水文學課件ppt版 課件第九章

第九章地表水流SurfaceFlow本章主要內容洪水波的形成及傳播(Formationandpropagationoffloodwave)1運動波和擴散波(KinematicwaveandDiffusionwave)2槽蓄理論和槽蓄方程(Storagetheory&Storageequation)3Part1Formationandpropagationoffloodwave洪水波的形成(Formationoffloodwave)A洪水波特征(Floodwavecharacteristics)B洪水波運動(Movementoffloodwave)C洪水波水力要素極值的出現(xiàn)時間特征(Occurrencetimeofextremevaluesofhydraulicelements)DPart1Formationandpropagationoffloodwave1-1Formationoffloodwave波洪量在波速度作用下從河道上游向下游運動——洪水波運動（movementoffloodwave）波流量：由于突然注入一定水量而在河道里增加的流量稱為波流量形成原因：暴雨徑流，閘壩放水。PRECIPITATIONPart1Formationandpropagationoffloodwave1-2Floodwavecharacteristics1)幾何特征(Geometriccharacteristics)Part1Formationandpropagationoffloodwave1-2Floodwavecharacteristics1)幾何特征(Geometriccharacteristics)波體(mainbodyoffloodwave)，即洪水波本身，初始穩(wěn)定流水面上的附加部分水體.波高(waveheight)，波體輪廓線上任一點相對于穩(wěn)定流水面的高度。最大波高稱為波峰(waveridge,crest,top,summitpeak).波長(wavelength)，波體與穩(wěn)定流水面交界面的長度。Part1Formationandpropagationoffloodwave1-2Floodwavecharacteristics2)附加比降(Additionalslope)輪廓線相對于穩(wěn)定流水面的比降穩(wěn)定流水面比降為洪水波水面比降為漲洪段（波前），是正的，落洪段（波后）是負的.Part1Formationandpropagationoffloodwave1-2Floodwavecharacteristics3)相應流量與相應水位(Correspondingdischarge(waterlevels,stages))洪水波輪廓線（水面線）上某一位相的流量稱為相應流量，某一位相水位稱為相應水位.峰值的位相最重要.相應于洪峰位相的流量或水位稱為相應洪峰流量或相應洪峰水位.Part1Formationandpropagationoffloodwave1-2Floodwavecharacteristics4)波速(Wavevelocity)洪水波的運動速度。相應流量或相應水位的傳播速度。Part1Formationandpropagationoffloodwave1-3Movementoffloodwave在某一固定斷面，可以測得和過程。為了比較洪水過程隨河長的變化，可以在河段內設置上、下兩個斷面，進行觀測，得和。若河段無旁側入流，則洪水波運動特點一般表現(xiàn)為：（1）洪水總量相等；（2）相應流量（包括洪峰流量）在下斷面出現(xiàn)的時間一定遲于在上斷面出現(xiàn)的時間，它們的時間差稱為傳播時間；（3）相應流量在傳播過程中有的會增加，有的會減少，有的可能不變，形狀發(fā)生坦化(attenuation)扭曲(distortion)I(t)O(t)QtPart1Formationandpropagationoffloodwave1-4Occurrencetimeofextremevaluesofhydraulicelements比降、流速、流量、水位最大比降出現(xiàn)之后出現(xiàn)最大流速、最大流量、最高水位Part2KinematicwaveandDiffusionwave洪水運動的水力學描述(Hydraulicdescriptionoffloodwavemovement)A洪水波的分類(Classificationoffloodwave)B運動波及其特征(Kinematicwave)C擴散波及其特征(Diffusionwave)DPart2KinematicwaveandDiffusionwave2-1HydraulicdescriptionoffloodwavemovementSaint-VenantEquations連續(xù)方程(Continuityequationormassconservationequation)動力方程

