工程水文及水利计算复习提纲.ppt

主讲 马勇武汉大学水电学院水文水资源系2013 4 工程水文及水利计算 老师写在前面的话 同学们本着认真 客观 中肯的态度对课程及老师给出了自己的看法和建议 其中多有建设性 老师非常感动并已归纳整理 相信在以后的教学实践中会逐步试用 在此向同学们表示感谢 应部分同学要求 这次给大家发了新版PP复习提纲 复习范围和重点可以此提纲为准 答疑时间 第9周 即本周 周四上午3 4节 过期不候 呵呵 考试时间 第9周 即本周 周六晚上7 00 9 00 同样过期不候 考试地点 六教6201 6301 6401 一班一教室 按班级顺序自下而上排 教室座位安排采用隔列隔行方式坐 学院越来越强调考试纪律 希望同学们有计划有步骤地认真复习 争取考出好成绩 主要内容 第一节水文学及其作用 一 水文学的定义研究自然界各种水体 大气水 地表水 地下水 的运动 变化和分布规律 预测 预报各水文现象 如降水 水位 流量 水质等 变化情势 第一章绪论 第二节水文现象基本规律及研究方法 一 水文现象的基本规律1 确定性规律 成因规律 表示水文现象形成的内在因果关系 确定的成因和条件将对应于确定的结果 2 随机性规律 统计规律 样本容量很大时 随机变量趋向于一个稳定分布 或相关变量表现为稳定的相关关系 3 地区规律 气候因素与地理因素具有地区性变化规律 使水文现象也具有地区变化规律 二 水文研究的基本方法1 成因分析法 建立水文现象与影响因素之间的数学物理方程 预测未来水文现象 2 数理统计法 用数理统计原理和方法 推求水文现象的统计规律和设计值 展延系列和水文预报 3 地理综合法 从地区变化规律入手 找出水文特征值的地区分布规律 如水文等值线图 地区经验公式等 推求无资料地区的水文特征值 第二节自然界的水循环 地球表面的水在太阳辐射作用下 不断蒸发成水汽进入大气 随气流输送到各地 上升和输送过程中 遇到适当的条件凝结而以降水形式降落到陆面和洋面上 陆面上的雨水形成地表 地下径流 通过江河汇入海洋 如此永不停止的循环运动 称为水文循环 水循环又分为大循环和小循环 第二章气象与水文 第三节河流及流域 一 河流及其特征定义 接纳地面和地下径流的天然输水通道 其中分为各级支流及干流 特征 1 河流长度 自河源沿主河道到流域出口流程长度 2 河流分段 河源 上游 中游 下游 河口 3 河道纵比降 单位河长的落差 也称河流坡降 定义 河流某一断面来水的集水区域 即该断面以上地面 地下分水线包围区域 分类 闭合流域 当流域地面 地下分水线重合 河流下切较深 流域面积上降水形成的径流能够全部经过出口断面流出 非闭合流域 地面 地下分水线不重合的流域 二 流域及其分类 一 降水量观测降水量以降落在地面的水层深度表示 以mm为单位 观测降水量仪器主要有雨量器 自记雨量计 二 降雨时程变化表示方法降雨强度过程线降雨累积过程线 第四节降水 三 流域平均雨量计算 1 算术平均法将流域内各站同一时段雨量进行算术平均 2 泰森多边形法假设流域各处雨量可由其距离最近的雨量站代表 作泰森多边形确定各雨量站代表面积 采用加权平均法确定面雨量 3 等雨量线法根据各站雨量绘制等雨量线 计算相邻等雨量线间的面积和其上的平均雨量 加权平均确定流域平均雨量 第五节蒸发 蒸发是水受热后由液态或固态转化为水汽向空中扩散的过程 是水文循环和水量平衡的基本要素之一 对径流有直接影响 测算蒸发量常以单位时间蒸发的水深表示 称蒸发率或蒸发强度 以mm d计 自然界蒸发包括水面蒸发 土壤蒸发和植物蒸散发 水面蒸发观测资料较多 比较可靠 常是其他蒸发计算基础 一 水面蒸发观测与计算一般每天8时观测一次 得每天观测日蒸发量 将观测值转换为大水体蒸发量 计算式为 折算系数随水面蒸发器类型 季节和地区有关 第六节下渗 一 下渗率下渗是水从土壤表面渗入土壤内的运动过程 常以单位时间内入渗水深 即下渗率表示 下渗不仅直接决定地面径流大小 同时也影响土壤水分 地下水和地下径流 是径流形成的一个重要因素 二 下渗能力曲线充分供水下的下渗率 随时间增长而衰减 经过一定时间后趋于一个稳定值 第七节径流 径流 流域上的降雨扣除损失后 经由地面和地下汇入河网 形成流域出口断面的水流 径流过程 径流随时间的变化过程 径流形成过程 径流表示方法和度量单位 1 流量 单位时间通过某一断面水量 m3 s 2 径流总量 时段T内通过某一断面总水量 m3 3 径流深 单位面积上的水层深度 mm 4 径流模数 单位面积上产生的流量 m3 s km2 5 径流系数 径流深与降雨量之比 表示流域产流能力 对于闭合流域 1 第八节流域水量平衡 水文循环过程中 任一地区 任一时段进入水量与输出水量之差 必等于其蓄水的变化量 这就是水量平衡原理 依此 可得闭合流域多年平均情况的水量平衡方程 T时段内水量平衡方程 P E R S多年平均情况 课堂讨论 判断正误 1 土壤含水量可以转化为地下径流 2 下渗能力曲线是指充分湿润后的土壤下渗过程线 降雨过程 中 下渗总是按下渗能力进行 3 一次降雨径流过程 径流历时大于净雨历时 净雨历时大于 降雨历时 4 一次暴雨洪水的净雨深与径流深相等 因此净雨就是径流 5 流域内湖泊围垦 将使流域径流量上增加 而大面积灌溉则 会减少径流量 课堂讨论 计算 1 某闭合流域面积为1000km2 多年平均蒸发量为576mm 多年 平均流量为15m3 s 