工程水文學總復習

1、1工程水文計算工程水文計算Engineering Hydrology Calculation主講馬嵐主講馬嵐2016年年1月月7日日Tel:Email: 北京林業(yè)大學水土保持學院北京林業(yè)大學水土保持學院2工程水文計算工程水文計算總復習總復習第一章 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 流域產匯流計算第五章 設計年徑流第六章 由流量資料推求設計洪水第七章 由暴雨資料推求設計洪水31、水文學、水資源和工程水文學 水文學水文學：研究地球上，包括大氣層、地表和地下在內的所有各種水體的存在、分布、循環(huán)和運動規(guī)律的一門學科，探討水體的物理和化學特性、時空

2、變化以及它們與環(huán)境的相互作用。 水資源水資源：地球表層可供人類利用的水，包括水量、水質、水能資源和水域。對人類最為實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。 工程水文學工程水文學：為水資源開發(fā)工程和其它有關工程的規(guī)劃、設計、施工、管理、運用提供水文依據(jù)的學科。第一章第一章 緒論緒論42、工程水文學的主要研究內容 應用于水利工程，主要研究水利工程的規(guī)劃、設計、施工和運行管理中有關水文計算、水利計算和水文預報的基本理論和方法。 規(guī)劃設計階段規(guī)劃設計階段：確定工程規(guī)模；施工階段施工階段：提供施工期設計洪水；運運營管理階段營管理階段：分析長期來水情勢結合短期水文預報，編

3、制調度方案。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的影響。表現(xiàn)為周期性周期性（或確定性）、隨機性和地區(qū)性規(guī)律（或確定性）、隨機性和地區(qū)性規(guī)律。4、工程水文學的基本研究方法 根據(jù)水文現(xiàn)象的基本規(guī)律，按不同的條件和要求，工程水文學的研究方法通常分為三類：成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法和地理綜合法成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法和地理綜合法。實際工作中，這三種方法相輔相成、互為補充。51、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，注入內陸湖泊或消失于沙漠的河流為內陸河。河流的基本特征：河流長度、河流斷面（橫斷面、縱斷面、中泓線）、河道縱比降。水

4、系及河流地貌定律：斯特拉勒（Strahler）河流分級法。（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、流域長度和平均寬度、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）。第二章第二章 水文循環(huán)與徑流形成水文循環(huán)與徑流形成62、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、降水強度、降水面積和暴雨中心等來描述降水特征。日降水量達到或超過50mm的降水稱為暴雨。 與降水有關的氣象因素：氣溫、氣壓、風、濕度。 降水的分類：按空氣抬升形成動力冷卻的原

5、因分為對流雨、地形雨、鋒面雨和氣旋雨。73、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、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 下滲的物理過程：根據(jù)水分下滲過程中所受的力（分子力、毛管力和重力）和運動特征，下滲過程可分為滲潤、滲漏和滲透三個階段。滲潤和滲漏屬非飽和水流運動（或土壤水運動），而滲透屬于穩(wěn)定的飽和水流運動（或地下水運動）。 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。94、蒸散發(fā) 按蒸發(fā)面的不同，蒸散發(fā)分為水面蒸發(fā)、

6、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、徑流形成過程 徑流形成過程可概括為：降雨過程扣除損失凈雨過程流域匯流流量過程，其中降雨轉化為凈雨的過程稱為產流過程；凈雨轉化為河川流量的過程稱為匯流過程。 10 降雨損失量包括雨期蒸發(fā)、植物截留、填洼和補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)來表示。111、測站與站網(wǎng) 水文測站按其觀測項目可分為水位站、流量站、雨量站等；按其性質又可分為基本站和專用站兩類。

7、水文站網(wǎng)布站的原則：通過所設站網(wǎng)采集到的水文信息經(jīng)過整理分析后，達到可以內插流域內任何地點水文要素的特征值，這也就是水文站網(wǎng)的作用。 水文測站的設立要求測站的水位與流量之間呈良好的穩(wěn)定關系（單一關系）和便于布設基線、水準點和各種斷面（基本水尺斷面、流速儀測流斷面、浮標測流斷面、比降斷面）。 水文測驗的方式：駐測、巡測、間測和自動測報系統(tǒng)。第三章第三章 水文信息采集與處理水文信息采集與處理122、水位觀測 水位的觀測包括基本水尺和比降水尺的水位。 日平均水位計算：若一日內水位變化緩，或系等時距人工觀測或從自記水位計上摘錄，采用算術平均值；若一日內水位變化較大、且系不等時距觀測或摘錄，則采用面積包

