第一章工程水文绪论

SEU1第一章绪论第一节水文学一、水文学二、工程水文学第二节工程水文学的基本研究方法一、流域降雨径流水文系统二、水文现象变化的基本规律三、水文研究的基本方法第三节水文学的发展一、萌芽时期（1400年以前）二、奠基时期（1400～1900年）三、应用水文学的形成（1900～1950年）四、现代水文学时期（1950年后）第四节其他问题一、相关规范二、相关项目简介三、水文资料收集机构SEU2

《工程水文学》是港口航道与海岸工程专业一门重要的专业基础课，主要作用是根据设计标准，为港口、航道工程设计提供必要的基础数据，如码头面设计高程、航道最低通航水位等。研究对象是自然界中水体的变化规律与计算方法，本章对水文学与工程水文学，水资源，水文变化基本规律与计算方法等作简单介绍。工程水文学是水文学的一个分支，是为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据的一门科学，主要内容分为水文分析计算和水文预报两方面水文学知识河川径流，水文学的基本原理和方法，包括水文资料的收集与统计，设计洪水，流域分析计算，水质及水质评价。

SEU3相关专业:1、水利水电工程，0808012、水文与水资源工程，0808023、港口航道与海岸工程，080803一级学科名称:水利工程,代码:0815二级学科名称及代码： 水文学及水资源(081501) 水利学及河流动力学(081502) 水工结构工程(081503) 水利水电工程(081504) 港口、海岸及近海工程(081505）SEU4

设计流量或设计水位通常分两类。（1）与工程安全和经济有关的洪水流量与水位。如确定拦河坝所需的断面洪水流量，太大不经济，太小又不安全；又如确定码头陆域标高的设计水位，定得过低可能被淹没，过高又将浪费且运营不便。这类设计流量和水位，常以累积频率为标准；（2）关于正常通航的设计流量和设计水位。如保证河道有足够水深和跨河或通航建筑不碍航的设计流量和水位；洪水期桥梁净空不碍航的设计流量和水位。SEU5

保证率是指统计年限内能正常通航天数占总天数的百分比，是多年平均概念。通航保证率本应该同时考虑高水位和低水位情况下的通航，在具体分析计算时，由于设计目标与要求不同，需对高水位和低水位分别进行计算，即设计最高通航水位和设计最低通航水位计算。前者是通航建筑物正常营运的上限水位和跨河建筑物净高的起算水位，如通航桥梁净高设计，船闸闸门、闸墙、导航墙顶高程确定等；后者是航道与通航建筑物标准水深和水下过河建筑物标高的起算水位，如船闸闸首门槛、引航道底高程，以及整治工程中水下过河建筑物高程的确定等。由此可见，设计通航水位是航运工程规划设计施工的重要依据。SEU6第一节水文学

主要学习工程水文学的意义与主要内容,水资源的基本概念，从工程建设需要了解工程水文内容。一、水文学（一）水文学研究自然界各种水体（大气水、地表水、地下水）的存在、分布、循环、物理化学性质及其环境因素的变化规律，预测、预报各水文现象（如降水、水位、流量、水质等）的变化情势。全球各水体水量分布（亿km³）：大气:0.000129；陆地:0.48；海洋:13.38；总量为:23.86。SEU7

根据水体分布情况，水文学可分为：水文气象学：主要研究降水、蒸发、温度、湿度、风、气压。陆地水文学：主要研究地表水、地下水，又可分为河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、地下水文学、森林水文学等。海洋水文学：主要研究海温、洋流、风浪、潮汐等。本教材主要研究降雨、河流水文学、风浪、潮汐等。SEU8

（二）水资源水文循环是陆地一定区域内平均每年产生的淡水量，可用年降水量和年径流量描述。1、降水量多年平均降水量可以采用多年平均降水量等值线图，反映各地雨水的丰沛情况。降水量的年际变化：年际变化用变差系数Cv表示，反映各地的年降水量相对于那里的多年平均降水量变差的大小，可以采用等值线描述。降水的年内变化：常用典型年各月（旬）降水量变化过程表示。SEU9

