1、橋 涵 水 文,參考書： 1 葉鎮(zhèn)國 ，水力學與橋涵水文，北京：人民交通出版社 2 張學齡， 橋涵水文， 北京：人民交通出版社,第1章 緒 論,11 水文學的研究內(nèi)容 水文學 就是研究自然界中水體形成、分布、變 化、運動、相互轉(zhuǎn)化和與環(huán)境相互作用 規(guī)律的一門科學。 水文學可分為： 水文氣象學、河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文 學、冰川水文學、海洋水文學、地下水文學等。,水文學的內(nèi)容： 1，水文測驗和資料整編與發(fā)布，這是水文分析計算和 研究的基礎性工作； 2，水文實驗研究； 3，水文分析與計算，如百年一遇的流量工程規(guī)劃 提供依據(jù)； 4，水文預報； 5，水文地理：研究水文特征與地理因素間的關系；

2、6，河流的沖刷與泥沙淤積計算； 7，其他，如水情、興利和防洪調(diào)度等。,121水文現(xiàn)象的基本規(guī)律 1水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律（成因規(guī)律、周期性） 2水文現(xiàn)象的隨機性規(guī)律 3水文現(xiàn)象的地區(qū)性規(guī)律,12 水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法,1成因分析法 建立某水文現(xiàn)象與其影響因素之間確定性的定量關系。 2數(shù)理統(tǒng)計法（概率理論為基礎） 求某水文要素的概率分布，得出工程規(guī)劃設計所需的設計水文特征值。 利用兩個或多個變量之間的統(tǒng)計關系相關關系，進行相關分析，以展延水文系列或做水文預報。 3地區(qū)綜合法 根據(jù)氣候要素和其他地理要素的地區(qū)性規(guī)律，可以按地區(qū)研究受其影響的某些水文特征值的地區(qū)變化規(guī)律。 每種水文現(xiàn)象都程度不

3、同地存在著以上三種規(guī)律性，常常根據(jù)實際情況和需要，選用一種或幾種方法計算，以便得出合理可靠的成果。,122 水文研究的基本方法,13 水文科學的發(fā)展,至17世紀后期逐步形成一門比較獨立的學科。 水位觀測最早，公元前約22世紀，大禹治水的“隨山刊木”。 雨量觀測，14世紀70年代開始。 15世紀歐洲，設立水文站網(wǎng)系統(tǒng)觀測水文、流量、降水、蒸發(fā)、泥沙等。 1674貝羅特的噴泉起源在水文循環(huán)的概念下，提出流域水量平衡原理，并計算出塞納河伯格底以上的年徑流量為年降雨量的1/6，標志水文作為一門學科已經(jīng)初步形成。 上世紀60年代以來，由于電子計算機和衛(wèi)星遙感遙測技術的出現(xiàn)，開始水文預報、預測（水量、水質(zhì)

4、）、水文信息采集、模型計算、優(yōu)化調(diào)度一體化等。,第2章 河流與徑流 21 河流與流域,接納地面徑流和地下徑流的天然泄水通道稱 河流。 供給河流地面和地下徑流的集水區(qū)域叫 流域，它由 匯集地面徑流的地面集水區(qū)和匯集地下徑流的地下 集水區(qū)所組成。 流域里大大小小的水流，構(gòu)成脈絡相通的系統(tǒng)稱河 系(河網(wǎng))，又稱 水系 。,211 河流特征,1河流長度 自河源沿主河道至河口的長度稱為 河流長度，簡稱河長。 2河流分段(河源、上游、中游、下游、河口 5段) 河源 ：是河流的發(fā)源地，可以是泉水、溪澗、沼澤、冰川等。 上游 ：直接連接河源，河谷窄、坡度大、水流急、下切侵蝕為 主，河流中常有瀑布、急灘。 中游

5、： 河段坡度漸緩，下切力減弱，旁蝕力加強，急流、瀑 布消失，河槽變寬，兩岸有灘地，河床較穩(wěn)定。 下游 ：河槽寬、坡度緩、流速小，淤積為主，淺灘沙洲多，河 曲發(fā)育。 河口 ：河流注人海洋或內(nèi)陸湖的地區(qū)。,3河谷與河槽 可以排泄河川徑流的連續(xù)凹地稱為 河谷。 谷底過水的部分稱 河槽。 河槽的橫斷面稱 過水斷面（單式、復式）。 復式斷面 由枯水河槽和灘地組成，洪水時灘地將被淹沒和過水。,4河道縱比降 河段兩端的高程差叫 落差。 單位河長的落差稱河道縱比降，稱河流坡降。 用面積相等求河道的平均縱比降。,212流域特征,1分水線和流域 （1）分水線 地形上的脊線起著分水作用，稱為分水 線或分水嶺。 分水

