水利計算1-緒 論

1、 水文水利計算=水文計算+水利計算 （一）水文學的研究內(nèi)容（一）水文學的研究內(nèi)容 水文學是研究地球上各種水體的一門科學。水文學是研究地球上各種水體的一門科學。 它研究各種水體的起源、存在、分布、循環(huán)和運它研究各種水體的起源、存在、分布、循環(huán)和運動規(guī)律，探討水體的物理、化學特性以及它們對動規(guī)律，探討水體的物理、化學特性以及它們對環(huán)境作用的一門科學。環(huán)境作用的一門科學。 水體是指以一定形式存在于自然界中的水的總體。水體是指以一定形式存在于自然界中的水的總體。 如大氣中的如大氣中的水汽水汽，地面上的江河、湖泊、沼澤、，地面上的江河、湖泊、沼澤、海洋和地面下的地下水等。海洋和地面下的地下水等。 各種水

2、體都有自己的特性和變化規(guī)律。各種水體都有自己的特性和變化規(guī)律。 水文氣象學水文氣象學 河流水文學河流水文學一般所指的水文學一般所指的水文學 湖泊水文學湖泊水文學 冰川水文學冰川水文學 沼澤水文學沼澤水文學 海洋水文學海洋水文學 地下水水文學地下水水文學 水文學有許多實際用途，運用水文學的理論和方水文學有許多實際用途，運用水文學的理論和方法，可以為國民經(jīng)濟建設提供水文設計和水文預法，可以為國民經(jīng)濟建設提供水文設計和水文預報，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市建設和國土整治規(guī)劃提報，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市建設和國土整治規(guī)劃提供水文數(shù)據(jù)，這就形成了水文學的一個重要的分供水文數(shù)據(jù)，這就形成了水文學的一個重要的分支支-應用

3、水文學應用水文學。 工程水文學：工程水文學：應用水文學范圍很廣，應用于工程應用水文學范圍很廣，應用于工程建設（主要是水利工程）的水文學，稱為工程水建設（主要是水利工程）的水文學，稱為工程水文學，主要內(nèi)容包括為水文計算和水文預報。文學，主要內(nèi)容包括為水文計算和水文預報。 水文計算：水文計算： 為防洪排澇、水資源開發(fā)利用和橋涵建筑等工程為防洪排澇、水資源開發(fā)利用和橋涵建筑等工程或非工程措施的規(guī)劃、設計、施工和運用，或非工程措施的規(guī)劃、設計、施工和運用，提供提供水文數(shù)據(jù)水文數(shù)據(jù)的各種的各種水文分析水文分析和和計算計算的總稱。的總稱。 主要任務：主要任務： 估算工程在規(guī)劃設計階段和施工運行期間出現(xiàn)的估

4、算工程在規(guī)劃設計階段和施工運行期間出現(xiàn)的水文設計特征值及其在時間和空間上的分布。水文設計特征值及其在時間和空間上的分布。 水利計算：水利計算： 是以水資源系統(tǒng)開發(fā)和治理河流等水是以水資源系統(tǒng)開發(fā)和治理河流等水體的體的水文情況水文情況（水文計算所提供的數(shù)據(jù)）（水文計算所提供的數(shù)據(jù)）為基礎，結合流域上為基礎，結合流域上用水要求用水要求、徑流調(diào)節(jié)徑流調(diào)節(jié)方式方式和和經(jīng)濟論證經(jīng)濟論證，通過綜合分析計算所得，通過綜合分析計算所得到的結果，可以為確定到的結果，可以為確定工程的規(guī)模工程的規(guī)模和和水工水工建筑物的尺寸建筑物的尺寸提出定量依據(jù)。提出定量依據(jù)。 每一水利工程在其實施過程中，都可每一水利工程在其實施

5、過程中，都可 劃分為劃分為規(guī)劃設計規(guī)劃設計、施工施工及及管理運營管理運營三個階三個階 段。段。 每一階段都需要進行水文水利計算，每一階段都需要進行水文水利計算， 但各階段計算的但各階段計算的任務不相同任務不相同，各有，各有側重點側重點。 工程規(guī)劃設計階段主要是為確定工程規(guī)模工程規(guī)劃設計階段主要是為確定工程規(guī)模提供水文依據(jù)提供水文依據(jù)(合理地確定工程措施的規(guī)模合理地確定工程措施的規(guī)模)。 水文計算的主要任務水文計算的主要任務 要研究工程修建后，在長期使用期限內(nèi)的水文要研究工程修建后，在長期使用期限內(nèi)的水文情勢，提出作為工程設計依據(jù)的水文特征值（設情勢，提出作為工程設計依據(jù)的水文特征值（設計年徑流

