工程水文学第一章绪论 1

1、工程水文学Engineering Hydrology,华南农业大学水利与土木工程学院 水利水电工程系 主讲周买春教授,2007年7月,TelEmail：,工程水文学内容,第一章 绪论 第二章 水文循环与河川径流的形成 第三章 水文测验及水文资料的收集与处理 第四章 流域产流、汇流分析与计算 第五章 水文预报 第六章 水文模型简介 第七章 水文统计 第八章 设计年径流及年输沙量的分析与计算 第九章 由流量资料推求设计洪水 第十章 由暴雨资料推求设计洪水,第一章 绪论,本章重点名词解释 水文学（Hydrology）：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

2、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。 陆地水文学（Land Hydrology）：研究陆地上水的分布、运动、转化，化学、生物、物理性质以及水与环境相互关系的学科。 应用水文学（Applied Hydrology）：运用水文学及有关学科的理论和方法，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为工程建设和生产提供水文数据、参数、预报服务的专门应用学科。 工程水文学（Engineering Hydrology）：为水资源开发工程和其他有关工程的规划、设计、施工、管理、运用提供水文依据的学科。,第一节 工程水文学的研究内容

3、和方法第二节 工程水文学的发展与现代水文学的特点,第一节 工程水文学的研究内容和方法,1.1.1、工程水文学的研究内容 一、水文学与水资源及中国水资源的特点 水文学是研究地球上，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。地球上各种水体的储量见表1-1，按占全球水体的比例，其中海洋储存96.5%，陆地储存3.5%（地表水和地下水各占1/2左右）。 水资源是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，见表

4、1-1中蓝色的部分。 中国全国多年平均年降水总量为61 889亿m3，折合年降水深为648 mm，扣除蒸发（约占年降雨量的54.6%），全国多年平均水资源总量为28 124亿m3，其中地表水资源（即天然河川径流）占96.4%（折合您径流深284mm），地下水资源占3.6%。其特点是,1、总量不少，但人均水量低：约为世界人均径流量的1/4； 2、地区分布极度不均匀：受海陆位置、水气来源和地形地貌等因素影响，从东南沿海向西北内陆递减，分为多雨（降雨量1600mm）、湿润、半湿润、半干旱、干旱（降雨量200mm）五个地带； 3、与耕地、人口的分布不相匹配：如表1-2所示，南方四区人均水资源量3300

5、m3，单位耕地水资源量43860m3/hm2，而北方四区人均水资源量只有740m3，单位耕地水资源量只有5640m3/hm2，在有人居住的内流区域水资源也极为有限； 4、年内、年际变化大：常用连续最大4个月降水量占年降水量的百分数来表示降水的年内分配，用最大年降水量与最小年降水量来表示年降水量的年际变化。连续最大4个月降水量占全年降水量的比例，长江以南地区为50%80%，华北、东北和西南地区为70%80%；年际变化率为西北56，华北46，东北35，淮河、秦岭以南24；,根据以上特点，即使我国修建了大量的水库（2003年统计，已建成水库85153座，总库容5658亿m3，其中大型水库453座，总

6、库容4278亿m3）、跨流域调水工程（如南水北调工程、东江深圳供水工程等），堤防（27.8万km）和灌区（万亩以上灌区5729处，有效灌溉面积达8.38亿亩）对河川径流进行调节，但仍满足不了工农业生产对水资源的要求，每年在不同地区都要发生各种程度的水旱洪涝灾害，表1-3为我国2003年分区供、用水量，图1-2为2007年7月淮河流域发生自1954年以来第二大洪涝灾害，同时在我国南北地区又发生严重的干旱（图1-3）。,二、水文学分类 作为基础科学，水文学是地球物理学（Geophysics）的一个分支，因为水循环使水圈、大气圈、岩石圈紧密联系，故水文科学与地球科学体系中的大气科学、地质学、自然地理

7、学的关系非常紧密。水文科学开始的主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰川等，后来扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。 根据其研究的水体对象不同，分为水文气象学、陆地水文学和海洋水文学；而陆地水文学又包括地表水水文学和地下水水文学，地表水水文学又可以划分为河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、雪水文学、区域水文学等。,水文科学主要通过定点观测、野外查勘和室内外实验等手段，获得水体时空分布和运动变化的信息，因而形成了水文测验学、水文调查、水文实验三个分支学科。 区域水文学是水文科学与自然地理学共同研究水在特定的地理环境中的作用而发展起来的，主要有：流域水文学、河口水文学、山地水文学、坡

