工程水文學(xué)總復(fù)習(xí)綜述

1、1工程水文計(jì)算工程水文計(jì)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(xué)水土保持學(xué)院北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院2工程水文計(jì)算工程水文計(jì)算總復(fù)習(xí)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31、水文學(xué)、水資源和工程水文學(xué) 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(mén)學(xué)科，探討水體的物理和化學(xué)特性、時(shí)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(lèi)利用的水，包括水量、水質(zhì)、水能資源和水域。對(duì)人類(lèi)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)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。第一章第一章 緒論緒論42、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)階段規(guī)劃設(shè)計(jì)階段：確定工程規(guī)模；施工階段施工階段：提供施工期設(shè)計(jì)洪水；運(yùn)運(yùn)營(yíng)管理階段營(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

3、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(lèi)活動(dòng)的影響。表現(xiàn)為周期性周期性（或確定性）、隨機(jī)性和地區(qū)性規(guī)律（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(lèi)：成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和地理綜合法成因分析法、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。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(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

4、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(lèi) 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(chēng)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(lèi)：按空氣抬升形成動(dòng)力冷卻的原

5、因分為對(duì)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(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(lèi)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(chēng)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(chēng)為產(chǎn)流過(guò)程；凈雨轉(zhuǎn)化為河川流量的過(guò)程稱(chēng)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。111、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(zhuān)用站兩類(lèi)。

7、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?xún)?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(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

8、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?。流速測(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)算一、降雨徑流要素計(jì)算1、降雨特性分析、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。歷時(shí)曲線。第四章第四章 流域產(chǎn)匯流計(jì)算流域產(chǎn)匯流計(jì)算某水文站一次降雨過(guò)程某水文站一次降雨過(guò)程（1：降雨強(qiáng)度過(guò)程線；：降雨強(qiáng)度過(guò)程線；2：瞬時(shí)：瞬時(shí)雨強(qiáng)過(guò)程線；雨強(qiáng)過(guò)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(jì)算、流域平均雨量計(jì)算 （1）算術(shù)平均法）算術(shù)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(jì)算、徑流量計(jì)算 （1）洪水場(chǎng)次劃分）洪水場(chǎng)次劃分 （2）流量過(guò)程的分割：）流量過(guò)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(shí)測(cè)洪水退水過(guò)程多次實(shí)測(cè)洪水退水過(guò)程的下包線。的下包線。洪水場(chǎng)次劃分洪水場(chǎng)次劃分流量過(guò)程的分割流量過(guò)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(jì)算、前期影響雨量的計(jì)算16二、流域產(chǎn)流分析與計(jì)算二、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

10、滲能力與降雨強(qiáng)度的對(duì)地面對(duì)降雨的再分配作用：按下滲能力與降雨強(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。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。重力水。重力水最終形成壤中徑流和地下徑流。 2、蓄滿(mǎn)產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流蓄滿(mǎn)產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流 蓄滿(mǎn)產(chǎn)流：只有在包氣帶達(dá)到田間持水量后才產(chǎn)生徑流。蓄滿(mǎn)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，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

11、田間持水量。包氣帶未達(dá)到田間持水量。173、產(chǎn)流計(jì)算產(chǎn)流計(jì)算降雨徑流相關(guān)圖法降雨徑流相關(guān)圖法 三變量降雨徑流相關(guān)圖三變量降雨徑流相關(guān)圖(P+Pa)R 形式的降雨徑流相關(guān)圖形式的降雨徑流相關(guān)圖三、流域匯流分析與計(jì)算三、流域匯流分析與計(jì)算 1、流域匯流分析流域匯流分析 流域匯流分為兩個(gè)階段：流域匯流分為兩個(gè)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(jì)算流域匯流計(jì)算單位線法單位線法 單位線概念單位線概念 單位時(shí)段內(nèi)均勻降落單位單位時(shí)段內(nèi)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(guò)程線。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)倍比假定：如單位時(shí)段內(nèi)的凈雨不是一個(gè)單位而是的凈雨不是一個(gè)單位而是 k 個(gè)個(gè)單位，則形成的流量過(guò)程是單單位，則形成的流量過(guò)程是單位線縱標(biāo)的位線縱標(biāo)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(gè)時(shí)段而是一個(gè)時(shí)段而是m個(gè)時(shí)段，則形個(gè)時(shí)段，則形成的流量過(guò)程是各時(shí)段凈雨形成的流量過(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)段疊成的部分流量過(guò)程錯(cuò)開(kāi)時(shí)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(nèi)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(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。第五章第五章 設(shè)計(jì)年徑流設(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

14、 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

15、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，各時(shí)段的縮放比不同。24第六章第六章 由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水由流量資料推求設(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：

16、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 比系列中一般洪水大得多的洪水稱(chēng)為特大洪水特大洪水，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

17、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)洪水由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水的由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水的步驟步驟： 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)暴雨：用頻率分析法求設(shè)計(jì)雨量及暴雨

18、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)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）。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）。基本假定基本假定：洪水與暴雨同頻率。：洪水與暴雨同頻率。一、直接法推求設(shè)計(jì)面暴雨量一、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(mén)收集；資料收集：向水文、氣象部門(mén)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(jì)選樣：選取固定時(shí)段（如統(tǒng)計(jì)選樣：選取固定時(shí)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(guān)鍵是確定重現(xiàn)期：通過(guò)調(diào)查，關(guān)鍵是確定重現(xiàn)期：通過(guò)調(diào)查，結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載估計(jì)。結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載估計(jì)。二、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算二、設(shè)計(jì)暴雨時(shí)空分配的計(jì)算 1、選擇典