6、、設計洪水、固體徑流等）。計年徑流、設計洪水、固體徑流等）。 水利計算的任務水利計算的任務 則是根據(jù)設計水文數(shù)據(jù)，通過計算，選則是根據(jù)設計水文數(shù)據(jù)，通過計算，選定工程樞紐參數(shù)（如正常蓄水位、死水位定工程樞紐參數(shù)（如正常蓄水位、死水位等），并確定主要建筑物的尺寸（如壩高、等），并確定主要建筑物的尺寸（如壩高、溢洪道尺寸等），然后詳細計算各項水利溢洪道尺寸等），然后詳細計算各項水利經(jīng)濟指標，進行經(jīng)濟論證。經(jīng)濟指標，進行經(jīng)濟論證。 施工階段的任務是將規(guī)劃設計好的建筑物建施工階段的任務是將規(guī)劃設計好的建筑物建成，將各項非工程措施付諸實施。成，將各項非工程措施付諸實施。 水文計算的任務水文計算的任務 提

7、供預估的施工期設計洪水，提供預估的施工期設計洪水， 水利計算的任務水利計算的任務 在此階段水文計算提供的水文數(shù)據(jù)的在此階段水文計算提供的水文數(shù)據(jù)的基礎上，確定臨時性水工建筑物的規(guī)模尺寸基礎上，確定臨時性水工建筑物的規(guī)模尺寸（施工圍堰，導流隧洞和導流渠等）（施工圍堰，導流隧洞和導流渠等）。 水利工程工期一般較長，往往需要一個季度甚水利工程工期一般較長，往往需要一個季度甚至長達幾年。至長達幾年。 對水文情勢的了解有兩個方面的必要性：對水文情勢的了解有兩個方面的必要性： 一是為了確定臨時性建筑物如圍堰、引水隧洞或渠道的規(guī)一是為了確定臨時性建筑物如圍堰、引水隧洞或渠道的規(guī)模等，須預報整個施工期的天然來

8、水情勢，需通過水文計模等，須預報整個施工期的天然來水情勢，需通過水文計算來解決這個問題。算來解決這個問題。 另一方面，為了安排日常工作（施工安排與組織調(diào)度）另一方面，為了安排日常工作（施工安排與組織調(diào)度）也必須了解近期更確切的水情，這就需要也必須了解近期更確切的水情，這就需要提供短期的水文提供短期的水文預報。預報。水文預報是為解決這一類問題服務的。水文預報是為解決這一類問題服務的。 工程管理運營階段，其主要任務在于使建成的工程管理運營階段，其主要任務在于使建成的工程充分發(fā)揮作用。工程充分發(fā)揮作用。 1.為此需要知道面臨時期的水文情況，以便編制水量為此需要知道面臨時期的水文情況，以便編制水量調(diào)度

9、方案，合理調(diào)度，充分發(fā)揮工程的效益。因此，這一調(diào)度方案，合理調(diào)度，充分發(fā)揮工程的效益。因此，這一階段的水文預報工作十分重要階段的水文預報工作十分重要 需要由水文分析得到的長期平均情勢結合水文預報的需要由水文分析得到的長期平均情勢結合水文預報的短期水情，通過水利計算可以提供最佳的調(diào)度運行方案，短期水情，通過水利計算可以提供最佳的調(diào)度運行方案，使效益最大化。使效益最大化。 2.2.此外，在工程運用期間隨著水文資料的積累，此外，在工程運用期間隨著水文資料的積累，還要經(jīng)常地復核和修正原設計的水文數(shù)據(jù)，改進還要經(jīng)常地復核和修正原設計的水文數(shù)據(jù)，改進調(diào)度方案或對工程實行必要的改造調(diào)度方案或對工程實行必要的

10、改造 水文計算為第一環(huán)節(jié)，水文計算為第一環(huán)節(jié)， 其輸入為其輸入為基本水文氣象資料基本水文氣象資料，輸出是，輸出是當?shù)乜赡艹霎數(shù)乜赡艹霈F(xiàn)的水文情勢現(xiàn)的水文情勢。 水利計算為第二環(huán)節(jié)，水利計算為第二環(huán)節(jié)， 其輸入的基本部分為其輸入的基本部分為水文計算的輸出水文計算的輸出（當?shù)乜赡埽ó數(shù)乜赡艹霈F(xiàn)的水文情勢）出現(xiàn)的水文情勢）再考慮區(qū)域各種情況和國再考慮區(qū)域各種情況和國民經(jīng)濟對水資源開發(fā)的需求，分析研究各種設計民經(jīng)濟對水資源開發(fā)的需求，分析研究各種設計方案的經(jīng)濟效益，方案的經(jīng)濟效益，從中選出最優(yōu)方案從中選出最優(yōu)方案（最終的輸（最終的輸出）出） 。水利工程從修建到運用所經(jīng)過的的每個階段的水利工程從修建到運

