工程水文學(xué)第五章-1,2

1、 研究對象研究對象 根據(jù)水文現(xiàn)象的客觀規(guī)律，利用現(xiàn)時已經(jīng)掌握的水文、氣象資料，預(yù)報水文要素未來變化過程。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 1.短期洪水預(yù)報； 2.施工水文預(yù)報； 研究目的研究目的 防洪：在防汛工作中，及時準確的水文預(yù)報，是防汛抗洪指揮決策的重要科學(xué)依據(jù)； 興利：在水能、水量資源的合理調(diào)度、開發(fā)利用和保護以及航運等工作中，都需要有水文預(yù)報作指導(dǎo)。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1. 水文預(yù)報的重要作用； 2. 水文預(yù)報的分類； 3. 水文預(yù)報工作的基本程序。 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握預(yù)見期的定義及水文預(yù)報工作的基本程序。 可靠的洪水預(yù)報對防止洪水災(zāi)害具有特別重要的作用。例如在河流防洪搶險中，需要及時預(yù)報出防

2、洪地點即將出現(xiàn)的洪峰水位、流量，以便在洪峰到來之前，迅速加高加固堤防、轉(zhuǎn)移可能受淹的群眾和物資，動用必要的防洪設(shè)施等，把洪水災(zāi)害減小到最低限度。圖5.1.1為1998年長江沙市水位預(yù)報與實測情況。圖5.1.1 1998年長江沙市水位預(yù)報與實測情況 在水庫管理中，可以利用洪水預(yù)報，使上游來的洪水與區(qū)間洪水的高峰段彼此錯開（稱錯峰），即下游洪水很大時，水庫把上游來的洪水暫時蓄存起來，待下游洪峰過后，再加大水庫泄量，把上游來的洪水放出來，從而大大減低下游的洪峰和洪水災(zāi)害。例如1998年8月長江中下游發(fā)生近百年一遇的特大洪水，由于及時準確的洪水預(yù)報，對葛洲壩水庫、隔河巖水庫和漳河水庫科學(xué)調(diào)度，使三峽以

3、上來的洪水和清江、沮漳河洪水的洪峰互相錯開，大大降低了荊江河段的洪峰水位，避免了荊江分洪損失，為戰(zhàn)勝該年發(fā)生的特大洪水做出了巨大貢獻。表5.1.1 葛洲壩水庫、隔河巖水庫在錯峰調(diào)度對沙市水位的影響 1.按預(yù)報的項目，水文預(yù)報可分為：按預(yù)報的項目，水文預(yù)報可分為： 徑流預(yù)報：預(yù)報的要素主要是水位和流量，水位預(yù)報指的是水位高程及其出現(xiàn)時間；流量預(yù)報則是流量的大小、漲落時間及其過程。徑流預(yù)報又可分洪水預(yù)報和枯水預(yù)報。冰情預(yù)報：冰情預(yù)報是利用影響河流冰情的前期氣象因子，預(yù)報流凌開始、封凍與開凍日期，冰厚、冰壩及凌汛最高水位等。沙情預(yù)報：沙情預(yù)報則是根據(jù)河流的水沙相關(guān)關(guān)系，結(jié)合流域下墊面因素，預(yù)報年、月

4、和一次洪水的含沙量及其過程。水質(zhì)預(yù)報：預(yù)測河流中污染物遷移轉(zhuǎn)化的時空變化過程。施工水文預(yù)報：在工程施工期間要進行的特殊預(yù)報項目。 2.按預(yù)見期的長短，水文預(yù)報可分為按預(yù)見期的長短，水文預(yù)報可分為短期水文預(yù)報：主要由水文要素作出的預(yù)報。中長期水文預(yù)報：包括氣象預(yù)報性質(zhì)在內(nèi)的水文預(yù)報。 預(yù)報的預(yù)見期是指發(fā)布預(yù)報與預(yù)報要素出現(xiàn)的時間間距。在水文預(yù)報中，預(yù)見期的長與短并沒有明確的時間界限。 水文預(yù)報工作大體上分為兩大步驟水文預(yù)報工作大體上分為兩大步驟 （1）制定預(yù)報方案：）制定預(yù)報方案： 分析預(yù)報要素的形成規(guī)律，建立由過去的觀測資料推算水文預(yù)報要素大小和出現(xiàn)時間的一整套計算方法，即水文預(yù)報方案。 制定

