工程水文学基础注册土木工程师20070806课件

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1、第 七 章 工程水文学基础,编著：大连理工大学,2,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,3,7.1 绪 论,水文学（Hydrolodge)是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。 水体是指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。,4,7.1 绪 论,水资源（Water Resources） 地球表层可供

2、人类利用的水称为水资源。 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。,5,7.2 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。 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

3、时程变化。,6,7.2 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小循环。,7,7.2 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

4、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。,8,7.2 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，有 （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。,9,7.2 水文循环与径流形成,7.2.2 河流的基本特征 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

5、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。,10,7.2 水文循环与径流形成,7.2.2 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。 分隔水流的高地，山岭的山脊线，就是相邻流域的分界线，称为分水线（或分水岭）。 一般大中河流多按闭合流域考虑，即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

6、闭合流域。,11,7.2 水文循环与径流形成,闭合流域任意时段水量平衡方程为： （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时段内该流域的蓄水变量（mm）；,12,7.2 水文循环与径流形成,闭合流域多年平均情况，其水量平衡方程为： (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。,13,7.2 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

7、。观测仪器有雨量器和自记雨量计。 器测法其分辨率为0.1mm。 一般采用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。,14,7.2 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。 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,图 7.2.9 下渗曲线和下渗累积曲线,15,7.2 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。 蒸发过程是水由液态或固

8、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（或土温）、空气饱和差、风速等。 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。,16,7.2 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有：20型、80套盆式、E601型蒸发器，以及水面面积为20m2和100m2的大型蒸发池。 其中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。,17,7.2 水文循环与径流形成,7.2.6 径流

9、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。,18,7.2 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.

10、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）,19,7.2 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。,20,7.2 水文循环与径流形成,

11、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。 （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),21,7.2 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R P，故a1。,22,7.2 水文循环与径流形成,7.2.7 河川水文情势 河川水文要素，如水位、流量、泥沙、冰情等长期变化情况，称为河川的水文情

12、势。 它是流域气候以及流域下垫面特性和人类活动等因素综合作用的结果。 从大量的河川径流资料可看出，河川水文情势的特点是不重复性、地区性、周期性、确定性。,23,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3.1 水文测站 水位、流量、降水量、泥沙、蒸发量，下渗量，水温、冰情、水化学、地下水等，统称为水文资料。 水文资料是各种水文分析工作的基础。水文资料的主要来源是水文测站对各项水文要素的长期观测。对各项水文要素的观测，称为水文测验。 水文测站是组织进行水文观测的基层单位，也是收集整理水文资料的基本场所。水文测站的主要任务，就是按照统一标准对指定地点（或断面）的水文要素作系统观测与资料整理。,24,7.

13、3 水文测验与水文资料收集,7.3.1 水文测站 根据测站的性质，水文测站可分为三类，即基本站、专用站和实验站。 基本站是国家水文主管部门在全国大中河流上统一布设和分级管理的水文测站。它按国家颁布的水文测验规范要求，长期地、系统地进行水文要素的观测，为国民经济各方面的需要服务的。 基本站因观测项目不同，又分为水位站、雨量站、泥沙站，同时观测水位和流量的测站也叫水文站。,25,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3.1.2 水文站网 水文测站在地理上的分布网称为水文站网。 单个水文测站观测到的水文资料，只能代表站址处的水文情况。在流域内的一些适当地点设站观测，对所得水文资料进行整理分析，就可以内

14、插出流域内任何地点的水文要素的特征值，这就是水文站网的作用。,26,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3.1.3 测站的布设 测站的布设包括测验河段的选择和测站布设的内容。 选择测验河段的原则在水文测验规范中有明确规定。 主要考虑的是在保证工作安全和测验精度的条件下，有利于简化观测和资料整理工作。具体地说，就是希望测站观测的水位与流量之间存在着良好的稳定关系，从而可根据观测的水位较容易推求流量，减轻测验工作。 在一般河段上设立水文测站，应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中，便于布设测验设施的河段。其顺直长度一般应不小于洪水时主槽河宽的35倍。,27,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3.2

15、水位观测 水位，是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固定基面的高程，以m计。 目前全国统一采用黄海基面。但各流域由于历史的原因，多沿用以往使用的大沽基面、吴淞基面、珠江基面，也有使用假定基面、测站基面或冻结基面的。使用水位资料时一定要查清其基面。 水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。 观测时，水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程即为当时的水位值。可见水尺零点高程是一个重要的数据，要定期根据测站的校核水准点对各水尺的零点高程进行校核。,28,7.3 水文测验与水文资料收集,水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。 基本水尺的观测，当水位变化缓慢时（日变幅在0.12m以内）,每日8

16、时和20时各观测一次（称2段制观测，8时是基本时）；枯水期日变幅在0.06m以内，用1段制观测；日变幅在0.120.24m时，用4段制观测；依次8段、12段制等。有峰谷出现时，还要加测。参见“水文测验规范”。 比降水尺观测的目的是计算水面比降，分析河床糙率等。其观测次数，视需要而定。 水位观测的精度为0.01m。,29,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3.2 水位观测 水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的计算。 日平均水位的计算方法： 若一日内水位变化缓慢，采用算术平均法计算； 若一日内水位变化较大，则采用面积包围法，即将当日024小时内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得。根据逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保证率水位。 如刊布的水文年鉴中，均载有各站的日平均水位表，表中附有月、年平均水位，年及各月的最高、最低水位。汛期内水位详细变化过程则载于水文年鉴中的汛期水文要素摘录表内。,30,7.3 水文测验与水文资料收集,7.3