工程水文學(xué)總復(fù)習(xí).ppt

1、1,工程水文計(jì)算,Engineering Hydrology Calculation,主講馬嵐,2016年1月7日,Tel:Email: ,北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,2,工程水文計(jì)算總復(fù)習(xí),第一章 緒論 第二章 水文循環(huán)與徑流形成 第三章 水文信息采集與處理 第四章 流域產(chǎn)匯流計(jì)算 第五章 設(shè)計(jì)年徑流 第六章 由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水 第七章 由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水,3,1、水文學(xué)、水資源和工程水文學(xué) 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：

2、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。 工程水文學(xué)：為水資源開(kāi)發(fā)工程和其它有關(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,4,2、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。 3、水文現(xiàn)象的基本規(guī)律 水文現(xiàn)象受氣象要素、下墊面因素和人類活動(dòng)的影響。表現(xiàn)為

3、周期性（或確定性）、隨機(jī)性和地區(qū)性規(guī)律。 4、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。,5,1、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。,（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

4、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）。,第二章 水文循環(huán)與徑流形成,6,2、降水及其分類 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。 與降水有關(guān)的氣象因素：氣溫、氣壓、風(fēng)、濕度。 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。,7,3、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。 土壤水分常數(shù)：最大吸濕量

5、、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。,8,（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。 （3）地下水 地下水類型：潛水和承壓水。,9,4、蒸散發(fā) 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。 5、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

6、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。,10,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。,11,1、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

7、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 水文信息采集與處理,12,2、水位觀測(cè) 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。 3、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)刹糠帧Ａ魉贉y(cè)定方法包括流速儀法、浮標(biāo)法等。,13,一、降雨徑流要素計(jì)算 1

8、、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)匯流計(jì)算,某水文站一次降雨過(guò)程 （1：降雨強(qiáng)度過(guò)程線；2：瞬時(shí)雨強(qiáng)過(guò)程線；3：降雨量累積曲線）,14,2、流域平均雨量計(jì)算 （1）算術(shù)平均法 （2）泰森多邊形法 （3）等雨量線法,等雨量線法,泰森多邊形法,15,3、徑流量計(jì)算 （1）洪水場(chǎng)次劃分 （2）流量過(guò)程的分割：基流、地下徑流和直接徑流。 （3）退水曲線：采用多次實(shí)測(cè)洪水退水過(guò)程的下包線。,洪水場(chǎng)次劃分,流量過(guò)程的分割,流域地下水退水曲線,4、前期影響雨量的計(jì)算,16,二、流域產(chǎn)流分析與計(jì)算 1、包氣帶對(duì)降雨的再分配作用 地面對(duì)降雨的再分配作用：按下滲能力

9、與降雨強(qiáng)度的對(duì)比關(guān)系，地面把降雨分成下滲水量和地面徑流兩部分。 包氣帶對(duì)下滲水量的再分配作用：土壤含水量的增加和重力水。重力水最終形成壤中徑流和地下徑流。 2、蓄滿產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流 蓄滿產(chǎn)流：只有在包氣帶達(dá)到田間持水量后才產(chǎn)生徑流。 超滲產(chǎn)流：由于降雨強(qiáng)度超過(guò)地面下滲率而產(chǎn)生徑流，包氣帶未達(dá)到田間持水量。,17,3、產(chǎn)流計(jì)算 降雨徑流相關(guān)圖法,三變量降雨徑流相關(guān)圖,(P+Pa)R 形式的降雨徑流相關(guān)圖,三、流域匯流分析與計(jì)算 1、流域匯流分析 流域匯流分為兩個(gè)階段：坡地匯流和河網(wǎng)匯流。,18,流域匯流,坡地匯流 河網(wǎng)匯流,地面徑流 壤中流 地下徑流,直接徑流匯流 （地面徑流）,19,2、流域匯流

10、計(jì)算單位線法 單位線概念 單位時(shí)段內(nèi)均勻降落單位深度的地面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過(guò)程線。 倍比假定：如單位時(shí)段內(nèi)的凈雨不是一個(gè)單位而是 k 個(gè)單位，則形成的流量過(guò)程是單位線縱標(biāo)的 k 倍。 疊加假定：如果凈雨不是一個(gè)時(shí)段而是m個(gè)時(shí)段，則形成的流量過(guò)程是各時(shí)段凈雨形成的部分流量過(guò)程錯(cuò)開(kāi)時(shí)段疊加。,單位線,20,一、年徑流變化 1、徑流的年際變化和年內(nèi)變化 徑流的年際變化：豐水年、平水年和枯水年。 徑流的年內(nèi)變化：豐水期（或洪水期）和枯水期，或汛期與非汛期。 2、年徑流分析計(jì)算的目的和內(nèi)容 目的：推求不同保證率的年徑流量及其分配過(guò)程。 內(nèi)容：搜集和審查資料；年徑流量的頻率分析計(jì)算；提供