5、的方案按國家水文情報預(yù)報規(guī)范要求的允許誤差進行評定和檢驗。只有質(zhì)量優(yōu)良和合格的方案才能付諸應(yīng)用。圖5.1.2為我國2000年6月30日開始實施的水文情報預(yù)報規(guī)范（SL250-2000）。 （2）進行作業(yè)預(yù)報）進行作業(yè)預(yù)報 將現(xiàn)時發(fā)生的水文氣象信息，經(jīng)過預(yù)報方案算出即將發(fā)生的水文預(yù)報要素大小和出現(xiàn)時間，及時將信息發(fā)布出去，這個過程稱為作業(yè)預(yù)報。 若現(xiàn)時水文氣象信息是通過自動化采集、自動傳送到預(yù)報中心的計算機內(nèi)，由計算機直接按存儲的水文預(yù)報模型程序計算出預(yù)報結(jié)果。這樣的作業(yè)預(yù)報稱為聯(lián)機作業(yè)實時水文預(yù)報。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1. 河段中的洪水波運動； 2. 相應(yīng)水位(流量)法； 3. 合成流量法；

6、4. 流量演算法； 5. 降雨徑流預(yù)報。 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握相應(yīng)水位(流量)法、合成流量法和馬斯京根流量演算方法。 短期洪水預(yù)報的分類：短期洪水預(yù)報的分類：河段洪水預(yù)報：以河槽洪水波運動理論為基礎(chǔ)，由河段上游斷面的水位、流量過程預(yù)報下游斷面的水位和流量過程。降雨徑流預(yù)報：按降雨徑流形成過程的原理，利用流域內(nèi)的降雨資料預(yù)報出流域出口斷面的洪水過程。 1. 洪水波洪水波 流域上大量降水后，產(chǎn)生的凈雨沿坡地迅速匯集，注入河槽，引起流量的劇增。由于降雨量時空分布不均勻、河網(wǎng)干支流和分布形狀的不同，以及水流匯集速度的快慢，河道接納的水量沿程不同，使河道沿程水面發(fā)生高低起伏的一種波動，稱為洪水波。 2

7、. 附加比降附加比降 附加比降是洪水波的主要特征之一。附加比降是指洪水波水面比降與同水位穩(wěn)定流水面比降之差， 即 5-2-1 。0iii 3.河段洪水波的傳播與變形河段洪水波的傳播與變形 由于河槽的調(diào)蓄作用，洪水波向下游傳播過程中，不斷發(fā)生變形，如下圖所示。 在沿棱柱形河槽運動中其變形有兩種形態(tài)： （1）洪水波展開：洪水波在傳播過程中，波長不斷加大，波高不斷減小的現(xiàn)象稱為洪水波的展開，即A2C2A1C1，h2 h1。 （2）洪水波扭曲：洪水波在傳播過程中，波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為洪水波的扭曲。 根據(jù)河段洪水波運動和變形規(guī)律，利用河段上斷面的實測水位(流量)，預(yù)報河段下斷面未來水位(流量

