工程水文学基础--注册土木工程师20090713

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1、第 七 章 工程水文学基础大连理工大学 土木水利学院 2009年7月第7章 工程水文学基础7.1 绪论7.2 水文循环与径流形成7.3 水文测验与水文资料收集7.4 流域产汇流计算7.5 水文统计的基本知识及方法7.6 设计年径流7.1 绪 论 水文学（Hydrology)研究地球上各种水体的一门科学它研究各种水体的存在、循环和分布，探讨 水体的物理和化学特性以及它们对环境的作 用，包括它们对生物的关系。水体：以一定形态存在于自然界中的水的总体 ，如大气中的水汽，地面上的江河、湖泊、沼泽、海洋和地面下的地下水。 7.1 绪 论 水资源（Water Resources）地球表层可供人类利用的水称

2、为水资源。水资源包括水量、水质、水能资源和水域。 工程水文学（Engineering Hydrology ）应用于实际工程的水文学称为工程水文学。它研究与工程的规划、设计、施工以及运营管 理有关的水文问题，主要内容为水文计算和水 文预报。7.1 绪 论7.2 水文循环与径流形成7.2.1 自然界的水循环地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升、 冷却、凝结，并在适当的条件下，再降落到地 面，这种往复的循环过程，称为水（文）循环 自然界中水文循环的主要环节是：蒸发、降水、径流、下渗7.2 水文循环与径流形成7.2.1 自然界的水循环水文循环是最重要、最活跃的物质循环之一 ，与人类有密切的关系。水循

3、环使得人类生产和生活不可缺少的水资 源具有可再生性。水循环的途径及循环的强 弱，决定了水资源的地区分布及时程变化。7.2 水文循环与径流形成7.2.1 自然界的水循环 从海洋上蒸发出来的一部分水汽，被气流带到大陆上空，冷凝后降落到陆地表面。其中一部分重新蒸发又回到 大气中，另一部分从地面和地下汇入河流，最后又注入 海洋。这种海陆间的水循环称为大循环。海洋中的水蒸发后，在空中冷凝又降落到海洋，或陆地 上的水蒸发后又降落到陆地，这种局部的水循环称为小 循环。7.2 水文循环与径流形成7.2.1 水量平衡原理 根据质量守恒定律可知，在水循环过程中，对于任一区域，任一时段，进入的水量与输出的水量之差额

4、必 等于其蓄水量的变量，这称为水量平衡原理。水量平衡原理是水文学的基本原理之一 水量平衡法是分析研究水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等主要方法之 一。 7.2 水文循环与径流形成7.2.1 水量平衡方程 根据水量平衡原理，可以列出水量平衡方程。对某一区域：（7.2.1)时段内输入、输出该区域的总水量。时段内区域蓄水量的变化量，可正可负 。上式为水量平衡方程的通用式。对不同的研究对象，需具体分析其输入、输出量 的组成，写出相应的水量平衡方程式。7.2 水文循环与径流形成7.2.2 河流和流域河流横断面：垂直于水流方向的断面称为河流横断面。河流横断面是河道水位、流量测验

5、计算的重要依据 。河流纵断面：河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线，称 为中泓线或溪谷线。沿河流中泓线的剖面，称为河流的纵断面，又称纵剖面。纵断面图可以用来表示河流的纵坡和落差的沿程分布。它是推算 水流特性和估计水能蕴藏量的主要依据。河流纵比降：任意河段（水面或河底）的高差称为落差。河流比降有水面比降与河底比降。7.2 水文循环与径流形成7.2.2 河流和流域 降落到地表上的水，被高地、山岭分隔而汇集到不同的河流中，这些汇集水流的区域，称为某河流的流域 。流域是河流的集水区域。地面分水线与地下分水线相重合的流域，称为闭合流 域。否则叫不闭合流域。 一般大中河流多按闭合流域考虑。7.2 水文

