工程水文學(xué)及水利計(jì)算講課教師：李英海

1工程水文學(xué)及水利計(jì)算〔一〕課程性質(zhì)和特點(diǎn)工程水文是水利類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)根底課。經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能初步掌握與水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建立和運(yùn)轉(zhuǎn)管理有關(guān)的暴雨、洪水、徑流資料的搜集、分析計(jì)算的根本知識(shí)和根本技藝，為其它專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和今后從事專(zhuān)業(yè)任務(wù)或進(jìn)展科學(xué)研討任務(wù)打下根底。2工程水文學(xué)〔二〕課程的根本要求1.了解水文景象的根本特點(diǎn)，物理成因，影響要素及其變化規(guī)律。2.掌握初步的水文檢驗(yàn)技藝和搜集水文資料的方法。3.熟習(xí)和掌握水文分析的根本原理，如徑流構(gòu)成原理、水量平衡原理、水文統(tǒng)計(jì)原理等；掌握徑流和洪水計(jì)算的根本方法，如成因分析法、水文統(tǒng)計(jì)法等，對(duì)工程中遇到的水文分析計(jì)算問(wèn)題具有一定的分析和計(jì)算才干。4.初步掌握水文預(yù)告的根本原理和方法。3第一章緒論§1.1水文學(xué)§1.2工程水文學(xué)的研討方法§1.3水文學(xué)的開(kāi)展4水文學(xué)§1.1水文學(xué)內(nèi)容提要工程水文學(xué)的意義與主要內(nèi)容，水資源的根本概念。學(xué)習(xí)要求從工程建立需求了解工程水文內(nèi)容。水資源工程水文學(xué)5水文學(xué)§1.1水文學(xué)-§1.1.1水文學(xué)水文學(xué)的定義研討自然界各種水體〔大氣水、地表水、地下水〕的存在、分布、循環(huán)、物理化學(xué)性質(zhì)及其環(huán)境要素的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)、預(yù)告各水文景象〔如降水、水位、流量、水質(zhì)等〕的變化情勢(shì)。水資源工程水文學(xué)6§1.1水文學(xué)-§1.1.1水文學(xué)全球各水體水量分布〔億km3〕：

大氣:

0.000129(0.1%)

陸地:

0.48(3.5%)

海洋:

13.38(96.5%)

∑:

13.86

7§1.1水文學(xué)-§1.1.1水文學(xué)根據(jù)水體分布情況，水文學(xué)可分為：水文氣候?qū)W：主要研討降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、風(fēng)、氣壓。陸地水文學(xué)：主要研討地表水、地下水，又可分為河流水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文學(xué)、冰川水文學(xué)、地下水文學(xué)、森林水文學(xué)等。海洋水文學(xué)：主要研討海溫、洋流、風(fēng)浪、潮汐等。8§1.1水文學(xué)-§1.1.2水資源水資源的定義：地球表層可供人類(lèi)利用的水稱(chēng)為水資源。水資源包括水量、水質(zhì)、水能資源和水域。