则该流域多年平均的径流系数为多少 2 某闭合流域面积为1000km2 其中水面面积为100km2 多年平 均降水量1400mm 多年平均陆面蒸发量852mm 多年平均水 面蒸发值为1600mm 试求该流域多年平均径流系数为多少 3 P28习题2 3 2 4 答案 0 45 答案 0 34 水文站的设立 第一节水文站 第三章河流水文资料观测与收集 第二节水位观测 1 水位水体的自由水面离开固定基面的高程 一般以青岛附近的黄海水平面为基准面 2 观测设备和方法水尺 人工观测 次数以测得完整水位变化过程 满足日平均水位计算及发布水情预报要求为原则确定 自记水位计 自动连续观测 3 日平均水位资料整理算术平均法 面积包围法 第三节流量测验 一 流速仪测流及流量计算流量测验原理 断面测量 流速测验流速仪测流思路 1 将过水断面划分为若干部分 2 测算出各部分断面面积 3 流速仪测算出部分面积上的平均流速 4 计算部分流量 5 部分流量总和即为断面流量 第四节流量资料整编 整编 有关流量资料的整理 分析 统计工作 内容 测站水位流量关系分析 水位流量关系曲线 Z Q稳定的水位流量关系不稳定的水位流量关系 课堂讨论 1 日降雨量 蒸发量 水位和流量的日分界 是如何划分的 第一节频率计算 一 水文统计在水文分析计算中的应用 1 样本 估算总体 概率分布 设计值 2 相关关系 插补延长 长系列 3 用误差理论估计误差范围 第四章水文统计 二 经验频率曲线 一 经验频率公式经验频率 水文样本由大 小排序 计算累积频率 经验频率曲线 由变量和经验频率点据拟合而成的光滑曲线 经验频率公式 频率与重现期的关系重现期 随机事件平均重现的时间间隔 对于暴雨洪水 防洪 设计频率P 50 11T PP xp 年 对于枯水 灌溉 发电 供水等 P 50 T 11 P 1P xp 一 P 型概率分布曲线的计算对于样本系列 已知均值 CV值 假定CS 便可由 值表查出 P 利用下式求得不同指定频率的xP值 进而可绘制出P 型理论频率曲线 三 理论频率曲线 问题讨论 某河某站有24年实测洪峰流量资料 经频率计算已求得 均值 1000m3 s CV 0 20 CS 3 0CV 频率曲线为P 型 试结合下表求百年一遇的设计洪峰流量和十年一遇的设计洪峰流量各为多少 P 型曲线离均系数值表 1 均值表示样本系列的平均水平 2 离势系数 变差 离差系数 与之比 衡量相对离散程度 3 偏态系数离差三次方均值与均方差三次方的比值 反映分布是否对称的特征 二 统计参数矩法初估 问题讨论 1 甲 乙两河年径流均值分别为100m3 s和500m3 s CV值为 0 42和0 25 则说明乙河水资源丰富 径流年际变化小 2 某站年径流量频率曲线的CS 0 则频率为50 的中水年的 年径流量等于多年平均年径流量 3 在水文现象中 大洪水出现机会比中 小洪水出现的机会 少 其频率密度曲线一般为正偏 问题讨论 4 减少抽样误差的基本途径在于掌握较精确的 资料 而提高资料精度则主要依靠测验仪器 和实验方法的改进 三 参数对频率曲线的影响 问题讨论 配线法的实质是认为样本的经验分布与其总体分布相一致 因此 线是否配得好 主要以抽样误差最小为原则 第二节相关分析 一 相关分析的意义与作用相关分析 研究分析和建立两个或两个以上随机变量之间的相互关系 作用 插补延长资料 提高资料代表性 水文预报 二 相关系数的涵义表示两变量相关的密切程度 r2 1 Sy 0 直线函数关系 r2 0 Sy 零相关 0 r2 1 越接近1 关系越密切 相关分析的内容 1 判断变量之间是否存在相关 2 计算相关系数 判断相关密切程度 3 回归分析 确定相关关系数学形式 4 预报或插补延长倚变量 并作误差分析 一元线性回归方程y倚x的回归方程 x倚y的回归方程 的回归方程为 1 已知y倚x的回归方程为y Ax B 则可直接导出x倚y 2 已知某流域年径流R和年降雨量P同期系列呈直线相关 系数r 0 90 已知该流域1954年年降雨量为1800mm 且R 760mm P 1200mm R 160mm P 125mm 相关 则该年径流深为1451 2mm AA x y 1B 问题讨论 三 水文相关分析注意问题 问题讨论 水文统计是水文分析与计算的重要工具 试问 1 水文频率计算的目的是什么 2 在频率计算中 为什么要给经验频率曲线选配一条 理 论 频率曲线 3 水文相关分析的前提条件是什么 y倚x与x倚y的水文两 变量线性回归方程中的相关系数r是一样的吗 4 相关分析的目的在于研究影响因素之间的相关关系 如 果两变量的r 0 95 则说明两变量没有关系 5 利用相关分析展延不易过多 否则会使设计值偏大 课堂作业 对频率曲线的影响 问题 简述统计参数x Cv Cs的含义及其 第一节年径流及其影响因素一 年径流与年径流量年径流 年度内通过河流某一断面的径流过程 年径流量 一年里通过河流某一断面的总水量 多年平均年径流量 年径流量多年平均值 二 影响年径流的因素闭合流域年水量平衡方程 P R E W气候因素 年降水量P 年蒸发量E下垫面因素 W 蓄水能力 气候条件改变人类活动 W 直接影响 间接影响 第五章年径流分析与计算 年径流的变化特点 空间分布 径流随地区变化 不均匀时间分配 年内变化 年际变化 年内变化 汛期与非汛期 周期性与随机性年际变化 丰水年 中水年 枯水年 连续丰水年组 连续枯水年组 三 设计年径流设计保证率 