8、)的方法，稱為相應(yīng)水位(流量)法。 1.基本原理基本原理 相應(yīng)水位（流量） 相應(yīng)水位（流量）是指在河段同次洪水過程線上，處于同一位相點上、下站的水位（流量）稱為相應(yīng)水位（流量）。 如下圖所示某次洪水過程線上的各個特征點。例如上游2點洪峰水位經(jīng)過河段傳播時間，在下游站2點的洪峰水位，就是同位相的水位。 河段無區(qū)間入流：設(shè)河段上游站流量為Q上,t，經(jīng)過時間的傳播，下游站的相應(yīng)流量為Q下,t+，兩者的關(guān)系為： Q下,t+=Q上,t-QL 式中QL為洪水波展開量，與附加比降有關(guān)。 河段有區(qū)間入流q：兩者的關(guān)系為： Q下,t+=Q上,t-QL + q 2.無支流河段的相應(yīng)水位預(yù)報無支流河段的相應(yīng)水位預(yù)報

9、 表5-2-1 長江萬縣站三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時間 ,(,)ttttZf ZZZZZ上下上上上,(,)ttttZf ZQQQQ上下上上上 在有支流匯入的河段，按照上游干、支流各站的傳播時間，把各站同時刻到達下游站的流量疊加起來得合成流量，然后建立合成流量與下游站相應(yīng)流量的關(guān)系曲線，進行預(yù)報的方法稱為合成流量法。 nititiQfQ1,上，下， Saint Venant方程方程2020QAxtvvyvvgg ixtxC R連續(xù)性方程動力方程 (1) 基本原理基本原理 河段流量演算是由以下兩個基本公式組成：河槽時段水量平衡方程 若當(dāng)河段內(nèi)有區(qū)間入流量q，將q值并入到上斷面的入流量中進行演算，

10、即： 河段蓄水量與泄流量方程(槽蓄方程)SSSt)QQ(21t)QQ(21122 ,1 ,2 ,1 ,下下上上)(QfS 上上QQqSSSt)QQ(21t)QQ(21122 ,1 ,2 ,1 ,下下上上 (2)馬斯京根法及槽蓄曲線方程馬斯京根法及槽蓄曲線方程 該方法由G.T.麥卡錫(G-T-McCarthy) 1938年應(yīng)用于美國馬斯京根河流域而得名。該法主要是建立馬斯京根槽蓄曲線方程，并與水量平衡方程聯(lián)立求解，進行河段洪水演算。柱蓄：同一下斷面水位(Z下)穩(wěn)定流水面線以下的蓄量(紅色框內(nèi))。漲水情況落水情況實際水面線下斷面穩(wěn)定流水面線實際水面線下斷面穩(wěn)定流水面線漲水情況落水情況()SSx S

11、SQ下Q下Q上()SSx SSQ下Q下Q上(1)SxSx SQ下Q上SKQQ上上SKQQ下下(1)SxSx SQ下Q上(1)SK Qx Q下上(1)QxQx Q下上SKQ)1 ()1 ()(21)(211 ,112,22122,1 ,2,1 ,下上，下上，下下上上QxxQkSQxxQkSSSStQQtQQ (3)馬斯京根流量演算方程馬斯京根流量演算方程 聯(lián)解水量平衡方程式和馬斯京根槽蓄曲線方程式：tKxKtKxKCtKxKKxtCtKxKKxtCQQCQCQ5 . 05 . 0;5 . 05 . 0;5 . 05 . 0C2101 ,21 ,12,02,式中，下上上下 (4)試算法確定試算法確定x、K值值 對某一次洪水，假定不同的x值計算Q，作出Sf(Q)關(guān)系曲線，其中能使二者關(guān)系成為單一直線的x值即為此次洪水所求的x值，而該直線的斜率即為所求的K值。取多次洪水作相同的計算和分析，就可以確定該河段的x、K值。 【例】 (5)馬斯京根法中幾個問題的分析馬斯京根法中幾個問題的分析 K值的綜合值的綜合 K具有時間的因次，它基本上反映河道穩(wěn)定流時河段的傳播時間。 在不穩(wěn)定流情況下，按流量分級，根據(jù)不同的流量取不同的K值。 x值的綜合值的綜合 流量比重因素x除反映楔蓄對流量的作用外，還反映河段的調(diào)蓄能力。對于一定的河段，x在洪水漲落過程中