【正文】 1 工程水文及水利計(jì)算 Engineering Hydrology and Water Calculation 主講周買春教授 2022年 7月 27日 Tel: 13535202236 Email: 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 2 《 工程水文學(xué) 》 總復(fù)習(xí) 第一章 緒論 第二章 水文循環(huán)與河川徑流的形成 第三章 水文測(cè)驗(yàn)及水文資料的收集與處理 第四章 流域產(chǎn)流、匯流分析與計(jì)算 第五章 水文預(yù)報(bào) 第六章 水文模型簡(jiǎn)介 第七章 水文統(tǒng)計(jì) 第八章 設(shè)計(jì)年徑流及年輸沙量的分析與計(jì)算 第九章 由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水 第十章 由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水 3 水文學(xué)、水資源、應(yīng)用水文學(xué)和工程水文學(xué)及它們之間的關(guān)系 水文學(xué) ：研究地球上，包括大氣層、地表和地下在內(nèi)的所有各種水體的存在、分布、循環(huán)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，探討水體的物理和化學(xué)特性、時(shí)空變化以及它們與環(huán)境的相互作用。 水資源 ：地球表層可供人類利用的水，包括水量、水質(zhì)、水能資源和水域。對(duì)人類最為實(shí)用的水資源是陸地上每年可以更新的降水量、江河流水量和淺層地下水的淡水量。 應(yīng)用水文學(xué) ：運(yùn)用水文學(xué)及有關(guān)學(xué)科的理論和方法，研究解決各種實(shí)際水文問(wèn)題的途徑和方法，為工程建設(shè)和生產(chǎn)提供水文數(shù)據(jù)、參數(shù)、預(yù)報(bào)服務(wù)的專門應(yīng)用學(xué)科。應(yīng)用水文學(xué)又具體分為：工程水文學(xué)，農(nóng)業(yè)水文學(xué)、土壤水文學(xué)、森林水文學(xué)、都市水文學(xué)等。 工程水文學(xué) ：為水資源開發(fā)工程和其他有關(guān)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、運(yùn)用提供水文依據(jù)的學(xué)科。 第一章 緒論 4 工程水文學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 應(yīng)用于水利工程，主要研究水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理中有關(guān)水文計(jì)算、水利計(jì)算和水文預(yù)報(bào)的基本理論和方法。 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段：確定工程規(guī)模；施工階段：提供施工期設(shè)計(jì)洪水；運(yùn)營(yíng)管理階段：分析長(zhǎng)期來(lái)水情勢(shì)結(jié)合短期水文預(yù)報(bào)，編制調(diào)度方案。 水文現(xiàn)象的基本規(guī)律 水文現(xiàn)象受上界面氣象要素、下墊面因素和人類活動(dòng)的影響。表現(xiàn)為 周期性（或確定性），隨機(jī)性和地區(qū)性規(guī)律 。 工程水文學(xué)的基本研究方法 根據(jù)水文現(xiàn)象的基本規(guī)律，按不同的條件和要求，工程水文學(xué)的研究方法通常分為三類： 成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和地理綜合法 。實(shí)際工作中，這三種方法相輔相成、互為補(bǔ)充。 5 第二章 水文循環(huán)與河川徑流的形成 自然界水文循環(huán)及水資源 水文循環(huán)：水圈中的各種水體通過(guò)不斷蒸發(fā)、水氣輸送、凝結(jié)、降落、下滲，形成地面徑流和地下徑流的往復(fù)循環(huán)過(guò)程。 