9水文學(xué)§1.1水文學(xué)-§1.1.3工程水文學(xué)工程水文學(xué)的定義：水文學(xué)的一個(gè)重要分支，將水文學(xué)方面的知識(shí)運(yùn)用于水利水電工程，為工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建立、運(yùn)轉(zhuǎn)管理提供水文根據(jù)的一門(mén)科學(xué)。水資源工程水文學(xué)10水文學(xué)§1.1水文學(xué)-§1.1.3工程水文學(xué)工程水文學(xué)主要內(nèi)容分四方面：〔1〕水文信息采集與處置〔水文檢驗(yàn)〕：描畫(huà)關(guān)于降水、蒸發(fā)、下滲、水位、流量、泥沙、水質(zhì)、河道等工程的觀(guān)測(cè)、調(diào)查及資料整編、檢索的方法?！?〕降雨徑流相關(guān)分析：提示流域徑流的構(gòu)成規(guī)律，定量分析降雨量、土壤含水量、徑流量之間以及降雨過(guò)程與流量過(guò)程之間的關(guān)系，描畫(huà)流域產(chǎn)流與匯流計(jì)算的常用方法與數(shù)學(xué)模型。水資源工程水文學(xué)11〔3〕水文分析計(jì)算：提示水文景象的成因規(guī)律與統(tǒng)計(jì)規(guī)律，研討水文要素與地理要素之間的聯(lián)絡(luò)及時(shí)空分布特性，論述各種資料條件下預(yù)估未來(lái)水文情勢(shì)的方法和途徑?！?〕水文預(yù)告：重點(diǎn)研討洪峰流量、洪水位及洪水過(guò)程的短期預(yù)告方法。12水文學(xué)§1.1水文學(xué)-§1.1.3工程水文學(xué)【例1-1】：1998年長(zhǎng)江特大洪水防洪中，曾幾次運(yùn)用洪水預(yù)告，及時(shí)指點(diǎn)清江水庫(kù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)清江洪水與三峽洪水錯(cuò)峰，防止了荊江分洪區(qū)分洪。水資源工程水文學(xué)13水文學(xué)§1.1水文學(xué)-§1.1.3工程水文學(xué)【例1-2】：長(zhǎng)江三峽工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的工程水文學(xué)問(wèn)題。設(shè)計(jì)年徑流預(yù)測(cè)〔以確定正常高水位、枯季最低水位、裝機(jī)容量、平均年發(fā)電量等〕：平均年徑流量；徑流年際變化；徑流年內(nèi)變化。設(shè)計(jì)洪水預(yù)測(cè)〔以確定校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、防洪限制水位、防洪庫(kù)容、溢洪道尺寸等〕：校核洪水〔萬(wàn)年一遇〕；設(shè)計(jì)洪水〔千年一遇〕。水資源工程水文學(xué)14流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法內(nèi)容提要流域及其降雨徑流水文系統(tǒng)，水文景象的根本規(guī)律與研討方法學(xué)習(xí)要求了解流域水文系統(tǒng)的根本概念，了解水文景象根本規(guī)律與計(jì)算方法水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法15流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法1、流域:

會(huì)聚于一條河流的積水區(qū)域，包括地面的和地下的，如圖1-4。水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法16流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法2、流域降雨徑流水文系統(tǒng)

流域輸入：I(t)=降雨P(guān)(t)

流域出口輸出：徑流Q(t)，蒸發(fā)E(t)

