西安建筑科技大学城市水文学_精品课件

1、 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 水文学水文学课程的准备工作和要求课程的准备工作和要求 教 材 准备工作1. 詹道江, 叶守泽. 工程水文学(第三版). 北京: 人民交通出版社2. 雒文生, 水文学. 北京: 中国建筑工业出版社3. 金光炎, 水文水资源分析研究. 南京: 东南大学出版社4. 金光炎. 水文统计原理与方法. 北京: 中国水利水电出版社5. 王家祁. 中国暴雨. 北京: 中国水利水电出版社黄廷林, 马学尼. 水文学(第四版).北京:中国建筑工业出版社 参考书目 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 课堂要求 1. 按时上、下课，不迟到，

2、不早退 2. 认真听讲、做好笔记 课后要求 1. 课前预习、课后复习 2. 认真做好作业 结 业 1. 形式：开卷考试 2. 成绩：平时成绩（30%）+ 卷面成绩（70%） 课程要求 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 内 容：1.1 水文现象及水文循环1.2 水文学的研究领域及发展1.3 水文学与给水排水工程的关系1.4 水文现象的特性1.5 水文现象的研究方法 重 点：水文现象表现的运动形式；水文循环的定义和分类； 水文现象的研究方法 难 点：水文现象的特性 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.1 水文现象及水文循环1.1.1 水文现象 指地球上的水受外部作用而产生的永无休止的运动

3、形式。(1) 水的相关基本概念1) 水体：水的聚积体。2) 水圈：地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中，这些水体构成了地球的水圈。(2) 外部作用 主要指太阳辐射、地心引力，还有其它如周围星球的作用力。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 (3) 运动形式 包括四种：降水、蒸发、渗流、径流等。1) 降水(Precipitation)： 大气中水汽凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。2) 蒸发(Evaporation)： 水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面蒸发、叶面散发、水蒸发等。 环境

4、与市政工程学院环境与市政工程学院 3) 径流(Runoff)： 陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。包括地面径流和地下径流。4) 渗流(Seepage flow)： 水从地表渗入地下及在地下流动的现象。包括入渗和渗透两种现象。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.1.2 水文循环(1) 定义 地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力的作用，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程不断变化、迁移的现象。(2) 分类 1) 大循环：大区域（领域）内的循环，也称外循环。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 2) 小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。(3)

5、意义 水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。 认识它的基本客观规律，了解其各影响因素间的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要的意义。云云 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 111385 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.1.3 水资源简况(1) 水资源储量 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 世界前10名水资源占有国家8,2334,5073,0512,9022,8382,8302,1321,9131,897128302,0004,0006,0008,00010,000BrazilRussiaUSACanadaIndonesiaCh

6、inaColombiaPeruIndiaCongoNatural RenewableWater Resource (km3) 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 各地区人均水资源量599,944314,963289,848259,547159,171126,78993,40592,81085,221847876,8592,1860200,000400,000600,000800,000IcelandGuyanaSurinameCongoP. N. GuineaGabonSolomon Is.CanadaNew ZealandNorwayWorld Ave.ChinaPer Capita Wa

7、ter Resource(m3/person) 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 Aridity中国缺水地区分布情况 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 (2)水资源与水文循环的关系地球表层可供人类利用的水称为水资源。包括水量、水质、水能资源和水域。水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化 。各级水文部门根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算进行水资源评价（包括水环境质量）工作。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.2 水文学的研究领域及发展1.2.1

8、 水文学的研究领域(1) 水文学定义 研究水存在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内的各种现象的发生和发展规律及其内在联系的学科。包括水体的形成、循环和分布，水体的化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应等。(2) 研究领域(分类) 水文学主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰川等，以后逐渐扩展到地下水、土壤水、大气水和海洋水。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1) 传统水文学按研究的水体来进行划分：河流水文学湖泊水文学沼泽水文冰川水文学海洋水文学 地下水水文学土壤水文学大气水文学2) 由水文学采用的实验方法，派生出三个分支学科：水文测验学水文调查水文实验 环境与市政工程学院环境与

9、市政工程学院 3) 由水文研究内容分为： 水文学原理水文预报水文分析与计算水文地理学河流动力学4) 作为应用科学，水文学分为：工程水文学农业水文学土壤水文学森林水文学城市水文学 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 5) 随新科学、新技术的发展和引进，出现新分支：随机水文学模糊水文学灰色系统水文学遥感水文学同位素水文学 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.2.2 水文学的发展 水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。(1) 20世纪以前是水文学的萌芽和奠基阶段1) 萌芽时期(公元1400年以前) 这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如： 公元前239年的吕氏春

