工程水文及水利计算-第1章

工程水文及水利计算,王俊奇可再生能源学院水利水电工程教研室,提纲,第一章绪论第二章气象与水文第三章水文观测及其资料收集第四章水文统计基本原理与方法第五章年径流分析与计算第六章水文过程随机模拟第七章由流量资料推求洪水第八章流域产汇流计算第九章由暴雨资料推求设计洪水第十章河流泥沙计算第十一章水文预报第十二章水库兴利调节计算第十三章水库防洪计算第十四章水库调度,第1章目录,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用1-2水文现象基本规律及其研究方法1-3中国的水资源1-4水文学及我国水文事业发展1-5学习指导,一、工程水文及水利计算的研究内容,1.水文学：研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的存在、分布、循环、物理化学性质及其环境因素的变化规律，预测、预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势。从水文学的研究对象来看,水文学是地球物理科学的一部分。,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,（1）,（2）分类：按各种水体存在形式水文气象学陆地水文学：河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学海洋水文学（3）内容水文循环及径流形成规律水资源分布水体的物理、化学特性水体对生态、环境的影响,2、工程水文,工程水文学的主要内容为水文测验、水文分析计算和水文预报，其中水文测验和水文预报现已成为一门独立的学科。,进入20世纪特别是第一次世界大战以后,大量兴起的防洪、灌溉、水力发电、航运工程、铁路、桥梁和农业、林业及城市建设,向水文科学提出了许多新课题。解决这些新课题的方法也由经验的、零碎的知识逐渐理论化和系统化,水文科学的应用特色也逐渐显现出来,并率先形成最重要的分支学科一一工程水文学。,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,水文计算的主要任务是确定工程的规模。规模过大,造成工程投资上的浪费;过小,又使水资源不能充分利用,也是一种浪费。对于防洪措施如标准过低,还可能导致工程失事,造成工程本身和下游人民生命财产的巨大损失。在多沙河流兴建水利工程还需估算蓄水引水工程的泥沙淤积量,以便考虑延长工程寿命的措施。水利工程的使用期限一般为几十年甚至百年以上,规划设计时,必须知道控制水体在使用期间的水文情势。水文计算就是研究这类问题的学科。,每一水利工程在其实施过程中,都可划分为规划设计、施工及管理运营三个阶段。,规划设计阶段,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用,其任务即将规划设计的工程付诸实施。因而在施工期间必须对水文情势有所了解。水利工程工期一般较长,往往需要一个季度甚至长达几年。对水文情势的了解应包括两个方面:,施工阶段,一是为了临时性建筑物如围堰、引水隧洞或渠道等,提供长期(如整个施工期之内)的水文预告（天然来水情势）,而通常的水文和气象预报,往往不能提供如此长期的预报,仍需通过水文计算来解决这个问题。,另一方面,为了安排日常工作也必须了解近期更为确切的水情,这就需要提供短期(如几天之内)的水文预告。水文预报是为解决这一类问题服务的。,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用,其主要任务在于使建成的工程充分发挥作用。为此需要未来一定时期的水文情况,以便确定最经济合理的调度方案。此时需要由水文分析得到的长期平均情势结合水文预报的短期水情,从而提出最佳的调度运用方案。水文复核、水文预报、优化调度,管理运营阶段,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用,水文计算为第一个环节,其输入为基本水文气象资料,输出是当地可能出现的水文情势。水文计算的输出则是后继环节一一水利计算的输入;,规划设计水利工程大体可分为两大环节：,水利计算由当地的水文情势、自然情况和国民经济对水资源开发的需求,研究各种设计方案的经济效益,从中选出最优方案,如图1-1所示。,二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,规划设计水利工程大体可分为两大环节：,二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用,1-1研究对象、内容及在国民经济中作用,第1讲绪论,周期性,水文现象的基本规律,黄河兰州站月（降水、径流）系列,一、基本规律,1-2水文现象基本规律及其研究方法,第1讲绪论,1.水文现象的确定性规律成因规律水文现象的发生都有其客观的原因和具体的形成条件因果关系。例如径流的丰枯变化（周期性），降雨径流关系等。,随机性,水文现象的基本规律,一、基本规律,1-2水文现象基本规律及其研究方法,第1讲绪论,2.水文现象的随机性规律统计规律水文现象又受偶然因素的影响，在一定程度上表现出非确定性随机性。例如河流某断面每年出现最大洪峰流量的大小和出现的时间。,地区性,水文现象的基本规律,一、基本规律,1-2水文现象基本规律及其研究方法,第1讲绪论,3.水文现象的地区性规律气候因素的地区性规律对水文现象的影响。例如我国河川径流量的分布受降雨量分布的影响，呈现出自东南沿海向西北内陆逐渐减少的地区性规律。它综合反映了确定性和随机性规律。,成因分析法,数理统计法,地理综合法,水文现象异常复杂,不易完全了解。但通常可以借系统概念作简化处理。所谓系统,是由许多互相关联部分组成的总体。系统大的可以包括整个地球水循环,小的可以只涉及地球上的一个小部分(如流域)面积上的几个水文过程。,研究方法,二、工程水文及水利计算的研究方法,1-2水文现象基本规律及其研究方法,第1讲绪论,1.