6、線是相鄰兩流域的分界線。 秦嶺 是長江與黃河的分水嶺。 南嶺 是湘江與珠江的分水嶺。 由于地質(zhì)條件和地貌特征影響，地面、地下分水 線可能不一致。,(2) 流域 流域是指匯集地面、地下徑流的區(qū)域，是相對河流某一斷面而言。 當流域的地面、地下分水線重合，河流下切比較深，流域面積上降水產(chǎn)生的地面、地下徑流能夠全部經(jīng)過出口斷面排出者，稱閉合流域。 當?shù)孛?、地下分水線不一致，或河流下切較淺，出水口流出的徑流并不正好是地面集水區(qū)降水產(chǎn)生的徑流時，稱非閉合流域。,2流域的幾何特征 流域面積F。劃地面分水線，用求積儀求得。 流域長度L：以流域出口為中心作許多同心圓，由每個同心圓與流域分水線相交點作割線，各割線

7、中心點的連線為流域長度。 平均寬度B：流域面積除以流域長度。 流域形狀系數(shù)K=B/L。,(1) 流域的地理位置 （經(jīng)度和緯度） (2) 流域的氣候條件 （降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、風） (3) 流域的地形（地形圖、流域平均高程 和平均坡度） (4) 流域的土壤、巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造(影響下滲） (5) 流域的植被 森林（對減少泥沙和洪水有重要作用） (6) 流域的湖泊與沼澤 （徑流起調(diào)節(jié)作用）,3流域的自然地理特征,22 徑流及其形成過程,1水分循環(huán) 自然界中水的循環(huán)有蒸發(fā)、降水、下滲和徑流4個主要環(huán)節(jié)。 2地球的水量平衡 水文循環(huán)過程中，任一地區(qū)一定時段內(nèi)進入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水

8、的變化量，此即水量平衡原理。 每年的蓄水變量有正有負，長期多年的平均值趨近于零。 全球的降水量和蒸發(fā)量是相等的（長期多年的平均值）。,221 水文循環(huán)與水量平衡,降水； 蒸發(fā)； 下滲； 水位； 流量；,222 水文觀測與水文資料收集,1）降雨強度過程線 將時段雨量除以時段長，得時段平均降雨強度，簡稱雨強。 以雨強為縱坐標，以時間為橫坐標，可繪一次降雨的時段平均降雨強度過程線（1線）。 當時段取得很小時，1線變?yōu)橐粭l光滑的曲線，稱瞬時降雨強度過程線。,1 降水 (1)降雨時程變化的描述方法,2)累積降雨過程線 （降雨強度過程線隨時間積分） 圖中2線，是對1線下各時段雨量按時程累加而得。 累積過程

9、線的坡度就是相應時間的降雨強度。,1）算術平均法 當流域內(nèi)雨量站分布比較均勻，地形起伏變化不大時，可用算術平均法求流域某時段的平均雨量：,(2)流域平均雨量計算,Pi該時段第i站的降雨量，mm，i=1，2，n； n雨量站站數(shù)。,先用直線(圖中的虛線)連接流域內(nèi)及附近相鄰的雨量站，成為很多個三角形； 然后，在各連線上作垂直平分線，它們與流域周界一起組成n個多邊形，每個多邊形正好有一個相應的雨量站。,2)泰森多邊形法 當流域雨量站分布不太均勻時，該法假定流域各處的雨量可由與其距離最近的雨量站代表。,P1、P2、Pn為各雨量站觀測的雨量； f1、f2、f3、fn為各站代表的多邊形面積； F為流域面積

10、。,流域平均雨量計算公式：,首先按各雨量站同時期的雨量，類似繪制等高線那樣，繪出等雨量線； 量出流域內(nèi)各相鄰等雨量線間的面積f i； 并由相鄰的等雨量線值算出f i上的平均雨量P i。,3)等雨量線法 當流域地形變化較大，區(qū)域內(nèi)有足夠數(shù)量的雨量站，能結(jié)合 地形變化繪出等雨量線圖時用此法。,計算流域平均雨量,此法能考慮流域地形的變化繪制等雨量線，比較好地反映了降雨在流域上的變化，精度較高，但繪制等雨量線需要較多站點的資料，且每次都要重繪，工作量很大。,2蒸發(fā),水面蒸發(fā) 土壤蒸發(fā) 植物蒸散發(fā) 現(xiàn)在應用最多的方法：用流域水量平衡的方法推求，以實測的降水量和徑流量反推流域的蒸散發(fā)量,3 下滲,同一地點