8、圍法。3、流量測驗 流量測量的基本方法為流速面積法，測量內容包括斷面測量和流速測量兩部分。流速測定方法包括流速儀法、浮標法等。13一、降雨徑流要素計算一、降雨徑流要素計算1、降雨特性分析、降雨特性分析 降雨強度過程線、降雨量累積曲線和降雨強度降雨強度過程線、降雨量累積曲線和降雨強度歷時曲線。歷時曲線。第四章第四章 流域產匯流計算流域產匯流計算某水文站一次降雨過程某水文站一次降雨過程（1：降雨強度過程線；：降雨強度過程線；2：瞬時：瞬時雨強過程線；雨強過程線；3：降雨量累積曲線）：降雨量累積曲線）14 2、流域平均雨量計算、流域平均雨量計算 （1）算術平均法）算術平均法 （2）泰森多邊形法）泰森

9、多邊形法 （3）等雨量線法）等雨量線法等雨量線法等雨量線法泰森多邊形法泰森多邊形法153、徑流量計算、徑流量計算 （1）洪水場次劃分）洪水場次劃分 （2）流量過程的分割：）流量過程的分割：基流、地下徑流和直接基流、地下徑流和直接徑流。徑流。 （3）退水曲線：采用）退水曲線：采用多次實測洪水退水過程多次實測洪水退水過程的下包線。的下包線。洪水場次劃分洪水場次劃分流量過程的分割流量過程的分割流域地下水退水曲線流域地下水退水曲線4、前期影響雨量的計算、前期影響雨量的計算16二、流域產流分析與計算二、流域產流分析與計算 1、包氣帶對降雨的再分配作用包氣帶對降雨的再分配作用 地面對降雨的再分配作用：按下

10、滲能力與降雨強度的對地面對降雨的再分配作用：按下滲能力與降雨強度的對比關系，地面把降雨分成下滲水量和地面徑流兩部分。比關系，地面把降雨分成下滲水量和地面徑流兩部分。 包氣帶對下滲水量的再分配作用：土壤含水量的增加和包氣帶對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。重力水。重力水最終形成壤中徑流和地下徑流。 2、蓄滿產流與超滲產流蓄滿產流與超滲產流 蓄滿產流：只有在包氣帶達到田間持水量后才產生徑流。蓄滿產流：只有在包氣帶達到田間持水量后才產生徑流。 超滲產流：由于降雨強度超過地面下滲率而產生徑流，超滲產流：由于降雨強度超過地面下滲率而產生徑流，包氣帶未達到

11、田間持水量。包氣帶未達到田間持水量。173、產流計算產流計算降雨徑流相關圖法降雨徑流相關圖法 三變量降雨徑流相關圖三變量降雨徑流相關圖(P+Pa)R 形式的降雨徑流相關圖形式的降雨徑流相關圖三、流域匯流分析與計算三、流域匯流分析與計算 1、流域匯流分析流域匯流分析 流域匯流分為兩個階段：流域匯流分為兩個階段：坡地匯流坡地匯流和和河網(wǎng)匯流河網(wǎng)匯流。18流域匯流流域匯流坡地匯流坡地匯流河網(wǎng)匯流河網(wǎng)匯流地面徑流地面徑流壤中流壤中流地下徑流地下徑流直接徑流匯流直接徑流匯流（地面徑流）（地面徑流）19 2、流域匯流計算流域匯流計算單位線法單位線法 單位線概念單位線概念 單位時段內均勻降落單位單位時段內均

12、勻降落單位深度的地面凈雨，在流域出口深度的地面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。斷面形成的地面徑流過程線。 倍比假定：如單位時段內倍比假定：如單位時段內的凈雨不是一個單位而是的凈雨不是一個單位而是 k 個個單位，則形成的流量過程是單單位，則形成的流量過程是單位線縱標的位線縱標的 k 倍。倍。 疊加假定：如果凈雨不是疊加假定：如果凈雨不是一個時段而是一個時段而是m個時段，則形個時段，則形成的流量過程是各時段凈雨形成的流量過程是各時段凈雨形成的部分流量過程錯開時段疊成的部分流量過程錯開時段疊加。加。 單位線單位線20一、年徑流變化 1、徑流的年際變化和年內變化 徑流的年際變化：豐水年、平水

13、年和枯水年。 徑流的年內變化：豐水期（或洪水期）和枯水期，或汛期與非汛期。 2、年徑流分析計算的目的和內容 目的：推求不同保證率的年徑流量及其分配過程。 內容：搜集和審查資料；年徑流量的頻率分析計算；提供設計年徑流的時程分配；對分析成果進行合理性檢查。第五章第五章 設計年徑流設計年徑流21二、有較長資料時設計年徑流頻率分析計算“三性”審查 可靠性可靠性：檢查原始水位資料，水位流量關系曲線及上、下游站和區(qū)間徑流量的水量平衡。 一致性一致性：年徑流系列都應是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件和同一測流斷面上獲得的。 代表性代表性：樣本對年徑流總體的接近程度。22三、短缺資料時設計年徑流頻率分析計算

