工程水文學(xué)第一章緒論課件(1)

1、工程水文學(xué) Engineering Hydrology主講：劉新俠主講：劉新俠電話：電話工程水文學(xué)是針對涉水工程的性質(zhì)與需要，將水文學(xué)的基本理論和方法應(yīng)用于工程設(shè)計、建設(shè)與管理的一門技術(shù)學(xué)科。 本門課共32學(xué)時，每周2次課，共8周課。 考查課，平時成績30%，卷面成績70%。第一章 緒論11 地球上的水地球上的水 12 工程水文學(xué)的任務(wù)及內(nèi)容工程水文學(xué)的任務(wù)及內(nèi)容13 工程水文學(xué)的研究方法工程水文學(xué)的研究方法11 地球上的水水是由氫、氧兩種元素組成的一種無機物，在常溫水是由氫、氧兩種元素組成的一種無機物，在常溫常壓下位無色無味的透明液體?；瘜W(xué)分子式：常壓下位無色無味的

2、透明液體?；瘜W(xué)分子式：H H2 2O O。地球表面約有地球表面約有70%70%以上面積被海洋覆蓋。海洋水量占以上面積被海洋覆蓋。海洋水量占總水量的總水量的96.54%96.54%。見。見P1P1，表，表1-1.1-1.一、水循環(huán)一、水循環(huán) 二、水資源二、水資源 三、水災(zāi)害三、水災(zāi)害水體：以一定形態(tài)存在于自然界一定空間的水的總體。水體：以一定形態(tài)存在于自然界一定空間的水的總體。大氣水、地表水、地下水、生物水大氣水、地表水、地下水、生物水固、液、氣固、液、氣大氣、地表、地大氣、地表、地下、生物下、生物海洋、湖泊、水庫、冰川、海洋、湖泊、水庫、冰川、河流、濕地、沼澤等河流、濕地、沼澤等一、水循環(huán)一、

3、水循環(huán)水圈水圈 地球上各種水體通過這種不斷的蒸發(fā)、水汽輸送、冷凝降落、下滲、形成徑流的往復(fù)循環(huán)的過程成為水循環(huán)二、水資源1、水資源的含義水資源的含義（1）廣義：指水圈內(nèi)所有的水。）廣義：指水圈內(nèi)所有的水。（2）狹義：指可供人們經(jīng)常取用的，在一定時間內(nèi)能夠得）狹義：指可供人們經(jīng)常取用的，在一定時間內(nèi)能夠得到恢復(fù)和更新的淡水量。到恢復(fù)和更新的淡水量。 通常指陸地水，又稱陸地水資源，簡稱水資源。通常指陸地水，又稱陸地水資源，簡稱水資源。資料 在地球為人類提供的在地球為人類提供的“大水缸大水缸”里，可以飲用的水實際上只有一里，可以飲用的水實際上只有一湯匙。地球有湯匙。地球有70.8的面積為水所覆蓋，但

4、其中的面積為水所覆蓋，但其中97.5的水是咸水，的水是咸水，無法飲用。在余下的無法飲用。在余下的 2.5的淡水中，有的淡水中，有87是人類難以利用的兩極是人類難以利用的兩極冰蓋、高山冰川和永凍地帶的冰雪。人類真正能夠利用的是江河湖泊冰蓋、高山冰川和永凍地帶的冰雪。人類真正能夠利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，僅約占地球總水量的以及地下水中的一部分，僅約占地球總水量的0.26。即使如此，總。即使如此，總體而言，世界上是不缺水的。但是，世界上淡水資源分布極不均勻，體而言，世界上是不缺水的。但是，世界上淡水資源分布極不均勻，約約65的水資源集中在不到的水資源集中在不到10個國家，而約占世界人口總

5、數(shù)個國家，而約占世界人口總數(shù)40的的 80個國家和地區(qū)卻嚴重缺水。人類使用水資源的方式以及污染更加劇個國家和地區(qū)卻嚴重缺水。人類使用水資源的方式以及污染更加劇了水資源的緊張形勢。上個世紀了水資源的緊張形勢。上個世紀90年代中期以來，全世界每年約有年代中期以來，全世界每年約有5000億億m3污水排入江河湖海，造成污水排入江河湖海，造成35.5億億m3以上的水體受到污染。世以上的水體受到污染。世界淡水資源總量為界淡水資源總量為466666.6667億億m3，我國淡水資源總量為，我國淡水資源總量為28000億億m3，占全球水資源的占全球水資源的6，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，僅次于巴西