流域使I(t)轉(zhuǎn)化為Q(t)的變換函數(shù)：Ω{}那么該系統(tǒng)表示為：Q(t)=Ω{I(t)}水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法17流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法3、水文系統(tǒng)根本規(guī)律成因規(guī)律〔確定性規(guī)律〕統(tǒng)計(jì)規(guī)律〔隨機(jī)性規(guī)律〕水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法18流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法成因規(guī)律〔確定性規(guī)律〕表示水文景象構(gòu)成的內(nèi)在因果關(guān)系，確定的成因和條件將對(duì)應(yīng)于確定的結(jié)果?！纠?-1】根據(jù)水量平衡原理，可得全球的多年平均降水量=全球的多年平均蒸發(fā)量?！纠?-2】流域上一次暴雨過(guò)程→扣除相應(yīng)的損失過(guò)程=凈雨過(guò)程→流域匯流=流域出口相應(yīng)的一次洪水過(guò)程。水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法19流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法統(tǒng)計(jì)規(guī)律〔隨機(jī)性規(guī)律〕樣本容量很大時(shí)，隨機(jī)變量趨向于一個(gè)穩(wěn)定的分布，或相關(guān)變量表現(xiàn)為穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系。如某流域的年最大洪峰流量頻率曲線(xiàn)圖1-5和相鄰流域間年徑流量相關(guān)圖1-6。水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法20流域降雨徑流水文系統(tǒng)§1.2工程水文學(xué)的研討方法4、水文系統(tǒng)的研討方法成因分析法:根據(jù)水文變化的成因規(guī)律，定量分析水文景象與其影響要素之間的成因關(guān)系，由其影響要素預(yù)告水文情勢(shì)的方法。如降雨徑流預(yù)告法、河流洪水演算法等。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法：根據(jù)水文景象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)水文觀(guān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)展水文情勢(shì)概率預(yù)測(cè)的方法。如設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算等。地理綜合法：根據(jù)水文景象所具有的地域性和地帶性分布特征，綜合氣候、地質(zhì)地貌、土壤、植被等自然地理要素，分析水文要素的地理分布規(guī)律，利用已有水文資料建立地域閱歷公式，繪制水文特征等值線(xiàn)圖。水文景象變化的根本規(guī)律水文研討的根本方法21§1.3水文學(xué)的開(kāi)展內(nèi)容提要水文學(xué)開(kāi)展的各個(gè)階段與特點(diǎn)學(xué)習(xí)要求普通了解即可22§1.3水文學(xué)的開(kāi)展水文學(xué)的開(kāi)展，就是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展和水利工程開(kāi)展的需求，從萌芽到成熟、由閱歷到實(shí)際逐漸開(kāi)展起來(lái)的。今后的開(kāi)展仍將遵照這一規(guī)律更快地向前開(kāi)展，以滿(mǎn)足社會(huì)繼續(xù)開(kāi)展的需求。水文學(xué)的開(kāi)展，大體可分為以下幾個(gè)階段：萌芽時(shí)期〔1400年以前〕奠基時(shí)期〔1400～1900年〕運(yùn)用水文學(xué)的構(gòu)成〔1900～1950年〕現(xiàn)代水文學(xué)時(shí)期〔1950年后〕23§1.3水文學(xué)的開(kāi)展一、萌芽時(shí)期〔1400年以前〕這一時(shí)期中國(guó)的水文知識(shí)居于世界領(lǐng)先位置，如2000年前建成的都江堰，至今仍在發(fā)揚(yáng)宏大作用，其中就表達(dá)著勝利的水文知識(shí)；又如527年的<水經(jīng)注>，是早于歐洲1000多年的水文地理巨著；公元前239年的<呂氏春秋>最先提出水文循環(huán)的概念。24§1.3水文學(xué)的開(kāi)展二、奠基時(shí)期〔1400～1900年〕該時(shí)期，西歐的文藝復(fù)興和產(chǎn)業(yè)革命促進(jìn)了水利事業(yè)的開(kāi)展，在水文觀(guān)測(cè)方面，發(fā)明制造了雨量器、蒸發(fā)器、流速儀等，系統(tǒng)的水文檢驗(yàn)為水文定量計(jì)算及預(yù)告奠定了堅(jiān)實(shí)根底。25§1.3水文學(xué)的開(kāi)展三、運(yùn)用水文學(xué)的構(gòu)成〔1900～1950年〕進(jìn)入20世紀(jì)，大規(guī)模的水利水電建立蓬勃開(kāi)展，需求科學(xué)的水文計(jì)算和水文預(yù)告，使運(yùn)用水文學(xué)迅速開(kāi)展起來(lái)。1900年的美國(guó)J.A.塞登提出著名的塞登定律、1932年L.R.K.謝爾曼提出單位線(xiàn)法、1935年G.T.麥卡錫建立了馬斯京根河道洪水演算法，1924年H.A.福斯特完好地建立了P-Ⅲ水文頻率曲線(xiàn)計(jì)算方法等等，這一時(shí)期我國(guó)那么比較落后。26§1.3水文學(xué)的開(kāi)展四、現(xiàn)代水文學(xué)時(shí)期〔1950年后〕隨著計(jì)算機(jī)、空間信