用水得到满足的保证程度设计年径流 相应于设计保证率的年径流量及其年内分配过程 计算方法 第二节长资料设计年径流计算 一 资料审查 1 可靠性审查水文资料必须可靠 具有必要的精度 2 一致性审查系列成因前后要一致 即气候和下垫面条件要稳定 3 代表性审查样本统计特性对总体统计特性的接近程度长系列参证变量对比法 二 设计径流系列的推求设计长系列 满足 三性 要求的实测年 月径流系列 设计代表年 符合设计保证率的年径流及其分配过程计算思路 1 年径流系列频率计算 2 推求设计年径流量QP 3 选择典型年内分配过程 4 设计年径流量的年内分配 三 典型年选择及成果合理性分析典型年选择原则 1 年径流量与设计值接近的年份 2 对工程较不利 规模大 的年份 成果合理性分析 水量平衡 参数地理分布规律均值 离势系数 偏态系数 分区图 条件 系列不足20年 或不连续 代表性不足 方法 选择参证变量 相关分析 插补展延 参证变量条件 1 与设计变量在成因上有密切联系2 有长期实测资料 代表性好3 较多同步观测资料 以便建立相关关系常用参证变量 设计断面水位邻近流域或上 下游测站径流量本流域降雨量 第三节具有短期资料时设计年径流计算 第四节缺乏资料时设计年径流计算 条件 系列太短或完全没有 无法展延 思路 根据水文现象变化的地区综合规律推求 即间接推求年径流量的统计参数均值 Cv和Cs 方法 1 参数等值线图法反映水文特征值的地理分布规律 2 水文比拟法将参证流域水文特征值移用到设计流域 本章小结 一 设计年径流 1 有长系列资料 频率计算 计算前 三性审查 计算后 成果合理性检查 2 有短期资料 展延系列 3 缺乏资料 等值线图 水文比拟 二 设计年径流过程 1 有实测资料 代表过程缩放 2 缺乏资料 水文比拟选择典型过程 课堂讨论 1 流域内湖泊围垦 将使流域径流年内 年际变化加剧 2 对设计流域自然地理 水利化措施历年变化情况调查研究 的目的是检查系列的可靠性 3 把短资料展延成长系列的目的是增加资料系列的一致性 4 年径流系列代表性审查中 一般将设计变量与参证变量同期系列的同名统计参数相比较 当两者大致接近时 则认为设计变量系列具有代表性 课堂讨论 5 处于同一气候区情况下 河流从上游向下游 其年径流量的 Cv值一般是递减的 6 甲 乙两河 通过实测年径流量资料分析计算 分别得到年径流均值为100m3 s和500m3 s 离势系数为0 42和0 25 二者比较可知 a 甲河水资源丰富 径流量年际变化大b 甲河水资源丰富 径流量年际变化小c 乙河水资源丰富 径流量年际变化大d 乙河水资源丰富 径流量年际变化小 7 从年径流CV等值线图上查出小流域的CV值一般较其实际值偏 大还是偏小 为什么 课堂讨论8 某水库多年平均流量为15m3 s Cv 0 25 Cs 2 0Cv 年径流理论频率曲线为P III型 1 按模比系数Kp值表求频率为90 的年径流量 2 按径流年内分配典型 求设计年径流的年内分配 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年 年内分 配 1 0 3 3 10 513 213 736 67 3 5 9 2 1 3 5 1 7 1 2 100 第一节概述一 洪水定义 暴雨或融雪产生大量径流汇入河中 产生峰高量大而稀遇的水文现象 洪水三要素 洪峰 洪量和洪水过程线 第七章由流量资料推求设计洪水 二 设计洪水1 定义工程规划设计依据的洪水 或符合防洪标准洪水 2 推求设计洪水的程序资料 三性 审查 选样 组成洪峰 洪量统计系列 考虑特大洪水进行频率分析计算 推求设计洪峰 洪量 选典型洪水过程放大 求设计洪水过程线 三 设计标准 如何推算工程的设计洪水 涉及一个设计标准问题 定义 工程或防护区抗御洪水能力 反映防洪安全要求 以洪水发生频率或重现期表示 标准选用 设计标准定得过高 工程投资增大而不经济 但工程比较安全 设计标准定得过低 工程造价降低 但工程遭受破坏 的风险增大 根据部颁标准 结合实际选用 主要防洪标准 规范中的主要标准包括 水工建筑物防洪标准 设计标准 校核标准 正常运用标准 设计洪水 确定水库的设计洪水位 设计泄洪流量等 不超过这种标准洪水来临时 水库枢纽一切工作维持正常状态 非常运用标准 校核洪水 确定水库的校核洪水位 这种标准的洪水来临时 水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏 次要建筑物允许损毁 但主要建筑物必须确保安全 防护对象的防洪标准 下游遭遇这种标准洪水时 通过水库及其它防洪措施的调蓄 使控制点的洪水不超过河道允许的安全泄量 一 洪水资料审查洪水资料 实测洪水 历史洪水资料审查 可靠性改正一致性还原代表性展延历史洪水 大小 发生年份考证资料要求 30年以上实测资料 若干历史特大洪水 第二节设计洪峰 洪量的推求 二 选样选样原则 年最大值法 分别独立选取样本 洪峰流量系列 不同历时洪量系列固定时段 一般采用l 3 5 7 15 30天 三 特大洪水的处理 定义 不连序系列的经验频率和统计参数的计算与连序系列不同 有别于一般洪水的频率计算方法 称为特大洪水处理 目的 提高计算成果稳定性方法 采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算的方法 