6、循环与径流形成 闭合流域任意时段水量平衡方程：（7.2.10)P 时段内的降水量（mm）；E时段内的蒸发量（mm）；R时段内的流域出口断面径流量（mm）；S S时段内该流域的蓄水变量（mm）；7.2 水文循环与径流形成闭合流域多年平均情况，其水量平衡方程：(7.2.12)、 、 分别为流域多年平均降水量、多年 平均径流量和多年平均蒸发量。我国利用中小流域的降水量与径流量观测资料，用 水量平衡公式推算出全国各地的总蒸发量，并绘制 了全国多年平均蒸发量等值线图，可供使用。 7.2 水文循环与径流形成7.2.3 降水量观测 常用的方法：器测法器测法的分辨率为0.1mm观测仪器有雨量器和自记雨量计一般

7、采用2段制进行观测，即每日8时及20时各 观测一次。雨季增加观测段次，如4段制或8段 制，雨大时还需加测。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。7.2 水文循环与径流形成7.2.4 土壤水、下渗与地下水下渗指降落到流域表面的降水,由地表进入地下的 过程。图7.2.9 下渗曲线和下渗累积曲线下渗容量(能力)曲线 是指干燥的土壤在充分供水水条件下的下渗过程线7.2 水文循环与径流形成7.2.5 蒸发水文学中研讨的蒸发为自然界（及流域）的蒸发，包括水面蒸发，土壤蒸发及植物蒸散发，其中后两者合称为 陆面蒸发。蒸发过程是水由液态或固态转化为气态的过程，是水分 子运动的结果。影响蒸发过程的主要因素有水温（

8、或土温）、空气饱和 差（湿度）、风速、日照等.流域蒸散发能力Em反映了温 度、湿度、风、日照等气象因素的作用。7.2 水文循环与径流形成7.2.5 蒸发我国水文和气象部门采用的水面蒸发器：20型、80套盆式、E601型蒸发器，水面面积 为20m2和100m2的大型蒸发池E601型蒸发器是目前水文部门普遍采用的观测仪器 。每日8时观测一次，得蒸发器一日（今日8时至明日8 时）的蒸发水深，即日水面蒸发量。一月中每日蒸 发量之和为月蒸发量，一年中每日的蒸发量总和为 年蒸发量。7.2 水文循环与径流形成7.2.6 径流的形成过程径流是指降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川湖泊、 水库、洼地等流动的水

9、流。 径流的形成过程概述: 降落到流域表面上的降水，一部分形成地面径流，一部分渗 入地表土壤，在含水层内形成地下径流。地面径流和地下径 流汇集到河槽中而成河川径流。暴雨洪水主要来源于地面径流，而地下径流对大河枯水期的 水量补给具有重要意义。流域内自降水开始到径流形成并流经流域出口断面为止的整 个物理过程，称为径流形成过程。7.2 水文循环与径流形成7.2.6.1 径流的形成过程为研究径流的形成过程,将其分为产流过程（降水、流域蓄渗）和汇流过程（坡面漫流及河网汇流）。参见 “7.4 流域产汇流计算”。7.2.6.2 影响径流的主要因素1）气候因素2）下垫面因素 (略）3）人类活动的影响（略）7.

10、2 水文循环与径流形成7.2.6 影响径流的主要因素1）气候因素降水 是径流形成的主要因素，降水强度、降水历时 降水面积、暴雨中心以及暴雨移动的方向等都对径流量 及其变化过程都有很大影响。蒸发 是水循环及水量平衡的基本要素之一，对径流 量有直接影响。若雨前流域蒸发量大，则雨前流域蓄水 量就小，降雨的损失量就增大，而径流量减小。因此， 蒸发主要影响径流的产流过程。我国湿润地区年降水量 的3050%，干旱地区年降水量的8095%都消耗于蒸发 ，其余部分才形成径流。 7.2 水文循环与径流形成7.2.7 径流的表示方法和度量单位（1）流量 Q ：指单位时间通过河流某一断面的水量。常用单位为m3/s。

