工程水文学总复习

1、1 工程水文计算工程水文计算 Engineering Hydrology Calculation 主讲马岚主讲马岚 2016年年1月月7日日 Tel:Email: 北京林业大学水土保持学院北京林业大学水土保持学院 2 工程水文计算工程水文计算总复习总复习 第一章 绪论 第二章 水文循环与径流形成 第三章 水文信息采集与处理 第四章 流域产汇流计算 第五章 设计年径流 第六章 由流量资料推求设计洪水 第七章 由暴雨资料推求设计洪水 3 1、水文学、水资源和工程水文学 水文学水文学：研究地球上，包括大气层、地表和地下在内的 所有各种水体的存在、分布、循环和运动规律的一门学

2、科， 探讨水体的物理和化学特性、时空变化以及它们与环境的相 互作用。 水资源水资源：地球表层可供人类利用的水，包括水量、水质、 水能资源和水域。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、江河流水量和浅层地下水的淡水量。 工程水文学工程水文学：为水资源开发工程和其它有关工程的规划、 设计、施工、管理、运用提供水文依据的学科。 第一章第一章 绪论绪论 4 2、工程水文学的主要研究内容 应用于水利工程，主要研究水利工程的规划、设计、施工和运行管理 中有关水文计算、水利计算和水文预报的基本理论和方法。 规划设计阶段规划设计阶段：确定工程规模；施工阶段施工阶段：提供施工期设计洪水；运运 营管

3、理阶段营管理阶段：分析长期来水情势结合短期水文预报，编制调度方案。 3、水文现象的基本规律 水文现象受气象要素、下垫面因素和人类活动的影响。表现为周期性周期性 （或确定性）、随机性和地区性规律（或确定性）、随机性和地区性规律。 4、工程水文学的基本研究方法 根据水文现象的基本规律，按不同的条件和要求，工程水文学的研究 方法通常分为三类：成因分析法、数理统计法和地理综合法成因分析法、数理统计法和地理综合法。实际工作中， 这三种方法相辅相成、互为补充。 5 1、河流及流域特征 （1）河流 河流分为河源、上游、中游、下游及河口五段。注入海洋的河流为 外流河，注入内陆湖泊或消失于沙漠的河流为内陆河。

4、河流的基本特征：河流长度、河流断面（横断面、纵断面、中泓 线）、河道纵比降。 水系及河流地貌定律：斯特拉勒（Strahler）河流分级法。 （2）流域 闭合流域和非闭合流域。 流域的基本特征：流域面积、河 网密度、流域长度和平均宽度、流域 形状系数、流域的平均高度和平均坡 度、流域自然地理特征（地理位置、 气候特征和下垫面条件）。 第二章第二章 水文循环与径流形成水文循环与径流形成 6 2、降水及其分类 降水包括雨、雪、霰、雹、露、霜等从空中 降落到地表的各种液态水和固态水，是水文循环 中最活跃的因子。常用降水量、降水历时、降水 强度、降水面积和暴雨中心等来描述降水特征。 日降水量达到或超过5

5、0mm的降水称为暴雨。 与降水有关的气象因素：气温、气压、风、 湿度。 降水的分类：按空气抬升形成动力冷却的原 因分为对流雨、地形雨、锋面雨和气旋雨。 7 3、土壤水、下渗与地下水 （1）土壤水 土壤水的存在形式：吸湿水、薄膜水、毛 管水、重力水。 土壤水分常数：最大吸湿量、最大分子持 水量、凋萎含水量、毛管断裂含水量、田间持 水量、饱和含水量。 8 （2）下渗 下渗的物理过程：根据水分下渗过程中所受的 力（分子力、毛管力和重力）和运动特征，下渗过 程可分为渗润、渗漏和渗透三个阶段。渗润和渗漏 属非饱和水流运动（或土壤水运动），而渗透属于 稳定的饱和水流运动（或地下水运动）。 下渗率、下渗能力

6、、下渗（能力）曲线；初始 下渗率、稳定下渗率。 （3）地下水 地下水类型：潜水和承压水。 9 4、蒸散发 按蒸发面的不同，蒸散发分为水面蒸发、 土壤蒸发和植物散发。在充分供水的条件下， 某一蒸发面上的蒸发量称为可能最大蒸发率 或蒸发能力。 5、径流形成过程 径流形成过程可概括为：降雨过程扣 除损失净雨过程流域汇流流量过程， 其中降雨转化为净雨的过程称为产流过程； 净雨转化为河川流量的过程称为汇流过程。 10 降雨损失量包括雨期蒸发、植物截留、 填洼和补充土壤缺水的下渗量。净雨分为 地面净雨、表层流净雨和地下净雨。 汇流过程包括坡地汇流（坡面漫流、 表层流径流和坡地地下汇流）和河网汇流。 径流常