8、地水文学、平原水文学、干旱区水文学、岩溶水文学以及区域类比的比较水文学等分支学科。 运用水文学及有关学科的理论和方法，研究解决各种实际水文问题，为水利、电力、交通、城镇供水和排水、环境保护等工程建设提供水文数据，归纳为应用水文学，又具体分为：工程水文学，农业水文学、土壤水文学、森林水文学、都市水文学等。 50年代以来，新技术新方法的引进，出现了一些新的分支，主要有：随机水文学、模糊水文学、系统水文学、遥感水文学、同位素水文学等。近些年来，水资源水文学作为一门自然、技术和社会综合科学的出现，标志着水文科学进入了一个崭新的发展时期。,表1-1 地球上各种水体的分布,在总量为35029.2万亿m3的

9、淡水中，68.7%被固定在两极冰盖和高山冰川中，30.92% 蓄存在地下含水层和永久冻土层中，绝大部分不易为人类开采，而湖泊、河流、土壤中的淡水只占0.316%，因此，可供人类利用的淡水资源十分有限。,表1-2 中国水资源、耕地和人口分布,注：流域水系见表1-1。,图1-1 中国水系图,表1-3 2003年中国分区供、用水量统计（亿m3）,注：表中资料引自2003年中国水资源公报，全国供用水量为包括香港、澳门特别行政区和台湾省的供用水量。,响。,度尽劫波：安徽省霍邱县临淮新镇3名儿童乘木盆出行。七月十一日，淮河第二次洪峰通过王家坝，淮河中下游水位受到显著影响。,图1-2 2007年7月淮河流域

10、严重洪灾,用生命搏击,逃离家园,江西新干县溧江乡徐家村村民徐球如在自家的秧苗田里,江西樟树市消防大队官兵在给临江镇朱家村村民送生活 用水,图1-3 2007年7月南方与北方的严重旱灾,江西樟树市昌傅镇城头村干部群众在架设打抗旱井的设备,7月18日，灌区工作人站在黑龙江省鹤岗市 郊区平原水库的水库底。,7月17日，一位农民在黑龙江省汤原县竹帘镇民主村的 一块大豆田中拔出已枯死的大豆。,7月18日，黑龙江省鹤岗市东山区东方红乡桦春村的 一块水稻田由于干旱已经裂开，并可以伸进手掌。,三、工程水文学的研究内容 工程水文学 (Engineering Hydrology)：应用于水利工程，主要研究水利工程

11、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：确定工程规模。工程规模主要取决于河流的来水量或洪水，如果河流来水量估计过大，就会使工程设计规模太大造成资金浪费；反之对来水估计过小，则工程设计容量不足时，以至不能充分利用水资源。特别是对河流洪水量估计偏低，泻洪能力不足时，将关系到工程本身和下游人民的生命财产安全。在多泥沙的河流上修建水利工程时，还需估计蓄水、引水工程的泥沙淤积量，以便采取措施延长工程寿命。水利工程的使用年限一般为几十甚至上百年，工程规划设计时，须提供工程未来使用期间的水文情势。图1-4为典型水利工程的规划流程。 施工阶段：水利工程工

12、期一般较长，往往需要一个季度甚至数年，为了确定如围堰、导流渠等临时性建筑物的规模，需通过水文计算提供施工期的设计洪水。同时，还要提供有一定精度的中期（如一个季度）和短期（如几天）洪水、枯水预报，以便安排工程建设日常工作。 管理运营阶段：通过水文分析得到长期的平均来水情势结合短期的水文预报，从而编制最经济合理的调度方案，使工程发挥最大的作用。,设计年径流及年内分配 设计洪水 (水文计算),水文气象资料,各种可行的设计方案,当地的水文情势,当地自然情况及国民经济要求,兴利计算 防洪计算 (水利计算),材料、施工等资料,规划设计最优方案,社会经济等资料,工程措施 非工程措施 (工程规划),图1-4

13、流域规划工作流程图,【例1-1】 1998年长江特大洪水防洪中，曾几次运用洪水预报，及时指导清江水库调度，实现清江洪水与三峡洪水错峰，避免了荆江分洪区分洪。 【例1-2】 长江三峡工程规划设计中的工程水文学问题。,总之，修建各种水利工程必须掌握水体长期水文情势 （hydrology regime ）和近期的确切水情。工程水文学就是专门研究这些问题的一门应用学科。,工程概况：,【船闸】型式： 双线五级连续梯级闸室尺寸（m）：280*34*5 【水库】校核洪水位（m）： 180.4设计洪水位（m）： 175防洪限制水位（m）：145正常高水位（m）： 175枯季最低水位（m）：155总库容（亿m3