11、用所經(jīng)過的的每個階段的水文水利計算大體可分為兩大不可缺少的環(huán)節(jié)。水文水利計算大體可分為兩大不可缺少的環(huán)節(jié)。一、一、水文現(xiàn)象的基本特性和水文學的研水文現(xiàn)象的基本特性和水文學的研究方法究方法1、水文現(xiàn)象的基本特性、水文現(xiàn)象的基本特性2、水文學的研究方法、水文學的研究方法水文現(xiàn)象：水文現(xiàn)象：水在循環(huán)過程中的存在和運動的各種形態(tài)。例如蒸發(fā)、降水、河流和湖泊中的水位漲落、冰例如蒸發(fā)、降水、河流和湖泊中的水位漲落、冰情變化、冰川進退、地下水的運動和水質變化等，情變化、冰川進退、地下水的運動和水質變化等，統(tǒng)稱水文現(xiàn)象。統(tǒng)稱水文現(xiàn)象。水文現(xiàn)象同好多其他現(xiàn)象一樣，具有水文現(xiàn)象同好多其他現(xiàn)象一樣，具有必然性必然性

12、和和偶偶然性然性兩方面。另外，它還具有兩方面。另外，它還具有地區(qū)分布的地帶性地區(qū)分布的地帶性和局地變化。和局地變化。 確定性：在水文學中通常稱必然性為確定性，確定性：在水文學中通常稱必然性為確定性， 隨機性：在水文學中通常稱偶然性為隨機性隨機性：在水文學中通常稱偶然性為隨機性 a.河流每年出現(xiàn)水量豐沛的汛期和水量較少河流每年出現(xiàn)水量豐沛的汛期和水量較少 的枯水期的周期性交替，冰雪補給的河流的枯水期的周期性交替，冰雪補給的河流 具有以日為周期的水量變化。具有以日為周期的水量變化。 形成這種周期變化的基本原因，是地球的形成這種周期變化的基本原因，是地球的 公轉和自轉，使水文現(xiàn)象也出現(xiàn)相應的周公轉和

13、自轉，使水文現(xiàn)象也出現(xiàn)相應的周 期變化。期變化。 如果暴雨強度大，歷時長，籠罩面積大，如果暴雨強度大，歷時長，籠罩面積大，產(chǎn)生的洪水就大。產(chǎn)生的洪水就大。 洪水與暴雨之間存在因果關系，這就說明洪水與暴雨之間存在因果關系，這就說明 水文現(xiàn)象都有其客觀發(fā)生的原因和具體形水文現(xiàn)象都有其客觀發(fā)生的原因和具體形 成的條件。它是服從確定性規(guī)律的，但這成的條件。它是服從確定性規(guī)律的，但這 種規(guī)律并不能由嚴密的數(shù)理方程表達出來。種規(guī)律并不能由嚴密的數(shù)理方程表達出來。 水文現(xiàn)象受眾多因素綜合影響，致使水文水文現(xiàn)象受眾多因素綜合影響，致使水文 現(xiàn)象的變化過程，表現(xiàn)出不確定性，即隨現(xiàn)象的變化過程，表現(xiàn)出不確定性，即

14、隨 機性。機性。 如河流某斷面每年洪水期出現(xiàn)的最大洪峰如河流某斷面每年洪水期出現(xiàn)的最大洪峰 流量、枯水期的最小流量或年徑流量的大流量、枯水期的最小流量或年徑流量的大 小是變化莫測的，具有隨機性的特點。小是變化莫測的，具有隨機性的特點。 但通過長期觀測可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，特大洪但通過長期觀測可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，特大洪 水流量和特小枯水流量出現(xiàn)的機會較小，中水流量和特小枯水流量出現(xiàn)的機會較小，中 等的洪水和枯水出現(xiàn)的機會就較大，而多年等的洪水和枯水出現(xiàn)的機會就較大，而多年 平均徑流量卻是一個趨近穩(wěn)定的數(shù)值。平均徑流量卻是一個趨近穩(wěn)定的數(shù)值。 統(tǒng)計規(guī)律：統(tǒng)計規(guī)律：水文現(xiàn)象的這種隨機性規(guī)律需要水文現(xiàn)象的這

