工程水文學(xué)第五章-1,2

1、 研究對(duì)象研究對(duì)象 根據(jù)水文現(xiàn)象的客觀規(guī)律，利用現(xiàn)時(shí)已經(jīng)掌握的水文、氣象資料，預(yù)報(bào)水文要素未來(lái)變化過(guò)程。 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 1.短期洪水預(yù)報(bào)； 2.施工水文預(yù)報(bào)； 研究目的研究目的 防洪：在防汛工作中，及時(shí)準(zhǔn)確的水文預(yù)報(bào)，是防汛抗洪指揮決策的重要科學(xué)依據(jù)； 興利：在水能、水量資源的合理調(diào)度、開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)以及航運(yùn)等工作中，都需要有水文預(yù)報(bào)作指導(dǎo)。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1. 水文預(yù)報(bào)的重要作用； 2. 水文預(yù)報(bào)的分類； 3. 水文預(yù)報(bào)工作的基本程序。 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握預(yù)見(jiàn)期的定義及水文預(yù)報(bào)工作的基本程序。 可靠的洪水預(yù)報(bào)對(duì)防止洪水災(zāi)害具有特別重要的作用。例如在河流防洪搶險(xiǎn)中，需要及時(shí)預(yù)報(bào)出防

2、洪地點(diǎn)即將出現(xiàn)的洪峰水位、流量，以便在洪峰到來(lái)之前，迅速加高加固堤防、轉(zhuǎn)移可能受淹的群眾和物資，動(dòng)用必要的防洪設(shè)施等，把洪水災(zāi)害減小到最低限度。圖5.1.1為1998年長(zhǎng)江沙市水位預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)情況。圖5.1.1 1998年長(zhǎng)江沙市水位預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)情況 在水庫(kù)管理中，可以利用洪水預(yù)報(bào)，使上游來(lái)的洪水與區(qū)間洪水的高峰段彼此錯(cuò)開(kāi)（稱錯(cuò)峰），即下游洪水很大時(shí)，水庫(kù)把上游來(lái)的洪水暫時(shí)蓄存起來(lái)，待下游洪峰過(guò)后，再加大水庫(kù)泄量，把上游來(lái)的洪水放出來(lái)，從而大大減低下游的洪峰和洪水災(zāi)害。例如1998年8月長(zhǎng)江中下游發(fā)生近百年一遇的特大洪水，由于及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)，對(duì)葛洲壩水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)和漳河水庫(kù)科學(xué)調(diào)度，使三峽以

3、上來(lái)的洪水和清江、沮漳河洪水的洪峰互相錯(cuò)開(kāi)，大大降低了荊江河段的洪峰水位，避免了荊江分洪損失，為戰(zhàn)勝該年發(fā)生的特大洪水做出了巨大貢獻(xiàn)。表5.1.1 葛洲壩水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)在錯(cuò)峰調(diào)度對(duì)沙市水位的影響 1.按預(yù)報(bào)的項(xiàng)目，水文預(yù)報(bào)可分為：按預(yù)報(bào)的項(xiàng)目，水文預(yù)報(bào)可分為： 徑流預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)的要素主要是水位和流量，水位預(yù)報(bào)指的是水位高程及其出現(xiàn)時(shí)間；流量預(yù)報(bào)則是流量的大小、漲落時(shí)間及其過(guò)程。徑流預(yù)報(bào)又可分洪水預(yù)報(bào)和枯水預(yù)報(bào)。冰情預(yù)報(bào)：冰情預(yù)報(bào)是利用影響河流冰情的前期氣象因子，預(yù)報(bào)流凌開(kāi)始、封凍與開(kāi)凍日期，冰厚、冰壩及凌汛最高水位等。沙情預(yù)報(bào)：沙情預(yù)報(bào)則是根據(jù)河流的水沙相關(guān)關(guān)系，結(jié)合流域下墊面因素，預(yù)報(bào)年、月

