2006水文水资源基础(下).ppt

水文水资源 下 清华大学水利系唐莉华2006年6月4日 2 主要内容 水资源基础知识水资源评价水资源供需平衡分析水文预报防洪节水 3 一 水资源基础知识 水资源的定义水资源的分类水资源的特点 4 水资源的定义 1988年联合国教科文组织 UNESCO 和世界气象组织 WMO 定义 作为资源的水应当是可供利用或可能被利用 具有足够数量和可用质量 并且可适合对某地为对水资源需求而能长期供应的水源 5 水资源的定义 狭义水资源 人类在一定的经济技术条件下能够直接利用的淡水 广义水资源 在一定的经济技术条件下能够直接或简介适用的各种水和水中物质 在社会生活和生产中具有适用价值和经济价值的水都可成为水资源 6 水资源的分类 按存在形式分 地表水 一般指坡面流和壤中流 即地表水体的动态部分地下水 主要指浅层地下水 7 水资源的分类 按量算方法分 实测河川径流量天然径流量可利用水资源量可供水量 8 水资源的分类 按形成条件分 当地水资源 主水 入境水资源 客水 按利用方式分 河外用水 生产 生活用水河内用水 发电 航运 养殖 旅游用水生态环境用水 9 水资源的特点 资源的循环性 水文循环储量的有限性 全球淡水资源仅占全球总水量的2 5 时空分布的不均匀性 开发利用的多样性 生产 生活 生态利 害双重性 洪水 旱灾 污染 10 二 水资源评价 水量评价 地表水资源量地下水资源量水质评价 11 2 1地表水资源量 地表水资源的收支项 降水 蒸发 径流地表水资源的分类 河流 最主要部分 可表示地表水资源量湖泊冰川 12 地表水资源量的评价 单站径流资料统计分析主要河流年径流量计算分区地表水资源量计算地表水资源时空分布特性分析地表水资源可利用量估计人类活动对河流径流的影响分析 13 河流径流计算方法 成因分析法 通过对观测资料或试验资料分析 建立某一水文特征值与其影响因素之间的函数关系 从而预测未来的水文情势 地理综合法 利用已有固定观测站点的长期观测资料确定河流水文特征值在区域内的时空分布规律 预估无资料流域未来水文情势的方法 14 河流径流计算方法 数理统计法 根据水文现象的随机性特征 运用概率论和数理统计的方法 分析河流水文特征值系列的统计规律 并进行概率预估 从而得出水资源开发利用工程所需的设计水文特征值 数学模型法 概念型模型和机理性模型 15 年径流量分析 年径流量 一个年度内通过河流某断面的水量 称为该断面以上流域的年径流量 单位是m3 年径流深 年径流量折算成水深 mm多年平均年径流量 利用数理统计方法求出实测各年径流量的均值 即为多年平均年径流量 16 年径流量分析 年径流量的时空变异 区域性变化 五带 见后页表 年内变化 降水为主的 降雨为主兼有积雪融水的 融雪为主兼有降雨的影响年径流量的因素 气候 降雨 降雪 蒸发等下垫面条件 地形 植被 土壤和地质 湖泊和沼泽 流域大小 水利工程等 17 年径流深的分带 18 多年平均年径流量的计算 资料充分地区 多年实测径流量的均值资料不足地区 差补延长 相关分析法无资料地区 等值线法 水文比拟法 19 某一频率下的设计年径流量计算 基本步骤 分析资料的代表性 少于20年的短系列加以延展计算经验频率 绘制经验频率曲线计算径流量均值及Cv和Cs用适线法确定理论频率曲线推求不同设计频率的年径流量 20 径流还原计算 消除人类活动的影响 水量平衡原理 W天然 W实测 W还原W还原 W农 W引 W蒸 W蓄 W工 W渗其中 W天然 还原后的天然径流量 W实测 实测径流量W还原 还原总水量 W农 农业灌溉净耗水量W引 