10、秋 ； 2000年前建成的都江堰； 公元527年的水经注 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 2) 奠基时期(公元14001900年) 该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计 算及预报奠定了坚实基础。(2) 20世纪初至50年代，是应用水文学兴起阶段 进入20世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。 美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律； 1924年H.A.福斯特建立了P-水文频率曲线计算方法； 1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法 1935年G

11、.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。 这一时期我国水文学发展则比较落后。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 (3) 20世纪60年代以来，是水文学的变革和发展阶段，也是进入现代水文学的一个新阶段 随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.2.3 本课程的学习内容内容 主要涉及工程水文学的范畴。以叙述和研究从降水到径流入海的过 程中，关于河川径流的运动规律，量测方法以及在给排水工程中的应用等问题。认真学习水文的经验和规律、掌握量测和统计分析方法。 环境与市政工程

12、学院环境与市政工程学院 1.3 水文学与给水排水工程专业的关系1.3.1 给水工程 主要与取水工程有关： (1) 水量丰沛时： 了解水位、泥沙及冰凌情况 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 （2）以丰补欠，进行水量引取、蓄放和调节密云水库大型的水量引取工程：西安的黑河引水工程；北京的东水西调；引滦入津；引黄保泉(黄河 济南)引黄济青(黄河 青岛) 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.3.2 排水工程排水工程（1）雨水排泄（2）洪水防御2006年7月韶关铁路成为河道水中熄火的车辆2006年7月韶关体育馆陷入汪洋 环境与市政工程学院环境与市政工程学院

13、环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.4 水文现象的特性 （1） 由水文现象具有时程上的随机性和地区上的特殊性，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。由水文现象具有地区上的相似性，可有目的选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1.5 水文现象的研究方法以实际观测资料为依据，对水文现象进行分析研究。按不同目的要求，水文学常用的分析方法可归纳为：成因分析法、数理统计法、地理综合法。 （1）成因分析法：由观测资料，从物理成因上研究水文变化规律，只定性分析，在定量上不能满足工程设计要求。 （2

14、）数理统计法：运用概率统计理论对长期观测的资料进行统计计算，以寻求其规律性。 （3）地理综合法：由地区经验公式和等值线图分析，揭示水文现象的地区分布规律。 小结：小结：在解决实际问题时，上述三种方法常同时使用，它们是相辅相 成、互为补充。我国已初步形成一种具有自己特点的研究方法， 概括为“多种方法，综合分析，合理选定”的原则。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 理解和掌握水文现象的四种运动形式；理解和掌握水文现象的四种运动形式； 理解和掌握水文循环的概念、类型；了解其意义和水资源的理解和掌握水文循环的概念、类型；了解其意义和水资源的关系；关系； 理解水文学的概念和研究领域；了解其发展状况；

15、理解水文学的概念和研究领域；了解其发展状况； 了解水文学与给水排水工程专业的关系；了解水文学与给水排水工程专业的关系； 理解和掌握水文现象的特性及研究方法。理解和掌握水文现象的特性及研究方法。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 内 容：重 点：难 点： 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 2.1 河流和流域2.1.1 干流及支流(1) 干流干流 ( Mainstream ) 在水系中汇集全流域径流的河流，例如：黄河、长江。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 (2) 支流支流 ( Tributary ) 流入一较大河流或湖泊的河流。 支流是分级的：一级支流(注入干流的支流)； 二级支流

16、(注入一级支流的支流)； 三级支流(注入一级支流的支流)； 四级支流 (注入一级支流的支流) 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 (3) 河网 ( Hydrographic Net ) 由河流的干流和各级支流，流域内湖泊、沼泽或地下暗河形成构成脉络相通一个系统，称为河系或水系。2.1.2 河长及弯曲系数(1) 河长 ( River Length ) 1)定义 ：河流源头至河口或测站断面沿河槽中泓线或轴线 量取的距离。 中泓线? 深泓线? 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 中泓线：河道中各横断面水流最大流速点的连线。深泓线(溪线)：河道中各横断面最大水深点的连线。 环境与市政工程学院环境与

17、市政工程学院 2) 作用： 河流特性的基本参数，可确定落差、比降和能量。(2)弯曲系数 ( Tortuosity ) 1) 定义： 沿河流中泓线两点间的实际长度与其直线距离的 比值。 2) 特性： 任何河段都有它的弯曲系数；它可反映河流流经地 的地质地貌特征。L1L2 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 2.1.3 河槽基本特征(1) 河流的平面形态 1) 平原河流 特点： 在环流、泥沙的冲刷和淤积作用下，蜿蜒曲折形态，即深槽、浅槽沿水流方向交替出现，呈规律性。 专业术语：凹岸、凸岸、左岸、右岸、深槽、浅槽 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 2) 山

