水文学课件ppt版 第二章3

第二章河流（River）第一节水系和流域第二节河流的水情要素第三节河流的补给第四节河川径流的形成过程第五节河川径流的变化第六节河水的运动第五节河川径流的变化径流特征值河川径流的年际变化河川径流的年内变化洪水和枯水一、径流特征值1、流量（Q）：(m3/s)

单位时间内流经过水断面的水量。瞬时流量：

平均流量：某一时刻的流量，如洪峰流量、枯水流量等。日平均流量月平均流量年平均流量一、径流特征值2、年径流总量（W）：(m3)

一年内流出出口断面总水量。W=Q×T

Q：流量T：时间时间为：31.54×106秒一、径流特征值3、径流模数（M）：（升/秒·平方公里）

流域出口断面流量Q与流域面积F的比值，指单位时间(S)，单位面积(Km2)上的产流量。一、径流特征值4、径流深度（Y）：(mm)

将径流总量(W）平分在流域面积(F）上，所得的水深为径流深度

。F的单位是平方千米(Km2)W的单位是立方米(m3)

一、径流特征值5、径流系数（α）：径流深度（Y）与年降水量（P）的比值。

α的大小综合反映一个流域降雨量与径流量的关系，反映了降雨特性和流域下垫面的产流条件。表

闭合流域α＋β＝1，β为蒸发系数。世界各大洲水资源

一、径流特征值6、模比系数（K）：

某年的流量与多年平均流量的比值。Y、M、α这三个特征值都不受面积的影响，而是反映了地理环境的差异，因此可将其绘成等值线图。各特征值之间的换算表例题：某闭合流域的面积为1000Km2，多年平均降水量为1261.6mm,蒸发系数为β＝0.5，求W、Q、Y、M和α。解：二、河川径流量的年际变化每年的径流量是一个随机变量（年与年都是不相同的，没有必然的联系），因此采用水文统计分析的方法来研究。水文统计：将数学中概率论与数理统计学应用到水文分析与计算上。水文统计的任务就是研究和分析水文随机现象的统计变化特性。并以此为基础对水文现象未来可能的长期变化作出在概率意义下的定量预估，以满足工程规划、设计、施工以及运营期间的需要。

1、年径流量（1）年平均流量：

全年流量的平均值，等于365天每天流量的算术平均。（2）多年平均流量：

对已有资料的多年流量再作算术平均。（3）正常年径流量：

年径流的总体平均值，即数学期望值(实测资料年数增加到无限大时，算得的平均值)。

一般要有超过30年的客观资料。正常年径流量是水资源可能被利用的最大限度。2、标准差表示离差程度，也就表示年际变化的大小。

总体标准差样本标准差当样本数量趋向于总体数量(n),样本标准差(s)趋向于总体标准差(σ)；式中n-1表示对样本太少情况下的修正，调整抽样误差的自由度。3、变差系数（Cv）

水文计算中用标准差与均值之比作为衡量系列的相对离散程度的一个参数，称为变差系数，或称离差系数、离势系数。

Cv没有面积因素，可用于不同地理环境下的对比分析。Cv值大，年径流的年际变化剧烈，这对水力资源的利用不利，且易发生洪涝灾害；Cv值小，则年径流的年际变化小，有利于径流资源的利用。年径流变差系数（Cv）的影响因素：(1)年径流量：主要是年降水量的影响。

(2)补给来源：雨水、冰川、地下水…(3)流域面积偏态系数（Cs）当系列对于

对称时，Cs＝0，为正态；当系列对于

不对称时，Cs≠0，若Cs＞0，称为正偏；若Cs＜0，称为负偏。衡量系列不对称程度的参数。4、流量资料的概率分析

设事件X≥x

的概率用P(X≥x)来表示，它是随随机变量取值x而变化的，所以p(X≥x)是x的函数，称为随机变量x的分布函数，记为F(x)，即:

F(x)=P(X≥x)

它代表随机变量X大于等于x的概率。图中纵坐标表示变量x，横坐标表示概率分布函数值F(x)，水文统计中称为随机变量的累积频率曲线，简称频率曲线.水文频率曲线线型：理论频率曲线正态分布、对数正态分布、皮尔逊Ⅲ型(P-III)分布经验频率曲线