11、（2）径流总量 W ：指时段T内通过河流某一断面的水 量。常用的单位为m3, 亿m3 。(7.2.13) 7.2 水文循环与径流形成（3）径流深 R ：指径流总量平铺在整个流域面积上 所得的水层深度，以mm为单位。(7.2.14)（4）径流系数 a ：指某时段内的径流深R与形成该时段径流量的相应降雨深度P之比值。(7.2.16) 因Rfc时，（i-fc）形成地面径流，fc形成地下径流。设t时 段内降雨量为Pt，蒸散发量为Et，产流面积为FR。由于只有在产流面积上才发生稳定下渗，则时段内所产生的地 下径流量： （7.4.23） 时段的总产流量： （7.4.24） 产流面积等于径流系数： （7.4

12、.25）7.4 流域产汇流计算2）蓄满产流的产流量计算当Pt-Etfct时，不产生地面径流，（Pt-Et）全部 下渗，在产流面积上形成的地下径流RGt为：（7.4.25） 图7.4.8 下渗曲线示意图7.4.2.3 超渗产流的产流量计算 (略）7.4 流域产汇流计算7.4.3 流域汇流计算汇流计算的方法之一：单位线法。7.4.3.1 单位线的基本概念在给定的流域上，单位时段内均匀分布的单位地面（直接）净雨量，在流域出口断面形成的地面（直接）径流 过程线，称为单位线 （如图7.4.10（a）所示）单位净雨量（径流深）一般取10 mm；单位时段可取1、3、6、12、24h等，依流域大小而定。7.4

13、 流域产汇流计算7.4.3.1 单位线的基本概念分析使用单位线时的两条基本假定：1）倍比假定如果单位时段内的净雨不是一个单位而是 k个单位，则 形成的流量过程是单位线纵标的k倍。 2）叠加假定如果净雨不是一个时段而是m个时段，则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开时段叠加。7.4 流域产汇流计算7.4.3.2 单位线的推求单位线可利用实测的降雨径流资料来推求。一般选择时空分布较均匀，历时较短的降雨形成的单峰洪水来分析。 7.4 流域产汇流计算7.4.3.4 单位线的应用一个流域根据多次实测 雨洪资料求得多条单位 线后，经过分类综合， 就可以确定出该流域实 用的单位线，即汇流计 算方

14、案。当流域内降了 一场雨后，先用产流计 算方法推求净雨过程， 再用单位线推求出流过 程。图7.4.12 长江三峡区间按暴雨中心 分类单位线(F=31720km2)7.4 流域产汇流计算7.4.3.5 单位线存在的问题及处理方法单位线假定流域汇流符合倍比和叠加原理，事实上这并不完全符合实际。因此，一个流域不同次洪水分析的单位线有些不同，有时差别还比较大。 1) 洪水大小的影响大洪水一般流速大，汇流较快。因此，用大洪水资料求得的单位线尖瘦，峰高且峰现时间早。小洪水则相反，求得的单位线过程平缓，峰低且峰现 时间迟。 2) 暴雨中心位置的影响单位线假定降雨在流域内分布均匀。事实上，全流域均匀降雨产流的

15、情况是较少见的。流域越大，降雨在流域内分布不均匀状况就越突出。暴雨中 心在上游的洪水，汇流路径长，受流域调蓄作用也大，洪水过程较平缓， 由此洪水求得的单位线也平缓，峰低且峰现时间偏后。反之，若暴雨中心 在下游，由此类洪水推出的单位线过程尖瘦，峰高且峰现时间早。如图 7.4.12所示。遇到上述情况，一般按洪水的大小和暴雨中心位置分别确定单位线，在实际工作中根据具体情况选用。7.5 水文统计的基本知识及方法7.5.1 概述水文变化过程具有不确定性和随机性，故可用统计方法探讨其概率特性。这是工程规划设计中从经济与安全的综合考虑出发广泛地采用设计频率与设计保证率作为决定工程规模的 一项标准的客观背景。对水文过程进行频率分析的目的是推求符合设计保证率的径流量过程线或符合设计频率的洪水过程线。 7.5 水文统计的基本知识及方法7.5.2 水文频率分析7.5.2.1 水文频率曲线概率论中是用概率密度函数或概率分布函数来表示随机变量各种取值的可能性。水文分析中，是通过实际观测资料的统计来研究水文随机变量的各种取值的可能性，即水文频率分析。在工程的规划设计阶段，水文频率分析的任务就是找出代表各种水文随机变量的分布规律的频率