4、和一次洪水的含沙量及其過(guò)程。水質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)測(cè)河流中污染物遷移轉(zhuǎn)化的時(shí)空變化過(guò)程。施工水文預(yù)報(bào)：在工程施工期間要進(jìn)行的特殊預(yù)報(bào)項(xiàng)目。 2.按預(yù)見(jiàn)期的長(zhǎng)短，水文預(yù)報(bào)可分為按預(yù)見(jiàn)期的長(zhǎng)短，水文預(yù)報(bào)可分為短期水文預(yù)報(bào)：主要由水文要素作出的預(yù)報(bào)。中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)：包括氣象預(yù)報(bào)性質(zhì)在內(nèi)的水文預(yù)報(bào)。 預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期是指發(fā)布預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)要素出現(xiàn)的時(shí)間間距。在水文預(yù)報(bào)中，預(yù)見(jiàn)期的長(zhǎng)與短并沒(méi)有明確的時(shí)間界限。 水文預(yù)報(bào)工作大體上分為兩大步驟水文預(yù)報(bào)工作大體上分為兩大步驟 （1）制定預(yù)報(bào)方案：）制定預(yù)報(bào)方案： 分析預(yù)報(bào)要素的形成規(guī)律，建立由過(guò)去的觀測(cè)資料推算水文預(yù)報(bào)要素大小和出現(xiàn)時(shí)間的一整套計(jì)算方法，即水文預(yù)報(bào)方案。 制定

5、的方案按國(guó)家水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范要求的允許誤差進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)。只有質(zhì)量?jī)?yōu)良和合格的方案才能付諸應(yīng)用。圖5.1.2為我國(guó)2000年6月30日開(kāi)始實(shí)施的水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范（SL250-2000）。 （2）進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)）進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào) 將現(xiàn)時(shí)發(fā)生的水文氣象信息，經(jīng)過(guò)預(yù)報(bào)方案算出即將發(fā)生的水文預(yù)報(bào)要素大小和出現(xiàn)時(shí)間，及時(shí)將信息發(fā)布出去，這個(gè)過(guò)程稱為作業(yè)預(yù)報(bào)。 若現(xiàn)時(shí)水文氣象信息是通過(guò)自動(dòng)化采集、自動(dòng)傳送到預(yù)報(bào)中心的計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)直接按存儲(chǔ)的水文預(yù)報(bào)模型程序計(jì)算出預(yù)報(bào)結(jié)果。這樣的作業(yè)預(yù)報(bào)稱為聯(lián)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1. 河段中的洪水波運(yùn)動(dòng)； 2. 相應(yīng)水位(流量)法； 3. 合成流量法；

6、4. 流量演算法； 5. 降雨徑流預(yù)報(bào)。 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握相應(yīng)水位(流量)法、合成流量法和馬斯京根流量演算方法。 短期洪水預(yù)報(bào)的分類：短期洪水預(yù)報(bào)的分類：河段洪水預(yù)報(bào)：以河槽洪水波運(yùn)動(dòng)理論為基礎(chǔ)，由河段上游斷面的水位、流量過(guò)程預(yù)報(bào)下游斷面的水位和流量過(guò)程。降雨徑流預(yù)報(bào)：按降雨徑流形成過(guò)程的原理，利用流域內(nèi)的降雨資料預(yù)報(bào)出流域出口斷面的洪水過(guò)程。 1. 洪水波洪水波 流域上大量降水后，產(chǎn)生的凈雨沿坡地迅速匯集，注入河槽，引起流量的劇增。由于降雨量時(shí)空分布不均勻、河網(wǎng)干支流和分布形狀的不同，以及水流匯集速度的快慢，河道接納的水量沿程不同，使河道沿程水面發(fā)生高低起伏的一種波動(dòng)，稱為洪水波。 2

7、. 附加比降附加比降 附加比降是洪水波的主要特征之一。附加比降是指洪水波水面比降與同水位穩(wěn)定流水面比降之差， 即 5-2-1 。0iii 3.河段洪水波的傳播與變形河段洪水波的傳播與變形 由于河槽的調(diào)蓄作用，洪水波向下游傳播過(guò)程中，不斷發(fā)生變形，如下圖所示。 在沿棱柱形河槽運(yùn)動(dòng)中其變形有兩種形態(tài)： （1）洪水波展開(kāi)：洪水波在傳播過(guò)程中，波長(zhǎng)不斷加大，波高不斷減小的現(xiàn)象稱為洪水波的展開(kāi)，即A2C2A1C1，h2 h1。 （2）洪水波扭曲：洪水波在傳播過(guò)程中，波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為洪水波的扭曲。 根據(jù)河段洪水波運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律，利用河段上斷面的實(shí)測(cè)水位(流量)，預(yù)報(bào)河段下斷面未來(lái)水位(流量