1、作经验频率曲线A、根据实测水文资料(如：流量)，按从大到小的顺序排列B、计算经验频率（Pi）C、作频率曲线P－等于和大于Qi的经验频率；

m

－

Qi

的序号,即等于和大于Qi

的项数；

n－系列的总项数。（2）理论频率曲线皮尔逊Ⅲ型

(P—Ⅲ)曲线

因流量资料是一个正偏分布，对正偏分布事件的概率密度曲线，其方程为：Cv：变差系数;：事件的平均值，也就是：离均系数，随P（频率）和Cs（偏态系数）而变，可查表（雷布京表）。（3）适线法作频率曲线适线法(或称配线法)是以经验频率点据为基础,在一定的适线准则下,求解与经验点据拟合最优的频率曲线参数,是我国估计水文频率曲线统计参数的主要方法。就是将理论频率曲线与经验频率曲线结合起来作频率曲线的方法。根据抽样资料计算理论曲线中的三个参数（Cv、Cs、

）确定的理论曲线作图，是否与实际点相吻合，若吻合不好，则适当修正这三个参数，直到与实测点满意吻合为止。5、频率(P)与重现期(T)频率和重现期都是对随机事物的概率描述，只是表现形式不同重现期是指平均多少年出现一次二者的换算关系式为：例1：P=2%的多水年，其重现期（T）为多少年？

P=98%的枯水年，其重现期（T）为多少年？例2：

P为多少？P为多少？二、河川径流量的年际变化1、年径流量2、标准差3、变差系数（Cv）4、流量资料的概率分析

5、频率(P)与重现期(T)三、河川径流的年内分配1、季节划分根据我国的季风气候划分，南方与北方也不样。南方:春3-5月,夏6-8月,秋9-11月,冬12-2月；北方:春4-6月,夏7-9月,秋10-12月,冬1-3月；三、河川径流的年内分配2、季节径流量汛期——夏季：汛期水量北方占50%以上，西南和西部占50—60%，西北地区占60—70%。枯水期——冬季：河流水量最小，此时主要为地下水补给，北方仅占4—5%，南方为6—8%，部分地方可达10—20%，如四川盆地南部达到20%左右。

平水期——秋季：河水量大于春季，一般占20—30%，四川盆地东部可达30—40%，还常发生洪水。

三、河川径流的年内分配3、年内分配的表示方法

（1）各月流量所占年径流的百分比（Ki）季节水量所占百分比等于相应几个月流量的百分比相加。变差系数，或称离差系数、离势系数总体标准差（2）分配不均匀系数（Cvy）Ki：各月流量所占年径流的百分比

各月平均占全年的百分比Cvy表示各月流量与平均值的离差系数（相对离差系数），反映径流分配不均匀性的一个指标；Cvy越大，表明各月径流量相差悬殊，即年内分配越不均匀，Cvy小则相反。（3）完全调节系数（Cr）要使流量时刻为年平均流量，需要一个相应的水库来调节，水库的库容与总水量之比为完全调节系数。V：调节库容W：年径流总量调节库容应该比多余水量小些，因为余水并不是一次连续出现，因洪水是间断性的。（一）洪水四、洪水和枯水1、概念：产生原因：特大径流就称为洪水。暴雨，冰雪融水，溃坝洪水。黄河水系图2、影响洪水的因素（1）天气因素：如果有持续的水汽输送，则容易引起持续降雨，甚至暴雨洪水。（2）下垫面因素：地面产流和汇流条件。3、洪峰流量的推求

（1）对有长时间观测资料（n≥20年），用频率曲线推算洪峰流量。（2）地区综合经验公式：Qp：频率为P的洪峰流量（m3/s）F：流域面积（km2）Cp：系数，根据流域自然地理条件和频率而定N：面积指数，取1/2或3/4。4、历史洪水的调查(1)通过各种调查，确定历史洪水的洪痕，调查方法有访问老人，查资料，考察沿河两岸的建筑物上洪水淹没痕迹。(2)洪峰流量的推算