11、設(shè)計(jì)年徑流的時(shí)程分配；對(duì)分析成果進(jìn)行合理性檢查。,第五章設(shè)計(jì)年徑流,21,二、有較長(zhǎng)資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流頻率分析計(jì)算 “三性”審查 可靠性：檢查原始水位資料，水位流量關(guān)系曲線及上、下游站和區(qū)間徑流量的水量平衡。 一致性：年徑流系列都應(yīng)是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件和同一測(cè)流斷面上獲得的。 代表性：樣本對(duì)年徑流總體的接近程度。,22,三、短缺資料時(shí)設(shè)計(jì)年徑流頻率分析計(jì)算 徑流實(shí)測(cè)資料短，或完全沒(méi)有徑流實(shí)測(cè)資料。 1、有較短年徑流系列時(shí) 尋求有較長(zhǎng)觀測(cè)系列的參證變量，通過(guò)相關(guān)關(guān)系，將設(shè)計(jì)斷面年徑流系列適當(dāng)?shù)丶右匝娱L(zhǎng)至規(guī)范要求的長(zhǎng)度。 （1）參證變量的選擇 最常采用的參證變量有：設(shè)計(jì)斷面的水位、上

12、下游測(cè)站或鄰近河流測(cè)站的徑流量、流域的降水量。 （2）年徑流系列的展延 2、缺乏實(shí)測(cè)徑流資料時(shí) （1）參數(shù)等值線圖法，如利用年徑流深等值線圖及Cv等值線圖。 （2）經(jīng)驗(yàn)公式法 （3）水文比擬法：移置（經(jīng)過(guò)修正）水文相似區(qū)內(nèi)相似流域的實(shí)測(cè)水文特征。,23,四、設(shè)計(jì)年徑流的時(shí)程分配 設(shè)計(jì)代表年法 在長(zhǎng)系列徑流資料中選擇一個(gè)典型的年內(nèi)分配過(guò)程，并按此典型計(jì)算設(shè)計(jì)年徑流量的年內(nèi)分配。選擇原則是年徑流量與設(shè)計(jì)值接近，對(duì)工程較為不利。 年內(nèi)分配的計(jì)算 （1）同倍比法 按年徑流量的比值分別乘典型年各月的徑流量。 （2）同頻率法 根據(jù)頻率分析求得的不同時(shí)段徑流量，按與代表年相同時(shí)段徑流量的比值進(jìn)行縮放。因此，

13、各時(shí)段的縮放比不同。,24,第六章由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水,對(duì)永久性建筑物采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)洪水：建筑物的尺寸由設(shè)計(jì)洪水確定，當(dāng)這種洪水發(fā)生時(shí)，建筑物應(yīng)處于正常運(yùn)用狀態(tài)。 校核洪水：起校核作用，當(dāng)其來(lái)臨時(shí)，主要建筑物要確保安全，但工程可處在非常情況下運(yùn)行，即允許保持較高水位，電站、船閘等正常工作允許遭到破壞。 設(shè)計(jì)洪水三要素：設(shè)計(jì)洪峰流量、設(shè)計(jì)洪水總量和設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。 設(shè)計(jì)洪水的推求方法：按所用資料不同分為由流量資料推求和由暴雨資料推求。,25,一、設(shè)計(jì)洪峰流量和設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算 1、選樣 年最大值法，即每年只選一個(gè)最大洪峰流量及某一歷時(shí)的最大洪量。 2、特大洪水 比系列中

14、一般洪水大得多的洪水稱為特大洪水，并且通過(guò)洪水調(diào)查可以確定其量值大小及其重現(xiàn)期者。,26,3、不連序系列經(jīng)驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算 將特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率與一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率分別計(jì)算。 （1）獨(dú)立樣本法 把包括歷史洪水的長(zhǎng)系列（N年）和實(shí)測(cè)的短系列（n年）看作是從總體中隨機(jī)抽取的兩個(gè)獨(dú)立樣本，各項(xiàng)洪峰值可在各自所在系列中排位。 （2）統(tǒng)一樣本法 將實(shí)測(cè)一般洪水系列與特大值系列共同組成一個(gè)不連序系列作為代表總體的樣本，不連序系列的各項(xiàng)可在調(diào)查期限N年內(nèi)統(tǒng)一排位。,27,二、設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線的推求 1、典型洪水選擇 選擇典型洪水的原則。 2、典型洪水過(guò)程線的放大 （1）同倍比放大法 按峰放大或按量放大。 （2）同頻率放大法 按洪峰和不同歷時(shí)的洪量分別采用不同的倍比，使放大后的過(guò)程線的洪峰及各種歷時(shí)的洪量分別等于設(shè)計(jì)洪峰和設(shè)計(jì)洪量，即“峰、量同頻率放大”。,28,第七章由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水,由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水的步驟： 推求設(shè)計(jì)暴雨：用頻率分析法求設(shè)計(jì)雨量及暴雨過(guò)程。 推求設(shè)計(jì)凈雨：設(shè)計(jì)暴雨扣除損失（產(chǎn)流計(jì)算）。 推求設(shè)計(jì)洪水：用單位線法等對(duì)設(shè)計(jì)凈雨進(jìn)行匯流（匯流計(jì)算）。 基本假定：洪水與暴雨同頻率。 一、直接法推求設(shè)計(jì)面暴雨量 1、暴雨資料的收集、審查和統(tǒng)計(jì)選樣 資料收集：向水文、氣象部門收集； 資料審查：可靠性、一致性和代表性； 統(tǒng)計(jì)選樣：選取固定時(shí)段（如