节性能好，调节周期长；反大，表示水库调节性能好，调节周期长；反之，表示水库调节性能差，调节周期短。之，表示水库调节性能差，调节周期短。库容系数库容系数0.350.35以上的水库为以上的水库为多年调节水库多年调节水库（可以将（可以将江河丰水年份多余的水蓄存在水库里，供枯水年份调节使江河丰水年份多余的水蓄存在水库里，供枯水年份调节使用）。用）。
18、库容系数库容系数0.250.250.350.35的水库为的水库为年调节水库年调节水库（可以将（可以将设计水平年份内洪水期多余的水蓄存在水库里，供枯水期设计水平年份内洪水期多余的水蓄存在水库里，供枯水期调节使用）。调节使用）。库容系数库容系数0.0250.0250.20.2的水库为的水库为季调节水库季调节水库（可以将（可以将设计枯水年丰水期一部分径流量蓄存在水库里，供枯水季设计枯水年丰水期一部分径流量蓄存在水库里，供枯水季节调节使用）。节调节使用）。水利水电规划水利水电规划 日调节或周调节水库（或水塘）：能将一日或一周内的天然来水按一日或一周内电力负荷变化过程的需要重新安排水量。根据设计经验，设
19、置的日调节水库（或水塘）的调节库容达到设计日来水量的30%50%，就可以进行日调节。在此基础上适度增加库容，即可同时进行周调节。反调节水库：在有承担峰荷任务的水电站下游建一个水库，将水电站下泄的不均匀流量按均匀用水要求再调节一次。水利水电规划 水库的特征水位及其库容 水库的特征水位及其库容应根据水利水电规划的情况，全面考虑技术、经济、河流生态需求和水库应用条件等因素综合确定。水利水电规划 水库的动库容：在水库应用中，特别是洪水期的调洪过程中，由于洪水流动，库区水面线呈抛物线形状，这时实际水面线以下、水库末端和坝址之间的水库容积，称为动库容，其中，实际水面线与坝前水位平面之间的容积，称为锲形库容
20、（也有称为附加库容）。动库容的大小不仅取决于坝前水位，还与入库流量、出库流量的大小有关。同一坝前水位的动库容因入库流量或出库流量的不同而变动，它不是一个固定的数值。以防洪为主要功能的河道型水库、高山峡谷型水库的动库容调洪问题研究是一个崭新的课题。工程地质的有关知识 工程地质学工程地质学是研究工程建设所涉及地质问题的学是研究工程建设所涉及地质问题的学科。科。.在水利水电工程建设中，如果对工程地质工作重在水利水电工程建设中，如果对工程地质工作重视不够、工程地质问题查找不清、施工地质工作视不够、工程地质问题查找不清、施工地质工作出差错，将对工程建设产生严重后果。出差错，将对工程建设产生严重后果。中国
21、的水利水电地质工作者在工程建设的区域构中国的水利水电地质工作者在工程建设的区域构造稳定性研究、坝基工程、高陡边坡工程、地下造稳定性研究、坝基工程、高陡边坡工程、地下厂房和洞室群工程、碦斯特地区建坝、河床深厚厂房和洞室群工程、碦斯特地区建坝、河床深厚覆盖层勘探等方面，都有重大进展，推动了中国覆盖层勘探等方面，都有重大进展，推动了中国工程地质事业的发展。工程地质事业的发展。工程地质的有关知识 岩石岩石是组成地壳的主要物质，是由一种或是组成地壳的主要物质，是由一种或多种矿物组成的集合体。多种矿物组成的集合体。岩石按成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩石按成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩岩3类：类：1.岩
22、浆岩、又称火成岩，是岩浆岩、又称火成岩，是位于地壳深位于地壳深部的岩浆部的岩浆侵入地壳上部或喷出地表凝固而侵入地壳上部或喷出地表凝固而形成的岩石。按照形成机理形成的岩石。按照形成机理,岩浆岩可分为岩浆岩可分为 深成岩、浅层岩和喷出岩深成岩、浅层岩和喷出岩三种类型三种类型工程地质的有关知识 2.沉积岩沉积岩 在常温常压环境下，原先位于地表或接近地表的在常温常压环境下，原先位于地表或接近地表的各种岩石受到外力（风、雨、冰、太阳、水流、各种岩石受到外力（风、雨、冰、太阳、水流、波浪等）作用，逐渐波浪等）作用，逐渐风化风化、剥蚀成大小不一的松、剥蚀成大小不一的松散物质。这些松散物质在流水、风、重力等外