14、 徑流實測資料短，或完全沒有徑流實測資料。1、有較短年徑流系列時 尋求有較長觀測系列的參證變量參證變量，通過相關關系，將設計斷面年徑流系列適當?shù)丶右匝娱L至規(guī)范要求的長度。（1）參證變量的選擇 最常采用的參證變量有：設計斷面的水位、上下游測站或鄰近河流測站的徑流量、流域的降水量。（2）年徑流系列的展延2、缺乏實測徑流資料時（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)驗公式法（3）水文比擬法：移置（經(jīng)過修正）水文相似區(qū)內相似流域的實測水文特征。23四、設計年徑流的時程分配設計代表年法 在長系列徑流資料中選擇一個典型的年內分配過程，并按此典型計算設計年徑流量的年內分配。選擇原

15、則是年徑流量與設計值接近，對工程較為不利。年內分配的計算（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段徑流量，按與代表年相同時段徑流量的比值進行縮放。因此，各時段的縮放比不同。24第六章第六章 由流量資料推求設計洪水由流量資料推求設計洪水 對永久性建筑物采用二級標準：設計標準和校核標準。 設計洪水設計洪水：建筑物的尺寸由設計洪水確定，當這種洪水發(fā)生時，建筑物應處于正常運用狀態(tài)。 校核洪水校核洪水：起校核作用，當其來臨時，主要建筑物要確保安全，但工程可處在非常情況下運行，即允許保持較高水位，電站、船閘等正常工作允許遭到破壞。 設計洪水三要素：

16、設計洪峰流量、設計洪水總量和設計洪水過程線。 設計洪水的推求方法：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、設計洪峰流量和設計洪量的計算1、選樣 年最大值法，即每年只選一個最大洪峰流量及某一歷時的最大洪量。2、特大洪水 比系列中一般洪水大得多的洪水稱為特大洪水特大洪水，并且通過洪水調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)驗頻率和統(tǒng)計參數(shù)的計算 將特大洪水的經(jīng)驗頻率與一般洪水的經(jīng)驗頻率分別計算。（1）獨立樣本法 把包括歷史洪水的長系列（N年）和實測的短系列（n年）看作是從總體中隨機抽取的兩個獨立樣本，各項洪峰值可在各自所在系列中排位。（2）統(tǒng)一樣本法 將實測一般

17、洪水系列與特大值系列共同組成一個不連序系列作為代表總體的樣本，不連序系列的各項可在調查期限N年內統(tǒng)一排位。27二、設計洪水過程線的推求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 按洪峰和不同歷時的洪量分別采用不同的倍比，使放大后的過程線的洪峰及各種歷時的洪量分別等于設計洪峰和設計洪量，即“峰、量同頻率放大”。28第七章第七章 由暴雨資料推求設計洪水由暴雨資料推求設計洪水由暴雨資料推求設計洪水的由暴雨資料推求設計洪水的步驟步驟： 推求設計暴雨：用頻率分析法求設計雨量及暴雨過程。推求設計暴雨：用頻率分析法求設計雨量及暴雨

18、過程。 推求設計凈雨：設計暴雨扣除損失（產流計算）。推求設計凈雨：設計暴雨扣除損失（產流計算）。 推求設計洪水：用單位線法等對設計凈雨進行匯流（匯流計算）。推求設計洪水：用單位線法等對設計凈雨進行匯流（匯流計算）?；炯俣ɑ炯俣ǎ汉樗c暴雨同頻率。：洪水與暴雨同頻率。一、直接法推求設計面暴雨量一、直接法推求設計面暴雨量 1、暴雨資料的收集、審查和統(tǒng)計選樣暴雨資料的收集、審查和統(tǒng)計選樣 資料收集：向水文、氣象部門收集；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；資料審查：可靠性、一致性和代表性； 統(tǒng)計選樣：選取固定時段（如統(tǒng)計選樣：選取固定時段（如1、3、7、15天等）年最大值法。天等）年最大值法。29 2、特大暴雨的處理特大暴雨的處理 關鍵是確定重現(xiàn)期：通過調查，關鍵是確定重現(xiàn)期：通過調查，結合歷史文獻記載估計。結合歷史文獻記載估計。二、設計暴雨時空分配的計算二、設計暴雨時空分配的計算 1、選擇典