6、、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有但人均只有2300 m3，僅為世界平均水平的，僅為世界平均水平的14，美國的，美國的15，在世，在世界上名列界上名列121位。我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為位。我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億億m3左右，人均可利用水資源量約為左右，人均可利用水資源量約為900 m3，并且其分布極不均衡，是，并且其分布極不均衡，是全球全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。個人均水資源最貧乏的國家之一。二、水資源2、我國水資源的特點和問題、我國水資源的特點和問題（1）人均、畝均占有量低）人均、畝均占有量低 我國水資源總量不算少，但人均占有河川徑流

7、量約為我國水資源總量不算少，但人均占有河川徑流量約為2327 m3左右，只相當于世界人均占有量的左右，只相當于世界人均占有量的1/4，每畝耕地，每畝耕地平均占有河川徑流量相當于世界畝均水量的平均占有河川徑流量相當于世界畝均水量的2/3左右，被左右，被列為列為13個貧水國之一。個貧水國之一。 我國多年平均降水量為我國多年平均降水量為648mm，低于全球陸面降水量，低于全球陸面降水量800mm，也低于亞洲的，也低于亞洲的740mm。平均河川徑流總量為。平均河川徑流總量為27115億億m3，折合徑流深為，折合徑流深為284mm，居世界第六位。，居世界第六位。2、我國水資源的特點和問題（2）地區(qū)分布上

8、很不均勻，水土資源組合）地區(qū)分布上很不均勻，水土資源組合 又不平衡又不平衡 我國降水量和徑流量的地區(qū)分布極不均勻，我國降水量和徑流量的地區(qū)分布極不均勻，總的趨勢是由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減?？偟内厔菔怯蓶|南沿海向西北內(nèi)陸遞減。 南方：南方：水多、人多、地少水多、人多、地少； 北方：北方：地多、人多、水少地多、人多、水少。2、我國水資源的特點和問題（3）年內(nèi)、年際變化大，水旱災(zāi)害頻繁）年內(nèi)、年際變化大，水旱災(zāi)害頻繁 據(jù)統(tǒng)計，全國大部分地區(qū)連續(xù)最大四個月降水量占全年據(jù)統(tǒng)計，全國大部分地區(qū)連續(xù)最大四個月降水量占全年70左右，年降水量的最大與最小比值，在南方為左右，年降水量的最大與最小比值，在南方為24

9、倍，倍，在北方為在北方為36倍。年徑流量的最大與最小的比值，在長江、倍。年徑流量的最大與最小的比值，在長江、珠江、松花江為珠江、松花江為23倍，黃河為倍，黃河為4倍。倍。 而且年際間還存在著連豐、連枯的現(xiàn)象，如黃河而且年際間還存在著連豐、連枯的現(xiàn)象，如黃河1922年年1932年連續(xù)年連續(xù)11年的平均年徑流量比正常年少年的平均年徑流量比正常年少30，松花，松花江在近江在近90年中出現(xiàn)過連續(xù)年中出現(xiàn)過連續(xù)11年和連續(xù)年和連續(xù)13年的枯、豐水年組。年的枯、豐水年組。2、我國水資源的特點和問題（4）水土流失嚴重，許多河流含沙量大）水土流失嚴重，許多河流含沙量大 我國森林覆蓋率只有我國森林覆蓋率只有18