跨流域引出 引入水量 分洪决口水量W蒸 水面面积扩大增加的耗水量W蓄 计算时段始末蓄水工程的蓄水变量W工 工业和生活净耗水量 W渗 水库渗漏量 21 各分量还原计算 农业灌溉净耗水量W农W农 W毛 1 1 W毛 灌区渠首引水总量 1 灌溉回归系数水面面积扩大增加的耗水量W蒸W蒸 0 1 E水 E陆 A水E水 水面蒸发皿蒸发量 E陆 陆面蒸发量 水面蒸发折算系数 A水 增加的水面面积水库蓄水变量W蓄W蓄 W末 W初 22 各分量还原计算 工业和生活净耗水量W工W工 W0 1 3 W0 工业和生活引用的地表水量 3 工业和生活用水的回归系数水库渗漏量W渗W渗 W入 W雨 W蓄 W出 W蒸W入 入库径流总量 W雨 库区水面降水量W蓄 水库需水变化量 W出 放水洞 泄洪道放水量W蒸 库区水面蒸发总量 23 分区地表水资源量 指水资源分区内降水形成的河流径流量 不包括入境水量 分区方法 按气候条件和地质条件分按天然流域分按行政区划分 24 分区地表水资源量 区内河流有水文站控制 按水资源分区 选择控制站或代表站 分析实测及天然径流量 根据控制站天然年径流量系列 按面积比修正为该分区天然年径流量系列 Qab 分区年径流量 m3 s Qa 控制站以上年径流量 m3 sPa Pb 控制站以上 以下同一年的单位面积平均降水量 mmFa Fb 控制站以上 以下的面积 km2 25 分区地表水资源量 区内河流没有水文站控制 水文模型邻近区降雨 径流关系推求邻近区径流等值线图推求 26 可利用地表水资源量的估算 地表水资源可利用量 在经济合理 技术可能及满足河道内用水并估计下游用水的前提下 通过蓄 引 提等地表水工程可能控制利用的河道一次性最大水量 不包括回归水的重复利用 Q可利用 Q当地河流径流 Q入境 Q出境 27 2 2地下水资源量 地下水的补给量 指天然或开采条件下 单位时间进入含水层 带 中的水量 包括地下水的流入 降水渗入 地表水渗入 越流补给 人工补给等 地下水储存量 储存于含水层内的重力水体积 28 地下水的补给量计算 地下水流流入量 侧向补给量 Qb 单位 m3 d Qb K J B H其中 K 含水层渗透系数 m dJ 地下水水力坡度B 计算断面宽度 mH 潜水 或承压水 含水层厚度 m 29 地下水的补给量计算 降水渗入补给量Qp 单位 m3 s Qp A x其中 年均降水入渗系数A 降水渗入面积 m2x 年降水量 m a 30 地下水的补给量计算 河渠渗入补给量QiQi K B h1 hw L h1 hw 2其中 h1 hw 沿渗流补给方向岸边与开采井群的动水位高度 mB 河渠补给宽度 mL 岸边至井群的直线水平距离 mK 含水层渗透系数 m d 31 地下水的补给量计算 灌溉水渗入补给量QirrQirr A h或Qirr m A其中 给水度 m 灌溉定额 m3 a h 灌溉引起的地下水升幅 m 32 地下水的补给量计算 越流补给量QoQo A h2 h1 A h2 h1 k m 其中 h1 h2 开采层和相邻层的水位 mA 越流补给面积 m2 越流系数 1 dk 越流层垂向渗透系数 m dm 越流层厚度 m 33 承压含水层的弹性储存量Wc的计算 Wc S A hpWc 承压含水层的弹性储存量 m3S 储存系数 释水系数 hp 承压含水层自顶板算起的压力水头高度 m 34 地下水资源允许开采量的定义 通过技术经济合理的取水建筑物 在开采期内水量不会减少 动水位不超过设计要求 水质和水温度变化在允许范围内 不影响已建水源正常开采 不发生危害性的环境地质问题 并符合现行法规规定的前提下 