目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法 独立样本法 统一样本法 1 什么是特大洪水 定义 实测系列和调查到的历史洪水中 比一般洪水大得多的稀遇洪水 通过历史洪水调查 能知其数量大小和重现期的洪水 类型 实测特大洪水 历史特大洪水 2 为什么要考虑特大洪水 如果能调查到N年 N n 中的特大洪水 就相当于把n年资料展延到了N年 提高了系列的代表性 使计算结果更合理 准确 稳定 如n 18年 第19年发生特大洪水 p 5 3 特大洪水的考察 特大洪水大小及重现期确定 大小 根据实测或调查的洪痕资料计算 重现期 通过调查考证等 获知它在整个调查期 系列中的排位确定 如 1870年历史特大洪水是1153年至2002年最 大的洪水 N 2002 1153 1 850 年 4 加入特大洪水后的系列特征 连续样本 洪水系列中没有特大洪水值 频率计算时 各项数值直接按大小次序统一排位 各项之间没有空位 序数m是连序的 不连续样本 系列中有特大洪水值 其重现期N必大于实测系列年数n 而在N n年内各年洪水数值无法查得 中间存在一些空位 由大到小是不连序的 5 特大洪水的处理 定义 不连序系列的经验频率和统计参数的计算与连序系列不同 这样就要研究有特大洪水时的经验频率和统计参数的有别于一般洪水的频率计算方法 称为特大洪水处理 目的 提高计算成果稳定性 方法 采用将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分别计算的方法 目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法 独立样本法 统一样本法 三 频率计算方法 独立样本法思路 实测和特大值系列分别作为独立样本 各项洪水在各自样本中分别连续排位计算 实测系列 特大值参与排位 只取一般洪水成果特大系列 仅计算特大洪水特点 出现重叠取频率较小值 实例分析 某站有1930 1972实测资料 另调查1903 1921两项历史洪水 70年中未漏掉比1903大的洪水 前三项洪水排序为1949 1921 1903 计算各项洪水频率 四 频率计算方法 统一样本法思路 实测与特大值共同组成一不连续系列 代表总体一个样本 各项在调查期统一排位 条件 特大洪水 一般洪水 特点 特大洪水排位无遗漏 实例分析 独立样本法 特大洪水与实测一般洪水相互独立 这在理论上有些不合理 但比较简单 在特大洪水排位可能有错漏时 因不互相影响 这方面讲则是比较合适的 统一样本法 当特大洪水排位比较准确时 理论上 说 用统一样本法更好一些 方法比较 五 洪水统计参数的矩法初估 思路 对于不连序系列 假定n l年系列均值和均方差与除去特大洪水后N 年系列的均值和均方差相等 即 N 1 l 六 推求设计洪峰 洪量 方法 根据经验频率和初估参数 目估适线凑出洪峰和不 同时段洪量的频率曲线 由设计频率查得设计值 目估配线原则 1 尽量照顾点群趋势 侧重考虑中上部 2 尽量靠近精度较高点据 3 不可机械通过特大洪水点据 而偏离点群太远 应 在特大洪水误差范围内调整 4 统计参数应与地区变化相协调 七 设计洪水成果的合理性分析 1 随时间变化规律分析 随历时增加 W7 W3 W1 Cv7 Cv3 Cv1 各种曲线在使用范围 内不能相交 2 随地区变化规律分析 从上下游站分析 一般洪峰 洪量均值从上游向下游增加 CV 值从上游向下游变小 下游站 干流站频率曲线高于上游 支流站 从水文相似区分析 洪峰 洪量均值 一般大流域大于小流域 CV值一般小流域大 大流域小 3 与国内外极大洪水记录对比分析 第三节设计洪水过程线的推求 1 典型洪水的选择原则 1 峰高 量大接近设计值的洪水 2 具有代表性 能反映流域大洪水特性 3 对工程不利 峰形集中 主峰靠后 洪水 4 与下游洪水遭遇情况最不利的典型 2 放大方法 1 同倍比放大法 方法 按峰或量同一个倍比放大典型洪水 以峰控制 以量控制 设计过程 优点 简单 工作量小 适用于峰量关系较好 峰或量控制的水利工程 缺点 峰 量无法同时达到设计值 2 同频率放大法 方法 采用洪峰和洪量的不同倍比值 分别将典型过程放大 使放大后的峰和不同时段洪量均分别等于设计值 即峰和量同时达到设计值 放大倍比及设计过程的确定 洪峰 1日洪量 3日洪量 设计过程 同频率放大法的适用范围 优点 比较符合设计标准 计算成果较少受所选 典型不同的影响 缺点 改变原有典型的雏形 可能相差较远 改善 尽量减少放大层次 控制历时不宜过多 适用范围 峰量均对水工建筑物防洪安全起控制 作用的工程 同频率放大法说明 特点 放大后的过程线 其洪峰流量和各时段的洪量都符合同一设计频率 注意 对于放大后过程线的不连续现象 徒手修匀 修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值 2 72 1 71 72400 4260031250 20290118000 7240057620 31250 KW3 1 KW7 3 3 算例 P117 已知 QmP 3530 W1P 42600 W3P 72400 W7P 118000QmD 1620 W1D 20290 W3D 31250 W7D 57620计算 同频率放大法推求设计洪水过程线 求解 计算放大倍比353042600KQ 2 18KW1 2 