10、.21，居世界（世界，居世界（世界森林覆蓋率為森林覆蓋率為27）第）第130位，水土流失嚴重。據(jù)位，水土流失嚴重。據(jù)統(tǒng)計，目前我國水土流失面積約為統(tǒng)計，目前我國水土流失面積約為356萬萬km2，占，占國土面積的國土面積的37.1左右，每年流失泥沙左右，每年流失泥沙50億億t。黃河三、水災(zāi)害 由于天然來水時空分布不均，不能滿足人們正常生活和發(fā)展的要求，會造成洪水和干旱等自然災(zāi)害。 另一方面，人類對水資源的過度開發(fā)和利用，尤其是對水生態(tài)環(huán)境的不利影響，會進一步加劇水災(zāi)害的程度，甚至造成新的水災(zāi)害，使水環(huán)境惡化。牧場遭遇平原融雪型洪水災(zāi)害贛州是信豐縣暴雨洪水災(zāi)害美國密西西比河大洪水天水市干旱災(zāi)害內(nèi)蒙

11、古農(nóng)田草原干旱水環(huán)境惡化12 工程水文學(xué)及其任務(wù)一、工程水文學(xué)的任務(wù)每一項水利工程在其實施過程中，都可以劃分為每一項水利工程在其實施過程中，都可以劃分為規(guī)規(guī)劃設(shè)計、施工、管理運營劃設(shè)計、施工、管理運營三個階段。三個階段。1、在規(guī)劃設(shè)計階段、在規(guī)劃設(shè)計階段 主要是為確定工程規(guī)模提供來水、設(shè)計年徑主要是為確定工程規(guī)模提供來水、設(shè)計年徑流、設(shè)計洪水等水文數(shù)據(jù)。流、設(shè)計洪水等水文數(shù)據(jù)。 2、施工階段、施工階段 為了確定臨時性水工建筑物（如施工圍堰、為了確定臨時性水工建筑物（如施工圍堰、導(dǎo)流隧洞、導(dǎo)流渠）的規(guī)模提供施工期設(shè)計洪水。導(dǎo)流隧洞、導(dǎo)流渠）的規(guī)模提供施工期設(shè)計洪水。 3、管理運營階段、管理運營階

12、段 在此階段，需要知道面臨時期的來水情況，在此階段，需要知道面臨時期的來水情況，以便編制水量調(diào)度方案，合理調(diào)度，充分發(fā)揮工以便編制水量調(diào)度方案，合理調(diào)度，充分發(fā)揮工程效益。因此，在這一階段，水文預(yù)報工作十分程效益。因此，在這一階段，水文預(yù)報工作十分重要。重要。二、工程水文學(xué)的內(nèi)容1、水文信息采集與處理（水文測驗）2、降雨徑流關(guān)系分析3、水文分析與計算4、水文預(yù)報每周2次課，共8周課，32學(xué)時。13 工程水文學(xué)的研究方法一、水文現(xiàn)象的基本特性一、水文現(xiàn)象的基本特性自然界的水文現(xiàn)象極其復(fù)雜，其發(fā)生發(fā)展與氣象因素、地質(zhì)地貌植被等下自然界的水文現(xiàn)象極其復(fù)雜，其發(fā)生發(fā)展與氣象因素、地質(zhì)地貌植被等下墊面因

13、素及人類活動有關(guān)。墊面因素及人類活動有關(guān)。我們把影響水文現(xiàn)象的因素按其影響作用分為我們把影響水文現(xiàn)象的因素按其影響作用分為必然性因素和偶然性因素必然性因素和偶然性因素兩兩類。其中，必然性因素起主導(dǎo)作用，決定著水文現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的趨勢類。其中，必然性因素起主導(dǎo)作用，決定著水文現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的趨勢和方向；而偶然性因素起次要作用，對水文現(xiàn)象的發(fā)展過程起著促進和方向；而偶然性因素起次要作用，對水文現(xiàn)象的發(fā)展過程起著促進和延緩作用，使發(fā)展的確定趨勢出現(xiàn)這樣或那樣的振蕩、偏離。和延緩作用，使發(fā)展的確定趨勢出現(xiàn)這樣或那樣的振蕩、偏離。在水在水文學(xué)中通常稱必然性為確定性，稱偶然性為隨機性。文學(xué)中通常稱必然性為確定