成因分析法利用水文现象的确定性规律来解决水文问题。通过观测资料和实验资料研究，建立水文现象与其影响因素之间的定量关系。在水文现象基本分析和水文预报中应用广泛。,2.数理统计法根据水文现象的随机性，以概率论为基础，运用数理统计方法，可以求取长期水文特征值系列的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的设计水文特征值。在水文计算中运用广泛。,3.地区综合法根据气候要素和其它地理要素的地区性规律，可以按地区研究受其影响的某些水文特征值的地区变化规律，绘制成等值线或建立地区经验公式，利用它们可以求出资料短缺地区的水文特征值。,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,海洋96.5%陆地3.5%,1、地球上各种水体的数量与分布,水体,海洋水,96.5%,地表水,冰川与冰盖湖泊水沼泽水河流水,地下水,重力水地下冰,土壤水,大气水,生物水,湖泊、河流、土壤中的淡水约占0.316%,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,1、地球上各种水体的数量与分布,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,20世纪7080年代，联合国教科文组织和世界气象组织共同提出了水资源的涵义，并被广泛采纳，即“水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这种水源应当具有足够的数量和可用的质量，并在某一地点为满足某种用途而得到利用”。,有效水资源：对人类最为实用的水资源，是陆地上每年可以更新的降水量、江河径流量和浅层地下水的淡水量。,降水可以直接为人类利用，同时，它又是江河径流和浅层地下淡水的来源。,2、水资源,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,从数量上看，降水量和江河径流量都处于动态变化之中，在各年之间和年内各月之间水量都不均衡。,与煤、石油等矿产资源不同，水资源数量具有可更新补充的特点。,水资源包括水量、水质、水能和水域。,2、水资源,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,人类最有实用价值的水量资源是陆地上每年可以更新的降水量、江河径流量和地下水的淡水量。,2、水资源,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,水域资源是水资源的一个组成部分，人类利用水域资源可发展渔业、养殖业、航运业和旅游业。,2、水资源,1-3-1地球上的水资源,第1讲绪论,水能指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。水能是一种可再生能源。,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,松花江区：包括松花江流域以及黑龙江、乌苏里江、图们江、绥芬河等跨界河流中国境内部分；辽河区：包括辽河流域、辽宁沿海诸河以及鸭绿江中国境内部分；海河区：包括海河流域、滦河流域及冀东沿海地区；黄河区；淮河区：包括淮河流域及山东沿海诸河地区；西北诸河区：包括塔里木河等西北内陆河以及额尔齐斯河、伊犁河等跨界河流中国境内部分。,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,长江区：含太湖流域；东南诸河区：包括钱塘江、浙东诸河、浙南诸河、闽东诸河、闽江、闽南诸河及台澎金马诸河；珠江区：包括珠江流域、华南沿海诸河、海南岛及南海各岛诸河；西南诸河区：包括红河、澜沧江、怒江、伊洛瓦底江、雅鲁藏布江等跨界河流中国境内部分以及藏南、藏西诸河地区。,1、水资源的数量,降水量,根据我国第1次水资源调查评价结果，我国多年平均年降水总量为61889亿m3，折合年降水深为648mm，小于全球陆地多年平均年降水深（800mm）。,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2006年降水总量为61889亿m3,1、水资源的数量,指江河、湖泊、冰川等地表水体的动态水量，即天然江河径流量。全国多年平均年径流总量为27115亿m3，折合年径流深为284mm，小于全球多年平均江河年径流深（315mm）。,地表水资源量,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,地下水资源量,指降水入渗和地表水体（含河道、湖泊、水库、渠系和渠灌田间）渗漏到地下含水层的补给量。全国多年平均地下水资源量为8288亿m3。,由于地表水和地下水相互联系又相互转化，故不能将江河径流量与地下水资源量直接相加作为水资源总量，而应扣除相互转化的重复水量。重复水量约为7299亿m3。全国多年平均水资源总量为28124亿m3，其中地表水资源占96.4%，地下水资源占3.6%。,水资源总量,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,1、水资源的数量,总量不算少，但人均水量低,我国水资源量与世界各国比较，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国及印尼,居世界第六位。但因为人口众多，人均占有2400m3，只有世界人均占有量的1/4，排在世界百位以后。耕地平均分摊水量只有世界平均数的3/4。,南部和东南沿海平均年降水量大于1600mm。台湾省的平均年降水量为2540mm,是全国最湿润地区。华北和东北年降水量为400800mm。西北的大部地区,只有200400mm。一些沙漠边缘地区少于100mm。