11、不同時間的下滲能力不同； 同一時間不同點的下滲能力不同。 下滲能力可用曲線表示，隨時間增長而衰減。 實用上，用實測降雨、徑流資料反推流域平均下滲能力曲線或用下滲能力地區(qū)分布函數(shù)；,我國統(tǒng)一采用青島附近的黃海海平面作為標準基面。 水尺觀測：變化平穩(wěn)時，每日8時和20時各一次 枯水期，每日8時一次 汛期每日4次（或更多） 自記水位計：觀測連續(xù) 日平均水位，月平均水位，年平均水位 年、月最高、最低水位、洪水水位,4 水位,5 流量,（1）流速儀觀測流量 1）斷面測量、布置測深垂線 2）流速計算與流量計算 點流速測量 第m條垂線上的平均流速（5個測點時）：,第i快面積上的平均流速： 中間部分： 左、右

12、岸部分 流量計算,（2）浮標法觀測流量 在上游沿河寬均勻投放浮標，v=L/T 在曲線上查測深垂線的平均流速 計算兩垂線間的面積和平均流速 累加求全斷面的流量,（3）流量資料的整編： 1）常測水位下的水位流量關系曲線的繪制 水位面積曲線 水位速度曲線 水位流量曲線,2）水位流量關系曲線的延長 低水位：順勢延長 展延幅度不應超過10%。 高水位：展延幅度不應超過實測流量對應水位變幅的30% A：延長水位速度曲線，此線高水位 時趨于一條與縱軸平行的直線； 實測 高水位的水位面積曲線；,計算公式,B：用水力學公式計算：,3）資料整編 推求逐日平均流量： 一日內(nèi)流量變化不大時，用日平均水位 在Z-Q線上

13、查得日平均流量； 一日內(nèi)流量變化大時，用逐時水位在Z-Q線上查流量，再用算術平均法或面積包圍法求日平均流量。,6泥砂,河流中的泥沙，按其運動形式分為 懸移質(zhì)、推移質(zhì) 和 床沙 3種。 懸移質(zhì) 泥沙懸浮于水中并隨之運動； 推移質(zhì) 泥沙受水流沖擊沿河底移動或滾動； 河床 泥沙則是指組成河床并處于相對靜止狀態(tài)的泥沙。,(1)懸移質(zhì)泥沙測驗 含沙量 單位水體的渾水中所含泥沙的重量。 輸沙率 單位時間內(nèi)通過測驗斷面的懸移質(zhì)重量。 測沙垂線 垂線平均含沙量 斷面輸沙率,（2）推移質(zhì)泥沙測驗及計算 推移質(zhì)輸沙率 是指單位時間內(nèi)通過測驗斷面的推移質(zhì)泥沙重量。 測驗推移質(zhì)： 首先確定推移質(zhì)的邊界，在有推移質(zhì)的范

14、圍內(nèi)布設若干垂線，施測各垂線的單寬推移質(zhì)輸沙率； 計算部分寬度上的推移質(zhì)輸沙率； 最后累加求得斷面推移質(zhì)輸沙率。,（3）河床泥沙測驗 河床泥沙以往常稱 河床質(zhì)，現(xiàn)在多簡稱床沙。 （4）泥沙顆粒分析 泥沙是由許多粒徑不同的泥土沙粒組成。沙樣中各種粒徑的泥沙各占多少(百分比)的分配情況，即該泥沙的顆粒級配。 反映這種級配情況的曲線圖稱為顆粒級配曲線，或簡稱粒配曲線。,7水文資料收集,(1) 水文年鑒和水文數(shù)據(jù)庫 (2) 水文手冊和水文圖集 (3) 水文調(diào)查 確定洪水的大小 Q。 確定洪水發(fā)生的日期，調(diào)查在歷史年代中的排列序位，以便估計它的出現(xiàn)頻率(重現(xiàn)期)。,223 徑流形成過程,流域上的雨水，除