18、区河流 大多为岩石河床，异常复杂，无规律可循。(2) 河流的纵断面 1) 定义：河流从上游至下游沿深泓线所切取的河床和自由水面间的剖面。 2)作用： 绘制河流纵断面图 ，见右图。反映河 底纵坡和落差的分 布，可推算水流特 性、估计水能储量。 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 内 容：重 点：难 点： 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 3.1.3 数理统计法对水文资料的要求 检查资料的可靠性；检查资料的一致性；检查资料的代表性；检查资料的随机性；检查资料的独立性3.2.1概率和频率(1) 频率 指在具体重复的实验

19、中，某随机事件A出现的次数（频数）m与试验总次数n的比值，即：3. 2 频率和概率nmAW)( 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 反应随机事件各种结果的数量。 概率：概率是指随即事件在客观上出现的可能性。可分为事先概率和事后概率。 概率：概率是指随即事件在客观上出现的可能性。可分为事先概率和事后概率。 (2)概率 概率是指随即事件在客观上出现的可能性，即该事件的发生率，亦称为机率。根据事件出现的可能性是能够预先估计出来，可分为事先概率和事后概率： 事先概率：试验之前某随机事件出现的可能性可以预先估计出来，如 1) 投硬币出现正面和反面的机率； 2) 投掷骰子出现某一个点子的概率 事后概率：

20、随机事件出现的可能性不能在试验之前预先估计出来，必须通过大量的重复试验之后才能估计出它出现的可能性。如： 1) 河流决堤的机率； 2) 河流出现大型污染事件的机率 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 例袋中有手感完全相同的20个白球和10个黑球，问：摸出白球和黑球的概率各是多少？摸出白或黑求的概率是多少？摸出红球的概率是多少？32102020)(白P31102001)(黑P110201020)(白或黑P010200)(红P 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 1)(0AP1) P(A)=1，A属于必然事件；2) P(A)=0，A属于不可能事件；3) 0P(A)1，A属于随机事件；(3)频率

21、与概率的关系 频率是经验值，概率是经验值； 可以通过实测样本的频率分析来推论事件总体概率特性； 样本容量越大，结果越准确； 对于水文现象，只能采用有限的多年实测水文资料组成样本系列，推求频率作为概率的近似值。)()(limAPAWn 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 3.2.2 概率运算定律(1)概率相加定理 互斥事件：在一次试验中，只有一个事件发生，其余事件均不能发生，这类事件称为互斥事件； 概率相加定理：互斥的各事件中，至少有一个发生的概率等于各个事件发生的概率总和。例袋中有手感完全相同的20个白球和10个黑球，问：摸出白或黑求的概率是多少？32102020)(白P31102001)(

22、黑P13132)()()(黑白白或黑PPP 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 例某测站有40年的实测枯水位记录，各种水位出现的频率如表3.2所示，试确定水位H2.0m和H2.7m的概率？%70)0 . 4()5 . 3()7 . 2()0 . 2(WWWHP%5 .92%70%5 .22)7 . 2()0 . 2()7 . 2(HPWHP某站水位频率计算 表3.2 序号水位H（m）频数f（a）频率W（%）累积频率P （%）123454.01.921016935254022.57.55307092.510040100 注：表中水位为相对高程。 环境与市政工程学院环境与市政工

23、程学院 内 容：重 点：难 点： 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 还原实测天然WWW引水损失水库城镇工业农业还原WWWWWWW 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 内 容：重 点：难 点： 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境

24、与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 降水三要素dtdPtPit0limtPi 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 内 容：重 点：难 点： 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 环境与市政工程学院环境与市政工程学院 6.2.2 下渗 下渗的物理过程 按水分所受的力和运动特征，下渗可分三个阶段：l 渗润阶段：水分主要受分子力的作用，被土壤颗粒吸收。l 渗漏阶段：水分主要在毛管力和重力作用下，沿土壤空隙向下作不稳定流动，并逐步充填土壤空隙直至饱和。此时毛管力消失。l 渗透阶段：水分在重力作用下成稳定流动。 下渗曲线与下渗量累积曲线l 下渗率(下渗强度)：单位时间内渗入单位面积土壤中的水量,记为f，以mm