23、力散物质。这些松散物质在流水、风、重力等外力作用下作用下搬运搬运到河口、湖海等地方到河口、湖海等地方沉积沉积下来下来,硬结硬结形形成沉积岩成沉积岩.沉积岩广泛分布在地表，覆盖面占陆地表面积沉积岩广泛分布在地表，覆盖面占陆地表面积70%。沉积岩分为碎屑岩、黏土岩、化学岩、生物化学沉积岩分为碎屑岩、黏土岩、化学岩、生物化学岩四种类型岩四种类型工程地质的有关知识 变质岩变质岩 由于地质环境和物理化学条件的改变由于地质环境和物理化学条件的改变（这些改变是在固态下，在高温、高压、剪应力这些改变是在固态下，在高温、高压、剪应力和特定化学环境的参与下，在地壳深部进行和特定化学环境的参与下，在地壳深部进行），
24、），使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至化学成分发生变化所形成的岩石称为变质岩。化学成分发生变化所形成的岩石称为变质岩。变质岩的分类变质岩的分类，根据变质作用的不同，可分，根据变质作用的不同，可分为接触变质岩、动力变质岩、区域变质岩、气为接触变质岩、动力变质岩、区域变质岩、气液变质岩和混合岩五大类型。液变质岩和混合岩五大类型。我国地形地貌图工程地质的有关知识 地质构造和地质现象 在地球的演变过程中，地壳在地球内部动在地球的演变过程中，地壳在地球内部动力的作用下不断地运动、不断地发展和变力的作用下不断地运动、不断地发展和变化，称为地壳构造运动。化，
25、称为地壳构造运动。地壳运动形成的地壳构造变化称为地质地壳运动形成的地壳构造变化称为地质构造。构造。地质现象是地表和地壳内部在演变过程地质现象是地表和地壳内部在演变过程中出现的缓慢或剧烈变化的现象。中出现的缓慢或剧烈变化的现象。褶皱（岩层受地壳运动的作用形成的连续弯曲现象）节理（又称裂缝）普遍存在沉积岩的岩层中 石灰岩溶洞 （可溶岩是指能被水溶解或溶滤的岩石。可溶岩中分布最广的是碳酸盐岩，可形成各种形态的碦斯特（岩溶）现象）断层是在地壳构造应力作用下，沿破裂面两侧岩体发生显著位移的断裂构造。断层破坏了岩体完整性、降低了岩体强度、增加岩体的透水性，是水利水电工程建设中最常见的地质缺陷。花岗岩的物理
26、风化（长期暴露地表的岩石在日晒、风吹、雨淋等作用下）地下暗河 （地下水以多种形式存在于地下，是河川径流的重要补给源之一）喷水承压井 （承压水是充满于地下上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水）地震 大地发生的突然震动。地球岩石圈的某些部分在内力或外力的作用下发生破裂，所释放能量的一部分以弹性波的形式传播，所到之处引起地面颠簸和摇晃，称为地震。地震发生时地壳内岩石最先开始破裂的部位称为震源，震源垂直向上投影至地表面的地区称为震中。建筑物在地面上到震中的距离称为震中距。工程地质的有关知识工程地质的有关知识 广义的地震包括3大类：天然地震 出于天然原因引起的地震。一般所说的地震指天然地震 中的构造地震。人工地震 出于人类工程活动引发的地震。水库诱发地震 因修建大坝，水库蓄水与地质环境原有的内、外应力的薄弱环节相互作用的结果。出现在水库蓄水初期，震中出现在水库区附近。世界上报道的水库地震事例超过130例，其中中国有27例。2008年5.12汶川大地震，地震灾区许多水库土坝被严重震裂2008年5月24日专家组在四川绵阳红旗水库大坝查勘2008年5月24日专家组在四川绵阳长道沟水库查勘专家组驻地自制的地震监测仪武警水电部队在唐家山堰塞湖紧急开挖引冲槽经过连续10多天的艰苦奋战，唐家山堰塞湖成功泄流 课后思考题：如何计算外流流域和内流流域的流域面积？