单位时间从水文地质单元或水源的范围内能够取得的地下水资源量 35 水资源量的计算水资源量 地表水资源量 地下水资源量 重复计算量重复计算量包括 灌溉回归补给量 河渠湖库等渗漏补给量等 36 三 水资源供需平衡分析 水资源供需平衡分析的目的和意义供需平衡分析的原则供需平衡分析方法需水预测 37 水资源供需预测的目的和意义 水资源供需平衡分析 是指在一定范围内 行政 经济区域或流域 不同时期的可供水量和需水量的供求关系分析 目的 弄清水资源总量的供需现状和存在的问题预测不同时期不同部门的水资源余缺状况针对供需矛盾 进行水资源的总体规划 38 水资源供需预测的原则 近期和远期相结合流域和区域相结合综合利用和保护相结合 39 水资源供需预测分析方法 系列法 按雨情 水情的历史系列资料进行逐年的供需平衡分析计算典型年法 代表年法 根据雨情 水情具有代表性的几个不同年份进行分析计算 40 典型年法 基本步骤 划分水资源分区及计算时段选择典型年和水平年可供水量计算需水量计算 41 典型年法 可供水量和需水量的时空分布不均匀 因此需要分区和分时段进行供需平衡分析 水资源分区 尽量按照流域 水系划分 照顾行政区划 不打乱供水 用水 排水系统计算时段 可以是年 季 月 旬和日 42 典型年法 典型年的选择 根据水文系列的频率分析 选择不同频率的若干典型年 平水年P 50 一般枯水年P 75 特别枯水年P 90 或95 43 典型年法 水平年的确定 应与国民经济和社会发展以及可持续发展的总目标相协调 现状水平年 基准年 近期水平年 基准年后5 10年远景水平年 基准年后15 20年远景设想水平年 基准年后30 50年 44 供水预测 供水系统 按工程上分类 蓄水工程 引水工程 提水工程 调水工程按水源分类 地表水工程 地下水工程 污水再生回用工程按用户分类 城市供水 农村供水 混合供水 45 供水预测 可供水量 指不同水平年 不同保证率或不同频率条件下通过工程设施可提供的符合一定标准的水量 可供水量包括区域内的地表水 地下水 外流域调水 污水处理回用和海水利用等 46 供水预测 影响可供水量的因素 来水条件 水文现象的随机性用水条件 上下游的用水条件 河道内生态用水的考虑等工程条件 决定供水系统的供水能力水质条件 符合不同用户的使用标准 47 供水预测 可供水量的计算项目 48 需水预测 三生 生产 工业 农业 生活 生态工业用水 一般指工矿企业在生产过程中 用于制造 加工 冷却 空调 净化和洗涤等方面的水 1993年统计 我国工业用水占总用水量的17 4 49 工业需水预测 QI QC QD QR其中 QI 总用水量 在设备和工艺流程不变时为一定值 QC 生产过程中消耗的水量 包括蒸发 渗漏等损失水量 以及产品带走的水量QD 排水量 多指未重复利用的废污水量QR 重复用水量 包括循环用水量和二次以上的用水量 50 工业需水预测 耗水量和排水量之和称为取用水量QII QI QII QR重复利用率R R QR QI 100 重复利用率越高 表示工业用水的有效利用程度越高 51 工业需水预测 趋势预测法 Si S0 1 d n其中 Si 某一年所预测工业需水量S0 基准年的工业用水量d 工业用水量年平均增长率n 基准年道预测年份所间隔的年数 52 相关预测法建立与工业产值之间的相关关系分行业重复利用率提高法根据不同的行业部门 采用万元产值用水量和重复利用率推算工业用水 q2 q1 1 1 1 2 其中 q1 q2 分别为基准年和预测年的万元产值取用水量 1 2 分别为基准年和预测年的工业用水重复利用率 