10162020290 本章小结 由流量资料推求设计洪水 主要包括峰量频率计算和典型过程放大两部分 重点内容包括 洪水资料选样 包括峰和量的选样方法 特大洪水处理 不连续样本及其经验频率计 算方法 独立样本法 统一样本法 推求设计洪水过程线 同倍比 同频率放大资料 三性 审查 成果 合理性分析 课堂讨论 思考 1 分析设计洪水和设计年径流频率计算的主要异同点 2 在特大洪水处理时 对不连续系列统计参数的计算 我国广泛采用考虑特大洪水情况的矩法公式 该公式包含了哪些假定 这些假定与实际情况符合吗 为什么 3 由流量资料推求设计洪水 为何要考虑特大洪水 为什 么还要进行特大洪水处理 如何处理 4 简要分析同倍比与同频率两种放大方法的优缺点 课堂讨论 计算题 1 某水文站有1950 2001年的实测洪水资料 其中最大的三年洪 峰流量依次为 2680m3 s 1050m3 s 900m3 s 其中1998年的 洪峰流量为实测期内的特大洪水 另根据洪水调查 1870年发生的 洪峰流量为3500m3 s和1932年发生洪峰流量为2400m3 s的洪水 是1850年以来仅有的两次历史特大洪水 用统一样本法推求上述五 项洪峰流量的经验频率 现已根据1950 2001年的实测洪水资料序 列 不包括1998年洪峰 求得实测洪峰流量系列均值为560m3 s 变差系数为0 95 试用矩法公式推求1850年以来的不连续洪峰流量 序列的均值和变差系数 研究对象 定量研究降雨形成径流的原理和计算方法 包括降雨扣除植物截留 下渗 填洼等损失 转化为净雨过程的产流计算和净雨沿地面和地下汇入河网 并经河网汇集形成流域出口断面径流过程的汇流计算 第八章流域产汇流计算 流域产汇流计算的基本思路 从实际降雨径流资料出发 分析产流或汇流规律 用于设计条件时 则可由设计暴雨推求设计洪水 用于预报时 则由实际暴雨预报洪水 第一节产汇流计算基本资料的整理分析 一 降雨资料的整理必须注意 降雨场次的划分一定要与洪水场次划分相对应二 径流资料的整理径流分割 水平分割 斜线分割三 蒸发资料的整理实用中一般假定流域蒸散发量E与流域蓄水量W成正比 第二节前期流域蓄水量及前期影响雨量计算 一 前期流域蓄水量计算涵义 流域土壤能够保持而不在重力作用下流走的水分 降雨使之补充 蒸发使之消耗 不形成径流 但可减少降雨损失 方法 根据流域影响土层水量平衡方程间接推求该计算方法概念明确 成果精度较高 但计算工作量大 多用于水文预报 二 前期影响雨量Pa的计算 Ka为流域蓄水的日消退系数 综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性 每个月可近似取一平均值 其中为流域月平均日蒸散发能力 取连续大暴雨之后的Pa等于Wm 由此向后逐日推算 第三节降雨径流相关图法计算净雨 思路 根据实测降雨 径流资料建立降雨径流关系相关图 经验的 蓄满产流理论的 预报净雨过程或推求设计净雨过程分类 经验降雨径流相关图 蓄满产流模型法 一 降雨径流经验相关图的应用 二 蓄满产流的基本概念 1 基本概念包气带土壤含水量在达到田间持水量之前不产流 此前降雨全部用以补充土层缺水量 土层水分达田间持水量 蓄满 后开始产流 此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨 且入渗达到稳渗率fc 入渗部分形成地下径流 超过稳渗的形成地面径流 称这种产流方式为蓄满产流 2 产流控制条件蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件 3 应用相关图推求总净雨过程 由蒸发资料计算Wt 计算时段有效雨量 查图得累积净雨深 计算时段净雨深 确定总净雨过程 4 稳渗率计算及总净雨划分 稳渗率fc的计算 原理 按照蓄满产流概念 仅在蓄满面积上才有 净雨 其中超渗部分形成Rs 稳渗部分形成地下 径流Rg 这些都能由实测径流过程线分割求得 根据水量平衡原理 由实测的P Rs 和Rg 反求fc 2 算例 ti RiPi Ei i RiP Ei 第四节初损后损法计算地面净雨 在干旱半干旱地区 地下水埋藏很深 流域的包气带很厚 缺水量大 降雨过程中下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量 所以不产生地下径流 并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流 这种产流方式称为超渗产流 关键是确定流域下渗的变化规律 一 初损后损法基本原理 该法将下渗损失过程简化为初损 后损两个阶段 初损 降雨开始到出现超渗产流时 历时t0 降雨全部损失I0 包括初期下渗 植物截留 填洼等 后损 产流以后损失阶段 损失有所下降并趋向稳定 按超渗历时ts内的来计算 地面径流深计算由水量平衡原理 净雨深用下式计算 二 初损I0的确定 由实测雨洪水资料分析确定I0 流域较小时 降雨基本一致 洪水过程线起涨点前的累积雨量就是初损I0 对于较大流域 可在其中找小流域水文站 按上述方法确定I0 三 平均后损率的确定 由实测降雨洪水资料分析确定实测降雨洪水的P RS I0已知 结合其降雨过程 即可试算得相应的 四 算例 四 算例 四 算例 课堂讨论 1 在干旱地区 当降雨满足初损后 若雨强i大于下渗率 f 则开始产生地面径流 2 按初损后损概念 