14、性，稱偶然性為隨機性。 經(jīng)過人們對水文現(xiàn)象的長期觀察、觀測、分析和研究，發(fā)現(xiàn)水文現(xiàn)經(jīng)過人們對水文現(xiàn)象的長期觀察、觀測、分析和研究，發(fā)現(xiàn)水文現(xiàn)象具有以下三種基本特性：象具有以下三種基本特性：周期性、隨機性和地區(qū)性。周期性、隨機性和地區(qū)性。二、工程水文學(xué)的基本研究方法 成因分析法成因分析法確定性確定性 根據(jù)水文現(xiàn)象所具有的確定性特點，通過對實測資料根據(jù)水文現(xiàn)象所具有的確定性特點，通過對實測資料或試驗資料的分析，建立某一水文現(xiàn)象的特征值與其主要或試驗資料的分析，建立某一水文現(xiàn)象的特征值與其主要影響因素之間的定量關(guān)系，由其影響因素預(yù)報、預(yù)測未來影響因素之間的定量關(guān)系，由其影響因素預(yù)報、預(yù)測未來水文情勢

15、的方法。如降雨徑流預(yù)報法、河流洪水演算法、水文情勢的方法。如降雨徑流預(yù)報法、河流洪水演算法、水位流量關(guān)系等。水位流量關(guān)系等。 這種方法在水文預(yù)報上應(yīng)用較多，但是，由于水文現(xiàn)這種方法在水文預(yù)報上應(yīng)用較多，但是，由于水文現(xiàn)象的影響因素非常復(fù)雜，使其在應(yīng)用上受到一定的限制，象的影響因素非常復(fù)雜，使其在應(yīng)用上受到一定的限制，目前并不能完全滿足實際的需要。目前并不能完全滿足實際的需要。（2）工程水文學(xué)的基本研究方法 數(shù)理統(tǒng)計法數(shù)理統(tǒng)計法隨機性隨機性 根據(jù)水文現(xiàn)象所具有的隨機性特點，運用概率論和數(shù)根據(jù)水文現(xiàn)象所具有的隨機性特點，運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析水文特征值的統(tǒng)計規(guī)律，對未來水文理統(tǒng)計的方法，

16、分析水文特征值的統(tǒng)計規(guī)律，對未來水文情勢做出概率預(yù)估，為工程規(guī)劃設(shè)計和施工提供設(shè)計水文情勢做出概率預(yù)估，為工程規(guī)劃設(shè)計和施工提供設(shè)計水文依據(jù)。依據(jù)。 數(shù)理統(tǒng)計法是目前水文分析計算的主要方法。，不過數(shù)理統(tǒng)計法是目前水文分析計算的主要方法。，不過這種方法只注重于水文現(xiàn)象的隨機性特點，所得出的統(tǒng)計這種方法只注重于水文現(xiàn)象的隨機性特點，所得出的統(tǒng)計規(guī)律并不能揭示水文現(xiàn)象的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。規(guī)律并不能揭示水文現(xiàn)象的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。（2）工程水文學(xué)的基本研究方法 地區(qū)綜合法地區(qū)綜合法地區(qū)性地區(qū)性 根據(jù)水文現(xiàn)象的地區(qū)性特點，氣候和地理因素相似的根據(jù)水文現(xiàn)象的地區(qū)性特點，氣候和地理因素相似的地區(qū)，水文要素的分布

17、也有一定的地區(qū)分布規(guī)律。依據(jù)本地區(qū)，水文要素的分布也有一定的地區(qū)分布規(guī)律。依據(jù)本地區(qū)已有的水文資料進行分析計算，揭示水文現(xiàn)象某些水地區(qū)已有的水文資料進行分析計算，揭示水文現(xiàn)象某些水文特征值的地區(qū)分布規(guī)律，并以經(jīng)驗公式或等值線圖形式文特征值的地區(qū)分布規(guī)律，并以經(jīng)驗公式或等值線圖形式表示，用于推求觀測資料短缺或缺乏地區(qū)的水文特征值。表示，用于推求觀測資料短缺或缺乏地區(qū)的水文特征值。（2）工程水文學(xué)的基本研究方法 注意：水文計算常常是注意：水文計算常常是三種方法綜合使用，互為補充三種方法綜合使用，互為補充。例如由暴雨資料推求設(shè)計洪水，就是先由數(shù)理統(tǒng)計法求設(shè)計例如由暴雨資料推求設(shè)計洪水，就是先由數(shù)理統(tǒng)