53 生活需水预测 生活用水 包括城市居民住宅用水 公共建筑用水 市政用水 景观娱乐用水 供热消防用水等 1993年资料统计 我国城市生活用水占总用水量的9 2 城市用水要求供水保证率不低于95 54 生活需水预测 人均生活用水定额法 Q生活 365 q m 1000其中 Q生活 生活用水需求量 m3 aq 人均生活用水定额 L 人 d m 预测年用水人口数 人 55 农业需水预测 农业用水 包括农 林 牧 副 渔业的用水 农村居民的生活用水 农村乡镇企业用水等 农业用水时我国主要用水大户 主要是农业灌溉用水 其保证率低于城市工业和生活用水 56 农业灌溉用水预测 作物需水量 作物在全生育期或某一时段内正常生长所需的数量 包括消耗于作物蒸腾量和株间蒸发量 灌溉制度 作物播种前及生育期内进行适时灌水的制度灌溉用水量 灌溉面积上需要提供给作物的水量 57 农业灌溉用水预测 直接推算法 M净 m 其中 M净 一种作物一次田间灌溉水量 又称净灌溉用水量 m3 m 作物某次灌水的灌水定额 m3 亩 该作物的灌溉面积 亩 58 农业灌溉用水预测 考虑蒸发 渗漏等损失时 M毛 M净 水其中 M毛 灌溉引水量 即毛灌溉用水量 水 灌溉水利用系数灌溉水利用系数 水与渠道的长度 沿线土质和水文地质条件 渠道工程状况 配套 衬砌等 灌溉管理水平等有关 59 其他农业用水预测 农村居民生活用水 定额法与城市生活用水类似牲畜用水 定额法与城市生活用水类似渔业用水 指养殖水面蒸发和渗漏所消耗水的补充量 可用公式W渔 E P S 计算 为养殖面积 E为水面蒸发量 P为年降雨量 S为年渗漏量 为蒸发器折算系数 乡镇企业用水 与工业用水类似 60 生态环境需水量 广义生态环境用水定义 维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水 包括水热平衡 水沙平衡 水盐平衡等 都是生态环境用水 狭义的生态环境用水 为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量 21世纪中国可持续发展水资源战略研究 61 生态环境需水量 生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量 主要包括维护天然植被所需要的水量 水土保持及水保范围之外的林草植被建设所需要的水量 保护水生生物所需要的水量 环境需水则是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量 62 生态环境需水量 按生态系统类型分自然生态系统需水人工生态系统需水按空间尺度分景观生态环境需水区域生态环境需水流域生态环境需水 63 河道内生态环境需水取年天然径流量的百分比作为河流生态环境需水量采用逐月最小径流量的特殊百分比作为河流生态环境需水量根据生态环境和水文条件特点 计算在保障水生态需水情况下人类活动可利用水资源量采用90 保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值 64 河道外生态环境需水河道外生态需水针对天然植被和人工植被的生态需水研究较多计算的方法和理论多为水量平衡理论 面积定额法等 多以植物耗水量 植被蒸腾量 代替生态需水量 65 维持景观 娱乐等环境需水城市进行城市规划时 常采用人均水面面积指标衡量和确定维持景观 娱乐水面面积和流量 绿地 美化环境等需水 66 供需分析的分类 按范围分 计算单元的供需分析区域的供需分析流域的供需分析按供需平衡分析的时间分 