7、用流量、径流量、径流深、流 量模数、径流系数来表示。 11 1、测站与站网 水文测站按其观测项目可分为水位站、流量站、雨量站等； 按其性质又可分为基本站和专用站两类。 水文站网布站的原则：通过所设站网采集到的水文信息经 过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征 值，这也就是水文站网的作用。 水文测站的设立要求测站的水位与流量之间呈良好的稳定 关系（单一关系）和便于布设基线、水准点和各种断面（基本 水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面）。 水文测验的方式：驻测、巡测、间测和自动测报系统。 第三章第三章 水文信息采集与处理水文信息采集与处理 12 2、水位观测 水位的观测

8、包括基本水尺和比降水尺的水位。 日平均水位计算：若一日内水位变化缓，或系等时 距人工观测或从自记水位计上摘录，采用算术平均值； 若一日内水位变化较大、且系不等时距观测或摘录，则 采用面积包围法。 3、流量测验 流量测量的基本方法为流速面积法，测量内容包括 断面测量和流速测量两部分。流速测定方法包括流速仪 法、浮标法等。 13 一、降雨径流要素计算一、降雨径流要素计算 1、降雨特性分析、降雨特性分析 降雨强度过程线、降雨量累积曲线和降雨强度降雨强度过程线、降雨量累积曲线和降雨强度历时曲线。历时曲线。 第四章第四章 流域产汇流计算流域产汇流计算 某水文站一次降雨过程某水文站一次降雨过程 （1：降雨

9、强度过程线；：降雨强度过程线；2：瞬时：瞬时 雨强过程线；雨强过程线；3：降雨量累积曲线）：降雨量累积曲线） 14 2、流域平均雨量计算、流域平均雨量计算 （1）算术平均法）算术平均法 （2）泰森多边形法）泰森多边形法 （3）等雨量线法）等雨量线法 等雨量线法等雨量线法 泰森多边形法泰森多边形法 15 3、径流量计算、径流量计算 （1）洪水场次划分）洪水场次划分 （2）流量过程的分割：）流量过程的分割： 基流、地下径流和直接基流、地下径流和直接 径流。径流。 （3）退水曲线：采用）退水曲线：采用 多次实测洪水退水过程多次实测洪水退水过程 的下包线。的下包线。 洪水场次划分洪水场次划分 流量过程

10、的分割流量过程的分割 流域地下水退水曲线流域地下水退水曲线 4、前期影响雨量的计算、前期影响雨量的计算 16 二、流域产流分析与计算二、流域产流分析与计算 1、包气带对降雨的再分配作用包气带对降雨的再分配作用 地面对降雨的再分配作用：按下渗能力与降雨强度的对地面对降雨的再分配作用：按下渗能力与降雨强度的对 比关系，地面把降雨分成下渗水量和地面径流两部分。比关系，地面把降雨分成下渗水量和地面径流两部分。 包气带对下渗水量的再分配作用：土壤含水量的增加和包气带对下渗水量的再分配作用：土壤含水量的增加和 重力水。重力水最终形成壤中径流和地下径流。重力水。重力水最终形成壤中径流和地下径流。 2、蓄满产

11、流与超渗产流蓄满产流与超渗产流 蓄满产流：只有在包气带达到田间持水量后才产生径流。蓄满产流：只有在包气带达到田间持水量后才产生径流。 超渗产流：由于降雨强度超过地面下渗率而产生径流，超渗产流：由于降雨强度超过地面下渗率而产生径流， 包气带未达到田间持水量。包气带未达到田间持水量。 17 3、产流计算产流计算 降雨径流相关图法降雨径流相关图法 三变量降雨径流相关图三变量降雨径流相关图 (P+Pa)R 形式的降雨径流相关图形式的降雨径流相关图 三、流域汇流分析与计算三、流域汇流分析与计算 1、流域汇流分析流域汇流分析 流域汇流分为两个阶段：流域汇流分为两个阶段：坡地汇流坡地汇流 和和河网汇流河网汇

12、流。 18 流域汇流流域汇流 坡地汇流坡地汇流 河网汇流河网汇流 地面径流地面径流 壤中流壤中流 地下径流地下径流 直接径流汇流直接径流汇流 （地面径流）（地面径流） 19 2、流域汇流计算流域汇流计算单位线法单位线法 单位线概念单位线概念 单位时段内均匀降落单位单位时段内均匀降落单位 深度的地面净雨，在流域出口深度的地面净雨，在流域出口 断面形成的地面径流过程线。断面形成的地面径流过程线。 倍比假定：如单位时段内倍比假定：如单位时段内 的净雨不是一个单位而是的净雨不是一个单位而是 k 个个 单位，则形成的流量过程是单单位，则形成的流量过程是单 位线纵标的位线纵标的 k 倍。倍。 叠加假定：如