平均后损率指的是后损阶段流域的平 均下渗能力 3 稳渗率与平均后损率在概念上有何区别 计算方法上有 何异同 4 三种主要产流方法中 计算出的净雨都是总净雨吗 5 超渗产流与蓄满产流的主要区别是什么 第六节流域汇流分析 出口总径流过程 降雨过程产流计算 地面净雨 地面汇流计算 净雨过程 地下净雨 地下汇流计算 地面径流过程地下径流过程 1 地下汇流简化计算方法 当产流计算不能给出地下净雨过程时 可以采用简 化方法推求流域出口的地下径流过程 常用的方法是根据斜线分割基流或水平线分割基流的概念 以洪水起涨流量为起点 把地下径流过程概化为一条上斜的直线或一条水平线 这种办法在由暴雨资料推求设计洪水时常常采用 第七节单位线法计算流域出口洪水过程 一 单位线定义与基本假定1 单位线的定义在给定的流域上 单位时段内均匀降落单位深度的地面净雨 在流域出口断面形成的地面径流过程线 qi10 qi 10 于净雨深之比 如果Rs 2 10mm 则可推求单位线 2 单位线两项假定之倍比假定假设同一流域上有2场净雨 历时相同 则它们在出口形成的地面径流过程完全相似 即总历时相同 相应流量等 Ta Tb T RS 1RS 2 Q1 2Q2 2 Q1 1Q2 1 Q1 iRS 1 Q1 iRS 1 10RS 1 q0 10RS 1 Q1 0 q1 10RS 1 Q1 1 q2 10RS 1 Q1 2 q3 10RS 1 Q1 3 3 单位线两项假定之叠加假定 Q0 0 Q1 Q1 1 Q2 Q1 2 Q2 1Q3 Q1 3 Q2 2 算例 二 单位线的推求 原理 利用实测降雨 径流资料 利用单位线的两项基本假定来反求 方法 缩放法 适用于仅有一个时段净雨的情况 倍比确定 分解法 适用多个时段净雨的情况 利用单位线的两项基本假定 将总的地面径流过程分解为各净雨独立产生的地面径流过程 然后按缩放法由某单位时段的地面径流过程反求单位线 试错优选法修正 径流深应等于10mm R5 9 Q Q 倍比 R 12 4 1 将Q t分解为各时段净雨的地面径流过程 12 i 1 2 i2 i Q Q 叠加 s 2s 1 Q2 iQ 1 i 11 i 1 1 i 2 推求单位线 i 1 12 Q q 1 i 10Rs 1 i 3 单位线的检验和修正 修正原则或依据 2 径流深应等于10mm 3 应为光滑的铃形曲线 4 还原计算 误差最小 1 历时应满足Tq T ts 1 三 单位线的时段转换 S曲线 设想流域上有一场净雨强度为10mm t持续不断的降雨 在出口形成的地面径流过程线S t 实质 单位线纵标沿时程的累积曲线 2 6h转3h图示 四 单位线存在的问题及处理方法 五 应用单位线推求洪水过程 1 由降雨推求净雨过程2 选择相应单位线3 由倍比假定推求各时段净雨的地面径流过程4 叠加得总地面径流过程5 加地下径流过程 得到要推求的洪水过程 课堂讨论 判断 1 在进行流域产汇流分析计算时 为什么还要将总 净雨过程分为地面 地下净雨过程 2 对同一流域而言 单位线的径流量大小和形状不受降雨强度 雨心位置 时段长短 净雨历时多少及地面径流分割方法的影响 3 本章介绍的几种汇流方法有何区别与联系 课堂讨论 计算 1 某流域面积为300km2 已知一次暴雨洪水的地面径流过程如下表 初损为10mm 平均后损率为0 5mm h 求该流域6h10mm单位线 解 已知F 300km2 I0 10mm f 0 5mm h I 课堂讨论 计算 2 某流域F 263 7km2 已分析得1997年6月一次暴雨洪水的地面净雨过程及地面流量过程见下表 1 分析该流域3h10mm单位线 2 将已分析的3h10mm单位线转换为6h10mm单位线 2 解 分析3h10mm单位线 2 单位线转换 利用叠加原理 2 单位线转换 利用S曲线 一 主要内容1 推求设计暴雨 频率分析法推求不同历时指定频率的设计雨量 典型放大法推求设计暴雨过程 2 推求设计净雨 拟定产流方案 进行产流计算 3 推求设计洪水 拟定汇流方案 进行汇流计算 二 基本假定暴雨与洪水同频率 第一节概述 第九章由暴雨资料推求设计洪水 资料条件 流域上雨量站较多 分布均匀 且具有较长同期观测资料 足以计算长系列的流域平均雨量 称面雨量 时 就可直接选取每年指定统计时段的最大暴雨量 进行频率计算求得设计暴雨量 计算方法 目前我国暴雨量频率计算的方法 线型 经验频率公式 特大暴雨处理等与洪水频率计算相同 典型选择 可能 代表性 与不利原则 放大方法 同频率放大控制 第二节暴雨资料充分时设计暴雨推求 思路 资料收集与审查 选样 每年各历时最大面雨量 系列 频率计算 各种历时面暴雨量理论频率曲线 设计频率 各种历时的设计面雨量 说明 1 资料收集 水文年鉴 水文数据库 暴雨图集等2 资料审查 三性 审查 3 系列选样 年最大值法独立选取 固定时段一般取 4 特大暴雨处理 系列内 通过历史洪水调查确定 系列外 移植 思路及几点说明 成果合理性分析 1 各种历时频率曲线在综合图上不应相交 2 历时越长 均值越大 Cv越小 3 统计参数应与地区影响参数变化相协调 4 与实测或临近地区特大暴雨比较 第三节暴雨资料不足时设计暴雨推求 1 第一种情况如果流域中心附近有一个具有长期雨量资料的测站 那么可依据该站点资料进行频率计算 求得各种历时的设计点雨量 2 第二种情况如果流域上完全没有长系列雨量资料 则查各省水文手册等文献中刊载的暴雨统计参数等值线图 