形成水文循環(huán)的外因是太陽(yáng)輻射和重力，內(nèi)因是水的三態(tài)轉(zhuǎn)化（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)） 。 大循環(huán)與小循環(huán)：海陸間的水分交換過(guò)程稱為大循環(huán)；局部地區(qū)的水文循環(huán)稱為小循環(huán)。小循環(huán)又分為海洋小循環(huán)和內(nèi)陸小循環(huán)。當(dāng)內(nèi)陸距海洋很遠(yuǎn)時(shí)（如我國(guó)的西北地區(qū)） ，內(nèi)陸小循環(huán)成了內(nèi)陸地區(qū)的主要水汽來(lái)源。 水文循環(huán)的作用：聯(lián)系大氣圈、巖石圈和生物圈，塑造地貌形態(tài)，影響氣候變遷，決定水資源分布和生物種群的分布，促進(jìn)全球能量再分配，侵蝕和搬運(yùn)泥沙等。 6 河流及流域特征 （ 1）河流 河流分為河源、上游、中游、下游及河口五段。注入海洋的河流為外流河，注入內(nèi)陸湖泊或消失于沙漠的河流為內(nèi)陸河。 河流的基本特征：河流長(zhǎng)度、河流斷面（橫斷面、縱斷面、中泓線）、河道縱比降。 水系及河流地貌定律：斯特拉勒（ Strahler）河流分級(jí)法；霍頓（ Horton）河流地貌定律 — 河數(shù)律、河長(zhǎng)律、面積律和河流比降律。 （ 2）流域 閉合流域和非閉合流域。 流域的基本特征：流域面積、河網(wǎng)密度、流域長(zhǎng)度和平均寬度、流域形狀系數(shù) 、流域的平均高度和平均坡度、流域自然地理特征（地理位置、氣候特征和下墊面條件）。 7 降水成因和分類 降水包括雨、雪、霰、雹、露、霜等從空中降落到地表的各種液態(tài)水和固態(tài)水，是水文循環(huán)中最活躍的因子。常用降水量、降水歷時(shí)、降水強(qiáng)度、降水面積和暴雨中心等來(lái)描述降水特征。日降水量達(dá)到或超過(guò)50mm的降水稱為暴雨。 對(duì)流層、對(duì)流運(yùn)動(dòng)及氣團(tuán)。 與降水有關(guān)的氣象因素：氣溫（對(duì)流層內(nèi)氣溫直減率、氣溫層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線、地面氣溫的水平方向變化）、氣壓（氣壓場(chǎng)、高空?qǐng)D、地面天氣圖、天氣系統(tǒng)或氣壓系統(tǒng)）、風(fēng)（風(fēng)速、風(fēng)力和風(fēng)向；影響風(fēng)的力有水平氣壓梯度、地轉(zhuǎn)偏向力和地面摩擦力；影響我國(guó)降雨最重要的是季風(fēng)）、濕度（水汽壓、飽和水氣壓、飽和差；絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度； 露點(diǎn)、 比濕）。 降水形成包括三個(gè)過(guò)程：動(dòng)力冷卻過(guò)程、水汽凝結(jié)過(guò)程和降水過(guò)程。 降水的分類：按空氣抬升形成動(dòng)力冷卻的原因分為對(duì)流雨、地形雨、鋒面雨和氣旋雨。 8 影響我國(guó)降水（暴雨）的主要七大天氣系統(tǒng)：高空槽（西北槽和印緬槽）、鋒面氣旋（北支蒙古氣旋、黃河氣旋；南支江淮氣旋和東海氣旋）、低渦（西南渦和東北冷渦）和切變線（華南切變線、江淮切變線和華北切變線）、靜止鋒（地形造成的靜止鋒、溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化形成的靜止鋒）、副熱帶高壓（副高） 、熱帶風(fēng)暴（臺(tái)風(fēng)） 。 土壤水、下滲與地下水 （ 1）土壤水 土壤水的存在形式：吸濕水、薄膜水、毛管水、重力水。 重量含水率 (g/g， %)：土壤所含水分重量占干土總重的百分比。 體積含水率 (cm3/cm3， %)：?jiǎn)挝惑w積土壤中所含水分體積的百分比。 式中 — 水的體積， cm3； — 土樣的總體積， cm3。 土壤水分常數(shù)：最大吸濕量、最大分子持水量、凋萎含水量、毛管斷裂含水量、田間持水量、飽和含水量。 ? ? %100?? VV w?wV V9 （ 2）下滲 下滲的物理過(guò)程：根據(jù)水分下滲過(guò)程中所受的力（分子力、毛管力和重力）和運(yùn)動(dòng)特征，下滲過(guò)程可分為滲潤(rùn)、滲漏和滲透三個(gè)階段。滲潤(rùn)和滲漏屬非飽和水流運(yùn)動(dòng)（或土壤水運(yùn)動(dòng)），而滲透屬于穩(wěn)定的飽和水流運(yùn)動(dòng)（或地下水運(yùn)動(dòng)）。 下滲率 、下滲能力 、下滲（能力）曲線 ；初始下滲率 、穩(wěn)定下滲率 ?；纛D（ Horton）下率滲公式： 。 自然降水（ ）和地面積水不一定能完全滿足充分供水的條件，在沒有地面積水的情況下，根據(jù)降雨強(qiáng)度與下滲能力的比較，下滲過(guò)程有以下三種情況： 、 和 。 （ 3）地下水 地下水類型：包氣帶水、潛水和承壓水。 0f??tfcf ? ? ? ? tcc effftf ????? 0f pfpfi? cfi? pc fif ??i10 蒸散發(fā)及計(jì)算模型 按蒸發(fā)面的不同，蒸散發(fā)分為水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)。在充分供水的條件下，某一蒸發(fā)面上的蒸發(fā)量稱為可能最大蒸發(fā)率或蒸發(fā)能力。 水面蒸發(fā)彭曼公式： 式中 — 凈輻射量； — 水面溫度等于氣溫時(shí)的水面蒸發(fā)； — 氣溫與飽和水汽壓關(guān)系曲線的坡度； — 濕度計(jì)常數(shù)。 土壤蒸發(fā)過(guò)程：自由 I、約束 II和殘余 III三個(gè)階段。 流域總蒸發(fā)的計(jì)算常用的有水量平衡法和模式計(jì) 算法 徑流形成過(guò)程 徑流形成過(guò)程可概括為：降雨過(guò)程 → 扣除損失 → 凈雨過(guò)程 → 流域匯流 → 流量過(guò)程，其中降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過(guò)程稱為產(chǎn)流過(guò)程；凈雨轉(zhuǎn)化為河川流量的過(guò)程稱為匯流過(guò)程。 ? ?an rEQrE ????? 1nQ aE ?r11 降雨損失量包括雨期蒸發(fā)、植物截留、填洼和補(bǔ)充土壤缺水的下滲量。凈雨分為地面凈雨、表層流凈雨和地下凈雨。 匯流過(guò)程包括坡地匯流（坡面漫流、表層流徑流和坡地地下匯流）和河網(wǎng)匯流。 徑流常用流量、徑流量、徑流深、流量模數(shù)、徑流系數(shù)來(lái)表示。 流域水量平衡原理與計(jì)算 水量平衡原理：水文循環(huán)過(guò)程中，任一地區(qū)、任一時(shí)段進(jìn)入的水量與輸出的水量之差等于其蓄水量的變化量。 任一地區(qū)、任一時(shí)段的水量平衡方程 ： 式中 、 — 給定時(shí)段內(nèi)輸入輸出該區(qū)域的總水量； — 時(shí)段內(nèi)區(qū)域蓄水量的變化。 SOI ???I O S?12 測(cè)站與站網(wǎng) 水文測(cè)站按其觀測(cè)項(xiàng)目可分為水位站、流量站、雨量站等；按其性質(zhì)又可分為基本站和專用站兩類。 水文站網(wǎng)布站的原則：通過(guò)所設(shè)站網(wǎng)采集到的水文信息經(jīng)過(guò)整理分析后，達(dá)到可以內(nèi)插流域內(nèi)任何地點(diǎn)水文要素的特征值，這也就是水文站網(wǎng)的作用。 水文測(cè)站的設(shè)立要求測(cè)站的水位與流量之間呈良好的穩(wěn)定關(guān)系（單一關(guān)系）和便于布設(shè)基線、水準(zhǔn)點(diǎn)和各種斷面（基本水尺斷面、流速儀測(cè)流斷面、浮標(biāo)測(cè)流斷面、比降斷面）。 水文測(cè)驗(yàn)的方式：駐測(cè)、巡測(cè)、間測(cè)和自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。 第三章 水文測(cè)驗(yàn)及水文資料的收集與處理 13 水位觀測(cè) 水位與高程數(shù)值一樣，要有一個(gè)基面作為起點(diǎn)，水文測(cè)驗(yàn)中采用的基面有下列四種：絕對(duì)基面、假定基面、測(cè)站基面和凍結(jié)基面。 