15、去損失以后，經(jīng)由地面和地下途徑匯人河網(wǎng)，形成流域出口斷面的水流，稱之為 河川徑流，簡稱 徑流。 徑流隨時間的變化過程，稱 徑流過程，它是工程規(guī)劃設計、施工和管理的基本依據(jù)。,（1）流量Q：流量 指單位時間內(nèi)通過某一斷面的水量。 （2） 徑流總量W：徑流總量 是指時段T內(nèi)通過某一斷面 的總水量，單位有m3 、 億m3 等。 （3） 徑流深 R：徑流深是設想將徑流總量均勻地平鋪在整 個流域面積上所得的水深，常以mm計。 (4） 徑流模數(shù) M：單位面積上產(chǎn)生的流量稱徑流模數(shù)， 當Q為洪峰流量時，稱洪峰流量模數(shù)。 （5）徑流系數(shù)。 某一時段的徑流深R與相應的流域平均降 雨量P之比稱徑流系數(shù)。 因R是由

16、P形成的，對于閉合流域R將小于P，所以 1。,1徑流的表示方法與度量單位,23 泥沙運動與河床演變,1泥沙特征 泥沙粒徑和粒配曲線 常用的沙樣特征粒徑為中值粒徑d50 另一常用的特征值是平均粒徑 (2) 泥沙的容重 和干容重,231 泥沙運動基本規(guī)律,(3) 水下休止角 靜水中的泥沙，由于摩擦力作用，可以形成一定的傾斜面不至塌落，此斜面與水平面夾角稱為泥沙的水下休止角。 (4) 泥沙的沉降速度 泥沙在靜水中等速下沉時的速度，稱泥沙的沉降速度。它是泥沙的重要水力特性之一。 天然泥沙沉降速度經(jīng)驗公式-（張瑞瑾公式）,2推移質(zhì)運動 (1)泥沙的起動 河床面上的泥沙顆粒由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)的臨界水流

17、條件稱為 泥沙的起動條件。 常見的表達起動條件的形式有起動流速和起動拖曳力兩種。我國工程界，使用起動流速的居多。 橋渡設計中，起動流速的計算常采用張瑞瑾公式，即 式中vc 以垂線平均流速表示的起動流速，ms； H 水深，m。,(2) 推移質(zhì)輸沙率 推移質(zhì)輸沙率除用單位時間內(nèi)通過過水斷面的推移質(zhì)數(shù)量表示外，工程中還常用 單寬推移質(zhì)輸沙率 qb 來表示，單位為kg(m.s)。 推移質(zhì)輸沙率反映在一定水力、泥沙條件下水流所能挾帶的推移質(zhì)數(shù)量，對河道的沖淤變化有重要影響。,3懸移質(zhì)運動 一定水流泥沙條件下，河床處于不沖不淤平衡狀態(tài)時，單位體積水流挾帶懸移質(zhì)泥沙的數(shù)量稱為 水流挾沙率。 懸移質(zhì)中較細的部

18、分，在河段的床沙中很少或沒有，幾乎不與床沙發(fā)生交換，不參加造床作用，基本上是一瀉而過，這部分泥沙稱做 沖瀉質(zhì)。 懸浮質(zhì)中較粗的部分(除去沖瀉質(zhì)后的部分)在床沙中大量存在，其輸沙率與水流條件之間有較好的關系，與河道的沖淤變化密切相關，稱床沙質(zhì)。 因此水流挾沙力多指水流所能挾帶的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的含沙量，單位為kgm3。 上游來流的含沙量與本河段的水流挾沙力不等時河床將發(fā)生沖淤變化。,232 河床演變,河流一般可分為 山區(qū)河流 和 平原河流 兩大類型。 山區(qū)河流 坡度陡，水流中的懸移質(zhì)含沙量小于河段的水流挾沙力，以下切為主。 河床多系基巖時，抗沖力強，河床下切速度緩慢； 山區(qū)土壤疏松時，如西北地區(qū)的黃土高原，則下切顯著，溝壑縱橫。 平原河流 比降平緩，挾沙力較小，一般以泥沙的堆積為主。 河床多為細沙，在洪流作用下易發(fā)生運動。因此平原河流沖淤變化的速度較快，變化的幅度也比較大。,1河床演變基本原理 河床演變的根本原因歸結(jié)為輸沙的不平衡。 輸沙不平衡所產(chǎn)生的河床變形是朝著使變形停止的方向發(fā)展的。 河床演變形式可分為縱向變形和橫向變形兩類。 縱向變形 體現(xiàn)為河床縱剖面和橫斷面的沿程沖淤變化。造成河床沿縱向發(fā)生變形； 橫向變形 體現(xiàn)為河床的平面擺動；造成橫向變形的原因，主要是由于環(huán)流。,2