得到流域中心处各种历时暴雨的统计参数 进而求得各种历时的设计点雨量 一 设计点雨量计算 思路 流域面积很小时 可近似将流域中心设计点雨量作为流域设计面雨量 对于较大面积流域 需研究点雨量与面雨量之间的关系 称暴雨点面关系 进而将设计点雨量转化为设计面雨量 暴雨点面关系种类 定点定面关系 动点动面关系 转换公式 P面 T P点 T 二 设计面雨量的推求 流域面积 一 由设计暴雨推求设计净雨设计暴雨扣除相应的损失 即得设计净雨 1 拟定设计流域的产流计算方案有暴雨径流资料时 降雨径流相关图法 初损后损法等 缺乏暴雨径流资料时 采用省水文手册等规定的方法 2 确定设计暴雨的前期影响雨量Pa p 1 Wm折算法 2 扩展设计暴雨过程法 3 同频率法 第六节由设计暴雨推求设计洪水 P Pa P PP 二 由设计净雨推求设计洪水1 拟定地面汇流计算方案 有雨洪资料时 一般采用时段单位线法 缺乏雨洪资料时 采用小流域洪水计算方法 2 按地面汇流方案 将地面净雨转化为地面径流过程3 选定地下汇流计算方案 简化 确定地下径流过程 4 将地面 地下径流叠加 即得设计洪水过程 地面 地下汇流计算方案 地面汇流方案 有雨洪资料时 等流时线法 时段单位线法 瞬时 单位线法等 雨洪资料缺乏时 综合单位线法 推理公式法 地区 经验公式法等 地下汇流方案 对于设计洪水而言 地面径流是主体 地下径流相对很小 常常按经验取大洪水的基流作为设计洪水的地下径流 或其它简化计算方法 本章小结 课堂作业 简述由暴雨资料推求设计洪水的 基本思路和方法 一 水库及其特性曲线1 水库指在河道 山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊 作用 兴利 除害 防洪 2 水库特性曲线 反映水库地形特征的曲线水库面积曲线 Z A水库容积曲线 Z V 第二节水库特征 第十二章水库兴利调节计算 二 水库特征水位及其相应库容 水库特征水位 表示水库工程规模及运用要求的各种库水位 作用 体现水库运用和正常工作的各种特定要求 是规划设计阶段确定主要水工建筑物尺寸 估算工程投资 效益的基本依据 三 水库的水量损失 水库建成蓄水后 由于河流天然状况及库内外水力条件发生变化 从而引起额外水量损失 主要表现为蒸发损失和渗漏损失的增加 在寒冷地区还有结冰损失 蒸发损失 指由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量 渗漏损失 经验系数法 即年或月的渗漏损失相当于水库蓄水容积的一定百分数来估算 第三节 径流调节的作用与分类 一 径流调节的涵义及作用广义径流调节 整个流域内 人类对地面及地下径流自然过程的一切有意识的干涉 狭义径流调节 河川径流在时间和地区上的重新分配 径流调节作用 协调来水与用水在时间分配上和地区分布上的矛盾和不一致 以及统一协调各用水部门需求之间的矛盾和要求 流量 水位 二 水库径流调节分类 按承担任务划分兴利调节洪水调节 日调节 年调节 水库蓄水从库空到库满 再到库空 这样循环一次所经历的时间称为一个调节周期 t1 t2 t0 调节周期 t Z蓄Z死t V1 按调节周期长短划分Q t q t V2 多年调节无调节 水库调节类型 无调节 第四节兴利调节计算原理与方法 二 库容确定 水库运用分析 水位 流量 二 库容确定 水库运用情况分析 水库一次运用水库在一个调节 周期内只有一次连续 蓄水 供水情况 所需调节库容为 t1 t2 t0 调节周期 Z死t tZ蓄 V1 Q t q t V2 V兴 V2 流量 Q q V1 V2 t1 t2 Q t t0 V3 V4 t3 t4 水库二次运用水库在一个调节周期内连续蓄水 供水两次 1 V1 V2 V3 V42 V2 V3 V43 V2 V3 V3 V4 V兴 max V2 V4 V兴 V4V兴 V2 V4 V3q t 流量Q q 多次运用 一个调节周期内连续蓄水 供水多次 逆时序法 假定年末水库放空 蓄水为零 逆时序往前计算 遇缺水相加 遇余水相减 若得负值时取为零 这样就可求得各时刻水库所需要的蓄水量 取其最大值作为所需调节库容 水库多次运用 W1 W2 t1 t2 Q t q t t0 W3 W4 t3 t4 t5 t6 W5 W6 流量 蓄水期 来水大于用水 蓄水从库空到库满 供水期 来水小于用水 供水从库满到库空 计算时段 取月或旬 按水利年度选取 第四节年调节水库时历列表法1 调节周期的划分调节年 年调节周期为一年 由蓄水期开始 到供水期结束 也称水利年 t2 t0 调节周期 t V1 Q t q t V2 蓄水期 t1供水期 2 不计损失的时历列表法 1 对该年来 用水进行列表对照 2 利用水量平衡 逐时段计算余缺水量 3 计算各余 缺水期总水量 4 根据水库运用规则 确定年库容 5 根据V年 确定水库蓄水和弃水过程 三 不计损失的时历列表法 W蒸 180 9 1 10 1000 1 6 106m3 3 计入损失的简化算法 1 不计损失 求出年库容 2 计算供水期 12 3月 平均蓄水量 3 计算供水期蒸发和渗漏损失量 4 确定考虑损失后的年库容近似值6 W损 6 2 106m3 第五节设计保证率及代表期选择 规划设计水资源工程 首先要解决不同来水情况下满足不同时候的需水要求 以及满足这种需水要求的保证程度 定义 作为确定水利工程规模的依据 