13、果净雨不是叠加假定：如果净雨不是 一个时段而是一个时段而是m个时段，则形个时段，则形 成的流量过程是各时段净雨形成的流量过程是各时段净雨形 成的部分流量过程错开时段叠成的部分流量过程错开时段叠 加。加。 单位线单位线 20 一、年径流变化 1、径流的年际变化和年内变化 径流的年际变化：丰水年、平水年和枯水年。 径流的年内变化：丰水期（或洪水期）和枯水期， 或汛期与非汛期。 2、年径流分析计算的目的和内容 目的：推求不同保证率的年径流量及其分配过程。 内容：搜集和审查资料；年径流量的频率分析计 算；提供设计年径流的时程分配；对分析成果进行合 理性检查。 第五章第五章 设计年径流设计年径流 21

14、二、有较长资料时设计年径流频率分析计算 “三性”审查 可靠性可靠性：检查原始水位资料，水位流量 关系曲线及上、下游站和区间径流量的水量 平衡。 一致性一致性：年径流系列都应是在同样的气 候条件、同样的下垫面条件和同一测流断面 上获得的。 代表性代表性：样本对年径流总体的接近程度。 22 三、短缺资料时设计年径流频率分析计算 径流实测资料短，或完全没有径流实测资料。 1、有较短年径流系列时 寻求有较长观测系列的参证变量参证变量，通过相关关系，将设计断面年径 流系列适当地加以延长至规范要求的长度。 （1）参证变量的选择 最常采用的参证变量有：设计断面的水位、上下游测站或邻近河流 测站的径流量、流域

15、的降水量。 （2）年径流系列的展延 2、缺乏实测径流资料时 （1）参数等值线图法，如利用年径流深等值线图及Cv等值线图。 （2）经验公式法 （3）水文比拟法：移置（经过修正）水文相似区内相似流域的实测水文 特征。 23 四、设计年径流的时程分配 设计代表年法 在长系列径流资料中选择一个典型的年内分配过程，并 按此典型计算设计年径流量的年内分配。选择原则是年径流 量与设计值接近，对工程较为不利。 年内分配的计算 （1）同倍比法 按年径流量的比值分别乘典型年各月的径流量。 （2）同频率法 根据频率分析求得的不同时段径流量，按与代表年相同 时段径流量的比值进行缩放。因此，各时段的缩放比不同。 24

16、第六章第六章 由流量资料推求设计洪水由流量资料推求设计洪水 对永久性建筑物采用二级标准：设计标准和校核标准。 设计洪水设计洪水：建筑物的尺寸由设计洪水确定，当这种洪水 发生时，建筑物应处于正常运用状态。 校核洪水校核洪水：起校核作用，当其来临时，主要建筑物要确 保安全，但工程可处在非常情况下运行，即允许保持较高水 位，电站、船闸等正常工作允许遭到破坏。 设计洪水三要素：设计洪峰流量、设计洪水总量和设计 洪水过程线。 设计洪水的推求方法：按所用资料不同分为由流量资料 推求和由暴雨资料推求。 25 一、设计洪峰流量和设计洪量的计算 1、选样 年最大值法，即每年只选一个最大 洪峰流量及某一历时的最大

17、洪量。 2、特大洪水 比系列中一般洪水大得多的洪水称 为特大洪水特大洪水，并且通过洪水调查可以确 定其量值大小及其重现期者。 26 3、不连序系列经验频率和统计参数的计算 将特大洪水的经验频率与一般洪水的经验频率分 别计算。 （1）独立样本法 把包括历史洪水的长系列（N年）和实测的短系 列（n年）看作是从总体中随机抽取的两个独立样本， 各项洪峰值可在各自所在系列中排位。 （2）统一样本法 将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成一 个不连序系列作为代表总体的样本，不连序系列的 各项可在调查期限N年内统一排位。 27 二、设计洪水过程线的推求 1、典型洪水选择 选择典型洪水的原则。 2、典型洪水过

18、程线的放大 （1）同倍比放大法 按峰放大或按量放大。 （2）同频率放大法 按洪峰和不同历时的洪量分别采用不同的倍比， 使放大后的过程线的洪峰及各种历时的洪量分别等 于设计洪峰和设计洪量，即“峰、量同频率放大”。 28 第七章第七章 由暴雨资料推求设计洪水由暴雨资料推求设计洪水 由暴雨资料推求设计洪水的由暴雨资料推求设计洪水的步骤步骤： 推求设计暴雨：用频率分析法求设计雨量及暴雨过程。推求设计暴雨：用频率分析法求设计雨量及暴雨过程。 推求设计净雨：设计暴雨扣除损失（产流计算）。推求设计净雨：设计暴雨扣除损失（产流计算）。 推求设计洪水：用单位线法等对设计净雨进行汇流（汇流计算）。推求设计洪水：用单位线法等对设计净雨进行汇流（汇流计算）。 基本假定基本