14、）： 393防洪库容（亿m3）： 221.5库面面积（km3）： 1084【升船机】型式： 单线单级垂直提升式升船厢尺寸（m）：120*18*3.5,【大坝】坝型： 混凝土重力坝坝顶高程（m）: 185坝高（m）: 175坝长（m）: 2335【溢洪道】型式：有闸控制泄洪泄洪坝段长度（m）：483设计洪水洪峰流量（m3/s）：98800校核洪水洪峰流量（m3/s）：124300,【电站】型式： 坝后式装机容量（MW）：18200 （26台*700MW/台）保证出力（MW）： 4990平均年发电量（亿kW.h）：846.8,1.1.2、水文现象的基本规律和工程水文学的研究方法 一、水文现象的基本

15、规律 自然界中的水文现象受到上界面的气象要素（降雨、气温、湿度、太阳辐射和风力）、下垫面因素（地形、地质、地貌、土壤和植被）和人类活动的影响。表现为 （1）周期性（或确定性规律）：地球绕太阳公转，使得各气象要素和植被生长以年为周期变化；太阳黑子的周期爆发使得水文现象呈现多年变化的周期性。 （2）随机性：由于影响水文现象的因素众多，各因素本身（如气象要素）的变化过程除周期性外，还存在着不重复的特点（即随机性），并且互相影响，因此受它们影响的水文现象（特别是长期水文过程）也是不确定的，如任何一条河流在不同年份的流量过程都是不同的，它们在时间上和数量上都不会完全重复。 （3）地区性：同一气候地区位置

16、相近的两条河流，如果它们的地理条件差不多，则其水文现象在一定程度上具有相似性。 实际应用中，当某种水文现象的确定性因素起主要作用时，则确定性规律描述能反映此种水文现象的本质。同理，随机性亦然。,二、工程水文学的研究方法 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可分为三类：成因分析法、数理统计法和地理综合法。 （1）成因分析法：以水文过程确定性规律为基础，通过观测资料、实验资料的分析和验证，建立水文现象与其影响因素之间的定量关系。这样就可以根据当前影响因素的状况，预测未来的水文过程，从而得出确定性的实时预报。例如，当知道上、下游站的同时水位和洪水传播时间时，就可以由上

17、游站的洪水位预报下游站的洪水位。 （2）数理统计法：根据水文现象的随机性，以概率论为基础，运用数理统计的方法推断水文现象的统计规律，求得长期水文特征值得概率分布，从而得出工程规划设计所需要的设计水文特征值。 （3）地理综合法：根据气候要素及其他地理要素的地区分布特点，分析受其影响的某些水文特征值的地区分布规律，一般用等值线图或地区经验公式表示（如多年平均年径流深等值线图，洪水地区经验公式等）。利用这些等值线图或经验公式，求出观测资料短缺地区的水文特征值。,实际工作中，这三种方法相辅相成、互为补充。工程水文学中的水文计算与水文预报都有预报的性质，但因预见期长短的不同而采用不同的方法，水文预报通常

18、只能预报几天的来水情况，此时必然性起主要作用，随着预见期的增长，所研究的水文现象影响因素更为复杂，此时必然性退居次要，偶然性增加，要求用统计的方法进行概率预报。概率预报不同于实时预报，只能预报水文事件出现的概率，不能预报时间出现的时间。 水文学方法与工程力学中所用的严格分析法不同，水文学涉及的许多水文问题需要判断，有时似乎又缺乏准确性，这就需要对误差进行充分合理的估计。,第二节 工程水文学的发展与现代水文学的特点,随着社会经济发展和水利工程建设与管理的需要，水文学从萌芽到成熟、从定性到定量、由经验到理论逐步发展起来的，大体可分为以下几个阶段： 一、萌芽时期（1400年以前） （1）在古埃及，公元前3500300年因灌溉引水开始观测尼罗河水位，至今还保留有公元前2200年所刻的水尺崖璧； （2）在中国，公元前11世纪以前，商代的甲骨文有细雨、大雨和骤雨记载； 吕氏春秋（公元前239年）最先提出了完整的水文循环概念；西汉四年（公元4年）张戎最先提出的“以水攻沙”治黄思想现在还在采用；北魏郦道元的水经注 （公元527年） 记述了干支河流达1252条；宋秦九韶在宋书九章记有当时全国天池盆测雨量和测雪量的计算方法。中国古代兴建的一些水利工程如都江堰、灵渠等能较长时间发挥效益，都与运用水文知识有关，特别是2000年前建成的