8、)的方法，稱為相應(yīng)水位(流量)法。 1.基本原理基本原理 相應(yīng)水位（流量） 相應(yīng)水位（流量）是指在河段同次洪水過(guò)程線上，處于同一位相點(diǎn)上、下站的水位（流量）稱為相應(yīng)水位（流量）。 如下圖所示某次洪水過(guò)程線上的各個(gè)特征點(diǎn)。例如上游2點(diǎn)洪峰水位經(jīng)過(guò)河段傳播時(shí)間，在下游站2點(diǎn)的洪峰水位，就是同位相的水位。 河段無(wú)區(qū)間入流：設(shè)河段上游站流量為Q上,t，經(jīng)過(guò)時(shí)間的傳播，下游站的相應(yīng)流量為Q下,t+，兩者的關(guān)系為： Q下,t+=Q上,t-QL 式中QL為洪水波展開(kāi)量，與附加比降有關(guān)。 河段有區(qū)間入流q：兩者的關(guān)系為： Q下,t+=Q上,t-QL + q 2.無(wú)支流河段的相應(yīng)水位預(yù)報(bào)無(wú)支流河段的相應(yīng)水位預(yù)報(bào)

9、 表5-2-1 長(zhǎng)江萬(wàn)縣站三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時(shí)間 ,(,)ttttZf ZZZZZ上下上上上,(,)ttttZf ZQQQQ上下上上上 在有支流匯入的河段，按照上游干、支流各站的傳播時(shí)間，把各站同時(shí)刻到達(dá)下游站的流量疊加起來(lái)得合成流量，然后建立合成流量與下游站相應(yīng)流量的關(guān)系曲線，進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法稱為合成流量法。 nititiQfQ1,上，下， Saint Venant方程方程2020QAxtvvyvvgg ixtxC R連續(xù)性方程動(dòng)力方程 (1) 基本原理基本原理 河段流量演算是由以下兩個(gè)基本公式組成：河槽時(shí)段水量平衡方程 若當(dāng)河段內(nèi)有區(qū)間入流量q，將q值并入到上斷面的入流量中進(jìn)行演算，

10、即： 河段蓄水量與泄流量方程(槽蓄方程)SSSt)QQ(21t)QQ(21122 ,1 ,2 ,1 ,下下上上)(QfS 上上QQqSSSt)QQ(21t)QQ(21122 ,1 ,2 ,1 ,下下上上 (2)馬斯京根法及槽蓄曲線方程馬斯京根法及槽蓄曲線方程 該方法由G.T.麥卡錫(G-T-McCarthy) 1938年應(yīng)用于美國(guó)馬斯京根河流域而得名。該法主要是建立馬斯京根槽蓄曲線方程，并與水量平衡方程聯(lián)立求解，進(jìn)行河段洪水演算。柱蓄：同一下斷面水位(Z下)穩(wěn)定流水面線以下的蓄量(紅色框內(nèi))。漲水情況落水情況實(shí)際水面線下斷面穩(wěn)定流水面線實(shí)際水面線下斷面穩(wěn)定流水面線漲水情況落水情況()SSx S

11、SQ下Q下Q上()SSx SSQ下Q下Q上(1)SxSx SQ下Q上SKQQ上上SKQQ下下(1)SxSx SQ下Q上(1)SK Qx Q下上(1)QxQx Q下上SKQ)1 ()1 ()(21)(211 ,112,22122,1 ,2,1 ,下上，下上，下下上上QxxQkSQxxQkSSSStQQtQQ (3)馬斯京根流量演算方程馬斯京根流量演算方程 聯(lián)解水量平衡方程式和馬斯京根槽蓄曲線方程式：tKxKtKxKCtKxKKxtCtKxKKxtCQQCQCQ5 . 05 . 0;5 . 05 . 0;5 . 05 . 0C2101 ,21 ,12,02,式中，下上上下 (4)試算法確定試算法確定x、K值值 對(duì)某一次洪水，假定不同的x值計(jì)算Q，作出Sf(Q)關(guān)系曲線，其中能使二者關(guān)系成為單一直線的x值即為此次洪水所求的x值，而該直線的斜率即為所求的K值。取多次洪水作相同的計(jì)算和分析，就可以確定該河段的x、K值。 【例】 (5)馬斯京根法中幾個(gè)問(wèn)題的分析馬斯京根法中幾個(gè)問(wèn)題的分析 K值的綜合值的綜合 K具有時(shí)間的因次，它基本上反映河道穩(wěn)定流時(shí)河段的傳播時(shí)間。 在不穩(wěn)定流情況下，按流量分級(jí)，根據(jù)不同的流量取不同的K值。 x值的綜合值的綜合 流量比重因素x除反映楔蓄對(duì)流量的作用外，還反映河段的調(diào)蓄能力。對(duì)于一定的河段，x在洪水漲落過(guò)程中