(Momentumequation)河底比降摩阻比降Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-2Classificationoffloodwave時間慣性力(局地慣性項)Localinertiaterm空間慣性力(遷移慣性項)Convectiveinertiaterm壓力(Pressure)重力(Gravity)阻力(Friction)InertiaforcePart2KinematicwaveandDiffusionwave2-2Classificationoffloodwave1976年，英國人Ponce對洪水波進行了分類(classificationoffloodwave)洪水波慣性項附加比降項阻力項河底比降項局地慣性項遷移慣性項運動波×××擴散波××慣性波××動力波Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-2Classificationoffloodwave洪水波類型適用范圍運動波山區(qū)性河流、坡面流擴散波河流中下游，尤其中游慣性波湖泊性水庫動力波平原水網(wǎng)區(qū)、感潮河段區(qū)Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3Kinematicwave運動波的H～Q關系為單值關系Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3Kinematicwave消去H：運動波波速解此方程稱為流量演算解此方程稱為水位演算Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3Kinematicwave

(1)特點：(2)C總是為正的，從上游向下游傳播證明方法一：證明方法二：Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3Kinematicwave(3)利用偏微分方程特征理論，可求得上式的等價方程為：

說明波流量不隨時間變化Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3Kinematicwave若每個波流量的速度一樣，這一現(xiàn)象稱為推移作用.運動波在傳播過程中相應流量不發(fā)生變化（推移），但若C隨Q變化，則洪水波會扭曲現(xiàn)象（Distortion）,導致洪水波破碎。若C隨Q變化波的破碎坦化(attenuation)和扭曲(distortion)Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-3KinematicwavePart2KinematicwaveandDiffusionwave2-4Diffusionwave漲洪：落洪：對于同一水位:Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-4Diffusionwave 如何判斷河道內發(fā)生了運動波或擴散波，應點繪水位-流量關系。若H~Q為逆時針繩套關系，則為擴散波。消去H得：Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-4Diffusionwave擴散波波速

消去Q,得：

上面的C、μ同上面的說明.C>0,說明擴散波總是從上游向下游傳播。利用偏微分方程理論得：Part2KinematicwaveandDiffusionwave2-4Diffusionwave因此，擴散波在運動過程中有如下特點：拐點處的流量，由，所以保持不變。兩個拐點之間的流量，包括洪峰流量在內，由于，所以發(fā)生衰減。對于其余流量，由于，所以不僅不衰減，反而有所增加。Part3Storagetheory&storageequation1河槽調節(jié)作用和河段水量平衡方程(Storageeffectsofariverchannelandwaterbalanceequationforareach)2槽蓄方程(Storageequation)3洪水波運動的水文學方法(Hydrologicalmethodoffloodwavemovement)4特征河長(Characteristicriverlength)5槽蓄曲線的特性(NatureofStorage-dischargecurve)Part3Storagetheory&storageequation3-1Storageeffectsofariverchannelandwaterbalanceequationforareach漲洪：落洪：H~Q關系線的繩套越大，河流調蓄作用越大。水量平衡方程：I(t)O(t)Qt(運動波)Part3Storagetheory&storageequation3-2Storageequation槽蓄方程與其影響因素之間的關系式：槽蓄方程的一般形式Part3Storagetheory&storageequation3-3Hydrologicalmethodoffloodwavemovement〔∵〕Part3Storagetheory&storageequation已故美籍華裔學者林斯雷教授認為：河槽蓄量分為柱蓄與楔蓄兩部分。以上斷面入流I和出流O為參數(shù)的河段蓄量表達式為：3-3HydrologicalmethodoffloodwavemovementPart3Storagetheory&storageequation量在槽蓄量中的相對權重，一定程度上反映了楔蓄對流量演算的作用。如果河槽調蓄作用大，則x小，反之x大。例如，對水庫而言，入流量不起作用，x≈0；若波流量在轉播過程中不衰減，即洪水波為運動波，則x=0.5；絕大多數(shù)河流其x=0～0.5之間。為洪水波上游到下游的傳播時間;系數(shù)x表示上、下斷面流其中假定，3-3HydrologicalmethodoffloodwavemovementPart3Storagetheory&storageequation說明：水文學方法做了一些假設，方程可能只描述某種洪水波運動。水力學方法可描述各種洪水波運動，比較嚴密。對于運動波，3-3HydrologicalmethodoffloodwavemovementPart3Stora