,地区上分布极不均匀,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2、水资源的特点,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2、水资源的特点,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2、水资源的特点,与耕地、人口的分布不相匹配,南方,水资源总量,81.0%,人口,54.6%,耕地面积,39.7%,人均水资源量,3300m3,单位耕地水资源量,2924m3/hm2,北方,水资源总量,14.4%,人口,43.3%,耕地面积,54.9%,人均水资源量,740m3,单位耕地水资源量,376m3/hm2,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2、水资源的特点,年内、年际变化大,常用连续最大4个月降水量占全年降水量的百分数来表示降水的年内分配，百分数越大，表示年降水年内变化越大。,长江以南地区,连续最大4个月降水量占全年,50%80%,华北、东北地区,连续最大4个月降水量占全年,70%80%,西南地区,连续最大4个月降水量占全年,70%80%,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,2、水资源的特点,中国水资源公报,长江流域水资源公报黄河流域水资源公报珠江流域水资源公报松辽流域水资源公报淮河流域水资源公报海河流域水资源公报太湖流域水资源公报,各流域/片水资源公报,各省、自治区、直辖市水资源公报,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,、水资源公报,水利工程设施,见全国水利发展统计公报-2005年,堤防和水闸,各类水闸39839座，其中大型水闸405座。,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水库及枢纽,全国已建成各类水库85108座，水库总库容5624亿立方米，其中，大型水库470座，总库容4197亿立方米，水利部门管理的387座，电力及其它部门管理的83座。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,农业灌溉,全国有效灌溉面积达到56562千公顷，占全国耕地面积的43.5%。万亩以上灌区5860处，有效灌溉面积26419千公顷；30万亩以上大型灌区287处，有效灌溉面积14310千公顷。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,机电井和泵站,全国已累计建成各类机电井478.6万眼，其中安装机电提水设备可正常汲取地下水的配套机电井428.2万眼，装机容量达3887.1万千瓦。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,农村水电,全国水利系统水电装机容量累计达到4841万千瓦，占全国水电装机容量的41.5，其中农村水电装机4309万千瓦。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,水土保持工程,全国水土流失综合治理面积达到94.7万平方公里，其中小流域治理面积37.1万平方公里。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,水文及信息化,各流域已建成国家基本水文站3191个，水位站1160个，雨量站14373个，水质站4557个，地下水监测站12313个，蒸发站349个，实验站69个。全国共有7815个拍报水情站，1041个水文预报站。初步建成了以251个水环境监测中心为核心、3240个各类水质监测站点为基础的覆盖全国主要江河湖库的水质监测网络体系。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,水利工程设施,供水量,全年水利工程总供水量5573亿立方米，其中地表水源占81.3%，地下水源占18.3%,其他水源占0.4%。,用水量,全年总用水量5573亿立方米，比上年增加0.5，其中，生活用水473.7亿立方米，占总用水量的8.5%；生产用水5021.3亿立方米，占总用水量的90.1%；生态与环境用水78.0亿立方米，占总用水量的1.4%。,见全国水利发展统计公报-2005年,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,4、水资源开发利用现状,供、用水量,缺水的干旱/半干旱面积占52%；,400多个城市供水不足；,110多个城市严重缺水。,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,5、水资源开发利用的主要问题,水资源供需矛盾突出（水少）,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,5、水资源开发利用的主要问题,水资源供需矛盾突出（水少）,我国水资源短缺大致分四种类型：工程型缺水资源型缺水污染型缺水管理型缺水,我国目前缺水总量约300400亿m3，有200多座城市缺水，每年受灾面积约2300万hm2，每年直接影响工业产值2300亿元。世界银行曾测算，中国每年干旱缺水造成的损失约为350亿美元。,城市和工业集中地区和北方部分井灌区地下水超采,1950：0.05亿m3，2000：4.24亿m3,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,5、水资源开发利用的主要问题,水质恶化，地表水和地下水均受到污染（水脏）,黄河的污染与泥沙,海河白洋淀水污染,1-3-2中国的水资源,第1讲绪论,5、水资源开发利用的主要问题,全国七大江河水系的741个监测断面中：29.1%的断面符合类以上水质30.0%、类水40.9%劣类水全国近一半城镇农村(3.6亿人)饮用水源地