（二）枯水1、枯水:河流断面上较小的径流量。

枯水期，每年河流中有一个枯水期（在季风区），枯水期划分标准：平均状况:2、影响枯水的因素（1）气候因素（2）流域蓄水量的影响：包括工程蓄水，河流湖泊蓄水，地下蓄水，洼地蓄水等。（3）河流切割深度：山区河谷深切，有各种地下水补给，平原则小得多。（4）流域面积的大小：面积越大，调节作用越强，枯季流量越丰富。第五节河川径流的变化径流特征值河川径流量的年际变化河川径流的年内变化洪水和枯水第二章河流（River）第一节水系和流域第二节河流的水情要素第三节河流的补给第四节河川径流的形成过程第五节河川径流的变化第六节河水的运动第六节河水的运动

一、洪水波的运动与变形二、河水的环流运动三、河流的泥沙运动一、洪水波的运动与变形洪水波：洪水水位的涨落在河槽纵剖面上形成的波形，称为洪水波。1、洪水波的展开2、洪水波的扭曲1、洪水波的展开

(attenuationoffloodwave)Attenuationn.变薄,稀薄化,变细,衰减展开就是波长增长，波高降低，洪峰流量减小。

峰前：i前>i0(稳定流水面比降)经过一般时间运行以后，波段A2C2>A1C1。峰后：i后<i0所以：i前>i后波高：H2<H1所以:Q峰2<Q峰12、洪水波的扭曲

洪水波的峰前段越来越短，峰前段的比降越来越大；峰后段则越来越长，比降逐渐趋于洪水前(i0)。整个洪水波中，波峰处最高，纵比降最大所以，波峰流速最大波前段长度必然会越来越短B2C2<B1C1，比降增大i前2>i前1波后段长度必然会越来越长A2B2>A1B1，比降减小i后2<i后1一、洪水波的运动与变形洪水波的展开和扭曲在洪峰向下游推移过程中同时存在，波前水量不断向波后转移，这样洪峰不断衰减。天然河道中洪水波由宽段进入窄段，波峰反而会沿程增高，而由狭段进入宽段，洪水波的展平就更为明显。河水的运动

层流紊流环流二、河水的环流运动（一）河水运动的作用力

1、重力：mg

在惯性离心力作用下，过水断面会产生横比降I，其大小为：R：河流弯道半径m：水体质量V：流速2、惯性离心力3、地转偏向力：

P偏=0.0001458mVsinφ

地球上作水平运动的物体，其运动方向会随着地球自转而发生偏转。Φ：地球纬度

（二）环流的类型及其对河床的冲淤影响1、纵轴环流:

这种环流多发生在弯道处，表层水在惯性离心力作用下，流向凹岸，下层水在环流作用下，流向凸岸。环流引起凹岸冲刷，使凹岸越来陡峭，凸岸被淤积，变得平缓。

环流的旋转轴与河流的流向是一致的，并且呈水平状

。2、横轴环流:环流的旋转轴与河流的流向垂直，而且呈水平状

；这种环流是由河流上的阻碍物所引起，如桥墩、巨石、堤坎等。3、斜轴环流环流的旋转轴与河流的流向斜交,而且呈水平状，实际是横轴环流的特殊；河床上阻碍物与河岸斜交，水流越过阻碍物后产生环流。4、竖轴环流:环流的旋转轴呈铅直方向，垂直于河底；这种环流很普遍，在河流水面突然展宽段（如峡谷出口处）。河水流出峡口后，其主流速度比两侧的流速快，使原水体产生离解作用，两岸水体流来补充，而形成环流。环流是引起河床冲淤的主要水流，使一部分河床冲刷，另一部分河床淤积:（三）环流对泥沙运动的影响1、具有水平轴环流（如纵轴环流、横轴环流、斜轴环流）:在垂直方向上，一侧产生下降流，另一侧产生上升流；下降流时，水流由位能转变为动能，本身上层水流的含沙量少，挟沙能力强，产生冲刷；而上升流因上升消耗能量，而将原带泥沙沉降下来，产生淤积。2、竖轴环流:（三）环流对泥沙运动的影响有时产生冲刷，有时产生淤积，视水流速度和已有的含沙量而定。当水流速度较大（挟沙能力较强）而水体的含沙量少，则产生冲刷。当水流速度较慢，而水中含沙量又大时，则产生泥沙淤积。河床类型根据河床的平面形态，可以将冲积性河流的河床划分为：