现状供需分析 实际供需计算 平衡校核不同发展阶段的供需分析 预测供需 方案比选 供需平衡分析 67 供需平衡分析 余缺水量 W W供i W需iW供i W需i 分别表示分项i的可供水量和需水量 W 余缺水量 为 表示水资源富余 尚可开发利用为 表示缺乏 产生供需矛盾 供需平衡分析 68 水资源规划 水资源综合规划 在统一的方针 任务和目标指导下 通过对水资源时空分布的再调整 协调防洪抗旱 开源节流 供需平衡以及发电 通航 水土保持 景观和生态环境保护等专业方面的关系 评价方案实施后对经济 社会和环境的潜在影响 69 四 水文预报 流域产汇流水文预报 70 4 1流域产汇流 产流方式 超蓄产流 蓄满产流 只有在包气带达到田间持水量后才产生径流的产流方式 是湿润地区的主要产流方式 超渗产流 由于降雨强度好过地面下渗容量而产生径流的产流方式 是干旱地区的主要产流方式 71 产流特点 超蓄产流特点 包气带土壤含水量达到田间持水量 蓄水容量 后才产生地下径流Rg 径流量R中包括地面径流和地下径流 合称为总径流量 即R Rs Rg 72 产流特点 超渗产流特点 包气带土壤含水量总是达不到田间持水量 蓄水容量 但也可以产生径流R 起因于降雨强度i 入渗能力fp 径流量R中仅是地面径流 而不产生地下径流 即R Rs 73 流域蓄水容量 面积分配 曲线 74 4 2水文预报 含义 根据水文要素或其影响因素的过去或现时状态 对其未来状态作出回答 分类 按预见期分类 短期水文预报 预见期小于或等于流域汇流时间中长期水文预报 预见期大于流域汇流时间 75 按预报目的分类 洪水预报 为防汛抗旱而进行的预报枯水预报 为农业灌溉 水力发电和水环境保护而进行的预报 墒情预报 为农业抗旱服务冰情预报 为防治和抗御冰凌洪水服务水质预报 为防治水源污染 改善水环境服务水库水文预报 为确保大坝安全和水库的兴利 防洪的合理调度或优化调度服务施工洪水预报 为水利工程安全施工服务 76 短期洪水预报 河段洪水预报 根据河段上断面已出现的洪水过程 推算其下断面将要出现的洪水过程方法 相应水位 流量 法 合成流量法 流量演算法流域降雨径流预报 根据流域上一场降雨过程推算出流域出口断面未来出现的洪水过程 77 相应水位法 利用上下游洪峰水位及相应的转播时间的相关图进行预报 78 Q1 Q2 Q3 均为上游各站的实测流量 Q 下游站预报的流量 合成流量法 有支流汇入的河道 79 联解得 流量演算法 马斯京根法 式中 C0 C1 C2分别为K x t的函数 它们的数学表达式分别为 80 x 流量比重因子 K 槽蓄系数 81 枯水预报 枯水期河中的流量主要由汛末滞留在流域中的蓄水量的消退形成 主要方法 退水曲线法 根据前一时刻的退水流量来预报后一时刻的退水流量 前后期径流相关法 根据流域前期径流量来预报未来的后期径流量 82 五 防洪 洪水三要素防洪标准设计洪水洪水控制与管理洪水调度及水库调洪计算防洪预案 83 洪水三要素 洪峰 洪峰流量 一次洪水过程中的最大流量 m3 s洪量 一次洪水的总径流量 m3洪水过程线 一次洪水的流量与时间的关系曲线 84 洪水过程示意图 Qm 洪峰流量 m3 s 一次洪水过程中的最大流量 W 一次洪水的总径流量 m3 即ABCDE所包围的面积 A 洪水起涨点 B 洪峰点 C 退水结束点 t1 涨水历时 t2 退水历时 T 洪水总历时 T t1 t2 85 洪水的危害性 是我国主要的自然灾害之一 约有2 3的国土面积受到洪水灾害的威胁 威胁生命安全造成财产损失影响社会稳定 86 防洪标准 GB50201 