如图1-1为宁波市2005年各月降水量的分布。SEU10

2、径流量多年平均径流量可以采用多年平均径流深（mm）等值线图，反映降水除去损失后的水资源地区分布情况。径流量有年际变化和年内变化。SEU11

二、工程水文学定义：工程水文学是水文学的一个重要分支，为工程规划设计（水文设计参数）、施工建设（施工围堰高程）、运行管理（水库用水调度）提供水文依据的一门科学。工程水文学主要内容分二方面：（1）水文分析计算（水文预测）：从统计的角度测算工程实施中和完成后很长时期内可能遇到的各种机会（概率）的水文现象的大小与过程。如预测长江三峡工程未来千年一遇的洪水有多大？主要为规划设计提供依据。（2）水文预报：预报指定地点或地区一定时期内（称预见期）水文现象的大小及变化过程。如预报某河流断面处从现在起以后24h的水位有多高？主要为现场施工及工程管理提供水文依据。SEU12

例如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。以下是长江三峡工程规划设计中的工程水文学问题（包括通航建筑物）。1）工程概况：①大坝（见图1-2，总规模，水量调度）坝型：混凝土重力坝坝顶高程（m）:185坝高（m）:175坝长（m）:2335SEU13

②溢洪道（见图1-3，安全问题）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（千年一遇）校核洪水洪峰流量（m³/s）：124300（万年一遇）SEU14

③电站（见图1-4，最小流量）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）：846.8SEU15

④船闸（见图1-5，航道等级有关）型式：双线五级连续梯级闸室尺寸（m）：280*34*5坝上通航最高水位是175米坝下通航的最低水位到62米设计了双线五级的连续船闸来克服113米的水位差SEU16

⑤升船机（见图1-6）型式：单线单级垂直提升式升船厢尺寸（m）：120*18*3.5垂直提升113米的水位差SEU17

⑥水库（见图1-7，总规模，水量调度）校核洪水位（m）：180.4设计洪水位（m）：175防洪限制水位（m）：145（第一位）正常高水位（m）：175（第二位）枯季最低水位（m）：155总库容（亿m³）：393防洪库容（亿m³）：221.5库面面积（km²）：1084SEU18

2）主要水文学问题①设计年径流预测（以确定正常高水位、枯季最低水位、装机容量、平均年发电量等）：②设计洪水预测（以确定校核洪水位、设计洪水位、防洪限制水位、防洪库容、溢洪道尺寸等）：③水文预报（指导发电、防洪等）：SEU19

思考题1、水资源与水文学有何关系？答：水资源是水文循环引起陆地上一定区域平均每年产生的淡水量--降水量、径流量及其变化，这些可根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算推求，水资源评价（包括水环境质量）工作，就是由各级水文部门进行的。2、工程水文学与水文学有何联系？主要包括哪两方面的内容？答：工程水文学是水文学的一个重要分支，随着水利水电工程建设和港口航道工程建设的大规模开展，为满足工程规划设计、施工和运行管理的迫切需要，水文工作者针对提出的问题，进行大量的、深入的试验研究，使水文学发展到工程水文学阶段。它主要包括水文预测及水文预报两方面的内容，前者为设计施工服务，后者为运行管理服务。如长江上预测枯水年，则安排较多挖泥船到浅区，保证航道畅通。SEU20第二节工程水文学的基本研究方法主要介绍流域及其降雨径流水文系统,水文现象的基本规律与研究方法，了解流域水文系统的基本概念,理解水文现象基本规律与计算方法。一、流域降雨径流水文系统1、流域:河流某一断面的来水区域，包括地面的和地下的，分为闭合流域和非闭合流域。2、流域降雨径流水文系统流域输入I(t)=降雨P(t)-蒸发等损失E(t)流域出口输出Q(t)流域使I(t)转化为Q(t)的变换函数Ω,则该系统表示为:