1、顺直微弯型河床

2、弯曲型河床

3、分汊型河床

4、游荡型河床型河床平原河流中的泥沙堆积体1.边滩2.心滩3.江心洲4.浅滩（沙埂）5.深槽河床类型

1、顺直微弯型河床

在平水期深槽、浅滩交替出现，两侧边滩犬牙交错，而在洪水期河水淹没犬牙交错分布的边滩，河水顺直奔流。顺直（微弯）型河道的平面形态河床类型

2、弯曲型河床无论是平水期还是洪水期，行水河道均是弯曲的。弯曲型河床的平面形态边滩2.深滩3.过渡段浅滩

河床类型

3、分叉型河床由江心洲将河床分为两个或两个以上的汊道的河床。分汊型河床的平面形态河床类型

4、游荡型河床

河床宽浅，沙滩众多，洪水时汪洋一片，枯水时河汊密布、水流散乱，有时难以分辨主流所在。三、河流的泥沙运动泥沙运动是一种水文现象，是水文学的重要研究内容。黄河是我国泥沙含量最大的河流，部分河段的含沙量曾经达到300kg/m3

，输沙模数达10000t/km2·a。在我国南方的输沙模数可达100-1500t/km2·a，嘉陵江平均每年输沙量1.5亿吨，金沙江屏山站1.6—5.0亿吨/年，平均2.8亿吨，岷江0.2—1.0亿吨/年，进入三峡水库的悬移质泥沙每年8—10亿吨。（一）泥沙的水力特征1、泥沙的沉降速度：

（1）静水：

泥沙在静水中下沉，当重力与阻力相等时，则以均匀速度下沉，此时的速度为泥沙的沉降速度（w厘米/秒）。ρ：水体密度ρs：泥沙密度

d：泥沙粒径Cd：阻力系数A、层流状态：

（2）天然条件，w与水流状态有关：B、紊流状态：

v为粘滞系数;2、推移质与悬移质悬移质：悬浮在水体中，随水流而运动的泥沙。推移质：沿着河床被水推动向下运动的泥沙或卵石。造床质：组成河床的泥沙。有一部分泥沙随水流速度的变化，在造床质、推移质间转换，或在推移质与悬移质之间转换。源头入海口（二）推移质运动1、作用力分析（1）浮力和重力（G）：浮力、重力之合力为G，方向向下。（2）推力（P）：迎水面水流产生的向下游的分力，其方向指向下游，其大小与V有关，V越大P越大。（3）上举力（Pz）：

迎水面水流、背水面环流产生的向上的分力。方向垂直向上。将泥沙举起，脱离河床。其大小与V有关，V越大P越大。（二）推移质运动2、推移质运动规律

运动特点：推移质运动特点是时静时动，运动一定距离后就停下来，停止一段时间后又运动。（二）推移质运动2、推移质运动规律（1）起动流速（）泥沙开始运动时的临界流速。

d:泥沙粒径（mm）h:水深(m)沙漠夫公式：（二）推移质运动2、推移质运动规律（2）扬动流速（）

泥沙离开河床，开始悬浮于水中时的临界流速。

d：粒径(mm)w：沉降速度（mm/s）h：水深（m）沙玉清教授公式（二）推移质运动2、推移质运动规律（3）止动流速（VH

）

当流速减慢到使推移质停止运动时的临界流速。

（二）推移质运动2、推移质运动规律（4）艾里定律

流速增大，推动的泥沙粒径就越大，其关系如下：d：粒径α:系数V；流速W：泥沙重量。（二）推移质运动2、推移质运动规律（5）沙波运动

当水流在起动流速到扬动流速之间时，即：

V0<V<Vf形成沙波向下游移动。当流速大于