94水利水电枢纽工程的等别和级别 87 水库工程水工建筑物的防洪标准 88 注 当山区 丘陵区的水库枢纽工程挡水建筑的挡水高度低于15m 上下游水头小于10m时 其防洪标准可按平原区 滨海区栏的规定确定 当平原区 滨海区的水库枢纽工程挡水建筑物高度高于15m 上下游水头差大于10m时 其防洪标准可按山区 丘陵区栏的规定确定 89 灌溉和治涝工程主要建筑物的防洪标准 注 灌溉和治涝工程主要建筑物的校核防洪标准 可视具体情况和需要研究确定 90 潮汐河口挡潮工程主要建筑物的防洪标准 注 潮汐河口挡潮枢纽工程的安全主要是防潮水 为统一起见 本标准将防洪标准统称为防洪标准 91 城市的等级和防洪标准 乡村防护区的等级和防洪标准 92 设计洪水 定义 用以设计水利工程所依据的各种标准的洪水称为设计洪水 内容 设计洪峰流量设计洪量设计洪水过程 93 设计洪水的方法 由流量资料推求设计洪水 有实测洪水的地区由暴雨资料推求设计洪水 有实测暴雨的地区由水文气象资料推求设计洪水 有水文气象观测资料的地区利用暴雨等值线图和一些简化公式估算设计洪水 缺乏资料地区 94 由流量资料推求设计洪水作洪峰流量Qm及设计洪量Wt的频率计算 分别求得设计频率为P的相应洪峰流量Qm和设计洪量Wt选择流域中代表大洪水的实测洪水过程为典型 以Wtp及Qmp为控制放大典型洪水过程典型洪水过程发大的方法 同倍比放大法 分时段同频率放大法 95 由暴雨资料推求设计洪水设计暴雨的计算设计洪水的计算 设计净雨推求设计洪水 单位线法 典型洪水过程发大的方法 同倍比放大法 分时段同频率放大法 96 由气象资料推求设计洪水可能最大暴雨推求可能最大洪水可能最大暴雨PMP与气象资料有关产汇流计算小流域设计洪水缺乏资料地区 重点是设计洪峰流量的推求 97 洪水控制与管理措施工程措施 堤防工程水库调蓄水土保持分洪 滞洪与蓄洪垦殖河道整治 98 洪水控制与管理措施非工程措施 洪水情报 预报和警报洪水风险分析防洪法规洪水保险防洪调度 99 洪水调度及水库调洪计算洪水调度 依据水库的水位 入库流量 特定时段的降雨量等条件 确定水库的泄水方式和泄流量 目的 减小洪灾 发挥效益 100 洪水调度及水库调洪计算规则 汛期洪水到来之前 水库坝前水位不超过防洪限制水位调洪过程中来水不超过防洪标准时 控制泄流量加上区间合成流量不超过下游河道的安全泄流量 坝前水位不超过防洪高水位来水超过防洪标准时 加大泄流量 确保大坝安全洪峰过后尽快将库水位降至防洪限制水位 101 水库调洪由于水库有调节库容 当洪水通过水库时 调节库容可将部分洪水拦蓄和滞留在水库中 从而改变洪水过程线的形状 削减天然河道的洪峰流量 以达到河道防洪和保证建筑物安全的目的 这就是水库的调洪作用 102 水库调洪的基本原理 103 水库调洪计算方法 1 列表试算法 常用方法 1 半图解法 2 简化三角形法 3 无闸门控制时水库调洪计算 4 有闸门控制时水库调洪计算 5 坝顶高程的确定 104 防洪预案的编制原则 贯彻行政首长负责制 以防为主 防抢结合 全面部署 保证重点 统一指挥 统一调度 服从大局 团结抗洪 工程措施和非工程措施相结合 尽可能调动全社会积极因素因素 105 防洪预案的编制主要内容 1 确定重点防护对象2 防御设防标准以内洪水方案3 防御超标准洪水方案4 防御山地灾害方案5 防御台风暴潮灾害方案6 防御冰凌洪水方案7 防御突发性洪水方案 节水的涵义及措施 107 节水的定义 基于经济 社会 环境与技术发展水平 通过法律法规 管理 技术与教育手段 以及改善供水系统 减少需水量 提高用水效率 降低水的