水位的觀測(cè)包括基本水尺和比降水尺的水位。 日平均水位計(jì)算：若一日內(nèi)水位變化緩，或系等時(shí)距人工觀測(cè)或從自記水位計(jì)上摘錄，采用算術(shù)平均值；若一日內(nèi)水位變化較大、且系不等時(shí)距觀測(cè)或摘錄，則采用面積包圍法。 流量測(cè)驗(yàn) 流量測(cè)量的基本方法為流速面積法，測(cè)量?jī)?nèi)容包括斷面測(cè)量和流速測(cè)量?jī)刹糠?。斷面測(cè)量又分水道斷面測(cè)量和大斷面測(cè)量，而流速測(cè)定方法包括流速儀法、浮標(biāo)法和比降面積法等。 泥沙測(cè)驗(yàn)和計(jì)算 河流中的泥沙，按其運(yùn)動(dòng)形式可分為懸移質(zhì)、推移質(zhì)和河床質(zhì)三類。 含沙量 ：?jiǎn)挝惑w積水體內(nèi)所含干沙的質(zhì)量，單位為 kg/m3。 輸沙率 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過(guò)河流某段面的干沙質(zhì)量，單位為 kg/s。 14 推移質(zhì)測(cè)驗(yàn)：推移質(zhì)采樣器分為沙質(zhì)和卵石兩類。沙質(zhì)推移質(zhì)采樣器適用于平原河流，卵石推移質(zhì)采樣器通常用來(lái)施測(cè) ～ 30cm粗粒徑推移質(zhì)，主要采用網(wǎng)式采樣器。 懸移質(zhì)輸沙量的測(cè)驗(yàn)：先按積點(diǎn)式或積深式測(cè)量懸移質(zhì)含沙量，用流速加權(quán)計(jì)算各條垂線的平均含沙量，結(jié)合測(cè)流計(jì)算的部分流量計(jì)算斷面輸沙率。 單沙斷沙關(guān)系：斷面平均含沙量（簡(jiǎn)稱斷沙）與斷面某一垂線或某一測(cè)點(diǎn)的含沙量（簡(jiǎn)稱單沙）之間的穩(wěn)定關(guān)系。 泥沙顆粒分析內(nèi)容：將有代表性的沙樣，按顆粒大小分級(jí)，分別求出小于各級(jí)粒徑的泥沙重量百分比，在半對(duì)數(shù)紙上繪出泥沙顆粒級(jí)配曲線。 泥沙顆粒分析方法：篩分析法、粒徑計(jì)法、移液管法等。 水文調(diào)查與水文遙感 水文調(diào)查包括洪、枯水及暴雨調(diào)查。 根據(jù)洪水痕跡高程確定洪峰流量的常用方法有：水位流量關(guān)系法、比降法（曼寧公式）和水面曲線法。 15 水文資料處理 （ 1）水位流量關(guān)系的確定 穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線： 同一張圖上繪制 Z～ A、 Z～ V和 Z～ Q 關(guān)系曲線。 不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線：臨時(shí)曲線法和連時(shí)序法。 不同影響因素下水位流量關(guān)系：受洪水漲落影響、受河槽沖淤影響、受變動(dòng)回水影響及受綜合因素影響。 穩(wěn)定情況下 Z~Q 曲線 臨時(shí)曲線法 Z~Q 曲線 （ 1： 1月 1日 ~1月 7日； 2： 1月 7日 ~2月 15日； 3： 2月 15日 ~3月 9日） 16 連時(shí)序法繪制 Z~Q 曲線 受沖淤影響的 Z~Q 曲線 受變動(dòng)回水影響的 Z~Q 曲線 17 （ 2）水位流量關(guān)系曲線的延長(zhǎng) 一般要求高水外延部分不超過(guò)當(dāng)年實(shí)測(cè)流量所對(duì)應(yīng)水位變幅的 30％，低水外延部分不超過(guò) 10％。分別有根據(jù)水位面積、水位流速關(guān)系高水延長(zhǎng)；根據(jù)水力學(xué)公式（曼寧公式、史帝文斯法）高水延長(zhǎng)。 水位面積與水位流速關(guān)系延長(zhǎng) 曼寧公式法高水外延 斯蒂文斯法高水外延 （ 3） 水位流量關(guān)系曲線的移用 18 一、降雨徑流要素計(jì)算 降雨特性分析 降雨強(qiáng)度過(guò)程線、降雨量累積曲線和降雨強(qiáng)度 ~歷時(shí)曲線。 第四章 流域產(chǎn)流、匯流分析與計(jì)算 （ a）