选定国民经济达到某个发展水平的未来某一年份 即为设计水平年 对该年各用水部门的用水量作出预测 并以此作为工程的设计依据 表示形式 设计水平年 作为水利工程的设计依据远景水平年 作为水利工程的校核依据 一 设计水平年 1 定义多年期间用水部门能保持正常供水不受破坏的机率 2 表示形式年保证率历时保证率3 设计代表年和代表期的选择 第六节设计保证率及代表期选择 三 设计代表年的选择 设计枯水年 成果可满足设计保证率P的要求 设计中水年 用于反映水利工程的多年平均效益 设计丰水年 反映丰水条件下的兴利情况 选择方法 视计算要求和简化程度而定 P P设 P50 P1 P设 年 径 流 量 第七节年调节水库兴利库容的确定 根据兴利用水要求确定必需的兴利库容 进而确定正常蓄水位 是水库规划的重要内容之一 确定年调节水库兴利库容的方法主要有详细计算的长系列法和简化计算的代表年法 时历列表法是最常用的方法之一 第八节多年调节水库的调节计算 多年调节水库可能要经过几个丰水年才能蓄满 所蓄水量分配在几个连续枯水年份里用掉 调节周期长达若干年 而且不是一个常数 兴利库容的确定有长系列法和试算法等 设计保证率 兴利库容与调节流量的关系 P设一定 Q调越大 V兴越大 Q调一定 V兴越大 P设越高 V兴一定 Q调越小 P设越高 课堂讨论1 某年调节水电站有40年逐旬流量资料 经水能调节计算 知其第5 8 35年的旬平均出力分别破坏3 5 1次 则设 计年保证率为 2 已知某年调节水库设计枯水年来 用水过程 亿m3 则 水库运用为 次运用 兴利库容为 亿m3 水能 河流中流动的水流蕴藏的能量水力发电 利用水能生产电能水能计算内容 两个动能指标 保证出力 多年平均发电量三个设计参数 Z蓄 Z死 N装 第九节水电站水能计算 一 水能资源开发方式 水流经引水建筑物进入水轮机 使其旋转 并带动发电机 便可将水能转变为电能 在发电过程中伴随各种水头损失和能量损失 水电站实际出力为 或则时段T内的发电量为 主要动能指标 NP E多年 二 水力发电原理及主要动能指标 二 水力发电原理水流出力与电站出力公式之比较 河川水能估算公式 N 9 81 H Q 水电站水能计算公式 N K H净 Q引 单位说明 Q m3 s H m N kw 三 出力与发电量 t E t1 titi 1 tn t h 出力 从发电机端线送出的功率 随时间变化 发电量 水电站在一定时段内生产的电能 Nn E Ni ti 1 四 主要动能指标 保证出力 符合水电站设计保证率要求的一定临界期的平均出力 为可靠性指标或容量效益指标 多年平均年发电量 水电站在多年工作期间 平均每年所能生产的电能量 为经济性指标或电量效益指标 三 水电站水能计算基本方法 1 无调节水电站水电站在任何时刻出力取决于河道中当时天然流量 而且各时段出力彼此无关 上游水位基本维持在正常蓄水位不变 以日为计算时段 计算资料可用长系列或丰 中 枯三个代表年 计算方法 分组 绘制日平均出力频率 历时 曲线 2 日调节水电站库容较小 只能调节日内天然流量 上游水位取日内水位平均值 即死水位和正常蓄水位的平均 调节计算以日为计算单位 水能计算与无调节相同 3 年调节水电站水能计算 1 在一个调节年内可分为蓄水期 弃水期 不蓄不供期和供水期等四个时期 2 年调节水电站在年内能否保证正常工作 一般决定于供水期 3 计算时段可取月或旬 4 时段出力与天然流量和调节方式有关 5 水能计算方法 等流量调节方式等出力调节方式 试算确定供 蓄水期引用流量 从蓄水期死水位开始 逐时段计算时段末蓄水量 计算时段平均蓄水量 查库容曲线 求得上游平均水位Z上 根据时段引用流量 查下游水位流量关系曲线 得下游平均水位Z下 计算时段平均净水头H Z上 Z下 H 计算时段出力 发电量 计算动能指标 等流量调节方式的水能计算方法 年调节水电站动能指标计算 保证出力 符合P设的供水期平均出力 设计枯水年法 该年供水期平均出力 长系列法 求出各年供水期平均出力 按大小排频 绘制供水期平均出力保证率曲线 由P设查出 多年平均发电量 年发电量计算须按装机切头 设计中水年法 该年发电量 丰 中 枯三年法 长系列法 各年发电量的平均值 4 多年调节水电站水能计算 水库能进行年际间水量调配 使电站在连续枯水年组内得到相同的平均出力和发电量 保证出力为符合P设要求的连续枯水年组的平均出力 水能计算与年调节类似 保证出力 设计枯水年组法多年平均发电量 长系列法设计中水年组法等 四 水电站装机容量的选择 装机容量 水电站所有机组额定容量的总和 是水电站主要参数之一 装机容量组成 装机容量装机容量选择 多方案论证 综合分析确定 装机容量年利用小时数法 保证出力倍比法 机组装机容量 铭牌出力或额定容量 在正常运行情况下机组的最大出力值 水电站装机容量 该电站全部机组装机容量之和 电力系统总装机容量 向电力系统供电的各种类型发电站的装机 六 水电站装机容量的选择1 装机容量的含义 容量总和 2 装机容量的选择 水电站重要参数 直接影响到水电站规模 动能效益 电站将发挥的作用和水能资源利用程度 并且也影响到资金和设备合理使用 3 系统装机容量组成 设计 最大工作容量 满足系统最大负荷要求的容量备用容量 为保证供电质量和可靠性准备的容量 事故备用容量检修备用容量负荷备用容量 备用容量 最大工作容量 必需容量 替代容量 重复容量 水电站为增发季节性电能而设置的容量 课堂讨论 1