15、種隨機性規(guī)律需要 從大量資料統(tǒng)計出來，就通常稱為統(tǒng)計規(guī)律。從大量資料統(tǒng)計出來，就通常稱為統(tǒng)計規(guī)律。 例如，例如，東亞東亞地區(qū)的年雨量和年徑流量都存地區(qū)的年雨量和年徑流量都存 在著隨緯度和離海洋距離的增大而自東南在著隨緯度和離海洋距離的增大而自東南 向西北逐漸減小的趨勢，形成這種趨勢的向西北逐漸減小的趨勢，形成這種趨勢的 原因是原因是各地的氣候條件隨地理位置呈有規(guī)各地的氣候條件隨地理位置呈有規(guī) 律的變化律的變化地帶性反映水文現(xiàn)象在地帶性反映水文現(xiàn)象在空間變空間變 化方面化方面存在存在確定性確定性的一面。的一面。 然而，當某些地區(qū)下墊面因素呈現(xiàn)出十分然而，當某些地區(qū)下墊面因素呈現(xiàn)出十分明顯的明顯的

16、局地性局地性時，水文現(xiàn)象的地帶性規(guī)律時，水文現(xiàn)象的地帶性規(guī)律在這些地區(qū)會變得模糊甚至被掩蓋，而表在這些地區(qū)會變得模糊甚至被掩蓋，而表現(xiàn)出局地特殊性的特征。現(xiàn)出局地特殊性的特征。 例如，例如，巖溶地區(qū)巖溶地區(qū)的徑流特征與它周圍地區(qū)的徑流特征與它周圍地區(qū)的徑流特征往往迥然不同，這種局地變化的徑流特征往往迥然不同，這種局地變化反映水文現(xiàn)象在空間變化方面也存在不確反映水文現(xiàn)象在空間變化方面也存在不確定性的一面。定性的一面。 根據(jù)水文現(xiàn)象的基本特性，水文學的研究方法通?？煞譃槿?(1) 成因分析法成因分析法 (2) 數(shù)理統(tǒng)計法數(shù)理統(tǒng)計法 (3) 地理綜合法地理綜合法 利用水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律解決水文問

17、題的方法，利用水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律解決水文問題的方法，稱為成因分析法（稱為成因分析法（水文氣象水文氣象成因成因分析方法分析方法）。 當某種水文現(xiàn)象與其影響因素之間確定性關系較當某種水文現(xiàn)象與其影響因素之間確定性關系較為明確時，可通過觀測資料和實驗數(shù)據(jù)，建立水為明確時，可通過觀測資料和實驗數(shù)據(jù)，建立水文現(xiàn)象與影響因素之間的定量關系，這樣，就可文現(xiàn)象與影響因素之間的定量關系，這樣，就可以根據(jù)當前影響因素的狀況，預測未來的水文現(xiàn)以根據(jù)當前影響因素的狀況，預測未來的水文現(xiàn)象。在水文現(xiàn)象基本分析和水文預報中得到廣泛象。在水文現(xiàn)象基本分析和水文預報中得到廣泛應用（應用（可能最大暴雨與可能最大洪水可能最大暴

18、雨與可能最大洪水）。）。 根據(jù)水文現(xiàn)象的隨機性，以概率理淪為基根據(jù)水文現(xiàn)象的隨機性，以概率理淪為基 礎，運用數(shù)理統(tǒng)計方法解決水文問題。在礎，運用數(shù)理統(tǒng)計方法解決水文問題。在 水文分析計算中，數(shù)理統(tǒng)計方法是常用的水文分析計算中，數(shù)理統(tǒng)計方法是常用的 方法（方法（水文頻率分析方法水文頻率分析方法） 。 某些水文現(xiàn)象及水文特征值具有地區(qū)性變化規(guī)律，某些水文現(xiàn)象及水文特征值具有地區(qū)性變化規(guī)律，可以用等值線圖的方式將水文特征值的地區(qū)變化可以用等值線圖的方式將水文特征值的地區(qū)變化反映出來，或建立地區(qū)性的經(jīng)驗公式。反映出來，或建立地區(qū)性的經(jīng)驗公式。 水文分析計算中，可用此類水文分析計算中，可用此類等值線圖或經(jīng)驗公式等值線圖或經(jīng)驗公式推求觀測資料短缺地區(qū)的水文特征值推求觀測資料短缺地區(qū)的水文特征值，此即，此即地理地理綜合方法綜合方法。 上述三種水文現(xiàn)象的研究方法，在實際工作中常上述三種水文現(xiàn)象的研究方法，在實際工作中常常常同時被應用，它們是相輔相成，互為補充的同時被應用，它們是相輔相成，互為補充的。 無論是水文頻率分析方法還是無論是水文頻率分析方法還是成因分析成因分析法法 ，都是預估未來水文情勢，所以水，都是預估未來水文情勢，所以水文計算必須文計算必須 重視基本水文資料的重視基本水文資料的分析分析與與處理處理 。對徑流進行調(diào)節(jié)的對徑流進行調(diào)節(jié)的兩大目的兩大目的：更好地利用：更好地利