18、計法求設(shè)計暴雨，再按成因分析法將設(shè)計暴雨轉(zhuǎn)化為設(shè)計洪水，其中的暴雨，再按成因分析法將設(shè)計暴雨轉(zhuǎn)化為設(shè)計洪水，其中的成果合理性分析用到地區(qū)性規(guī)律。成果合理性分析用到地區(qū)性規(guī)律。 水文分析計算原則：水文分析計算原則：多種方法，綜合分析，合理選定多種方法，綜合分析，合理選定。14 水文學(xué)的發(fā)展及展望 內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：水文學(xué)發(fā)展的各個階段及特點水文學(xué)發(fā)展的各個階段及特點 學(xué)習要求：學(xué)習要求：一般了解即可。一般了解即可。 水文學(xué)經(jīng)歷了由萌芽到成熟、由定性到定量、由經(jīng)驗到水文學(xué)經(jīng)歷了由萌芽到成熟、由定性到定量、由經(jīng)驗到理論的發(fā)展過程。理論的發(fā)展過程。一、萌芽時期（一、萌芽時期（14001400年以前）

19、年以前） 中國的都江堰（中國的都江堰（20002000年以前建成），至今仍在發(fā)揮年以前建成），至今仍在發(fā)揮巨大的效益；巨大的效益； 呂氏春秋呂氏春秋最先提出水文循環(huán)，至今尚為世界學(xué)術(shù)最先提出水文循環(huán)，至今尚為世界學(xué)術(shù)界所稱道。界所稱道。 在萌芽時期，中國的水文知識居于世界領(lǐng)先地位。在萌芽時期，中國的水文知識居于世界領(lǐng)先地位。二、奠基時期（14001900年） 14241424年中國開始全國統(tǒng)一制作和使用標準測雨器。年中國開始全國統(tǒng)一制作和使用標準測雨器。16101610年年意大利意大利B.B.卡斯泰利提出流量測量方法。英國雷恩發(fā)明自記卡斯泰利提出流量測量方法。英國雷恩發(fā)明自記雨量計。雨量計。

20、17901790年法國年法國R.R.活爾特曼發(fā)明了轉(zhuǎn)子式流速儀。繼而旋槳式、活爾特曼發(fā)明了轉(zhuǎn)子式流速儀。繼而旋槳式、旋杯式流速儀被發(fā)明，流速儀的發(fā)明為水文定量觀測和水旋杯式流速儀被發(fā)明，流速儀的發(fā)明為水文定量觀測和水文科學(xué)提供了有力的工具。文科學(xué)提供了有力的工具。 這一時期中國水文科學(xué)進展比較緩慢。這一時期中國水文科學(xué)進展比較緩慢。三、應(yīng)用水文學(xué)的發(fā)展（19001950年） 進入進入2020世紀，特別是經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)的破壞后，各國世紀，特別是經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)的破壞后，各國都致力于經(jīng)濟恢復(fù)和發(fā)展，迫切需要解決城市建設(shè)、動都致力于經(jīng)濟恢復(fù)和發(fā)展，迫切需要解決城市建設(shè)、動力開發(fā)、交通運輸、工農(nóng)業(yè)用水和防洪等水利工程中的力開發(fā)、交通運輸、工農(nóng)業(yè)用水和防洪等水利工程中的一系列水文問題，促進了水文科學(xué)的迅速發(fā)展。一系列水文問題，促進了水文科學(xué)的迅速發(fā)展。 這一時期，中國從西方引進了新的水文科學(xué)，從事于江這一時期，中國從西方引進了新的水文科學(xué)，從事于江河水文學(xué)的研究。河水文學(xué)的研究。四、水文學(xué)的現(xiàn)代特色與發(fā)展（1950年以后） 5050年代，隨著電子計算技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多水文數(shù)學(xué)年代，隨著電子計算技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多水文數(shù)學(xué)模型，為水文科學(xué)的進一步發(fā)展開創(chuàng)了新途徑。模型，為水文科學(xué)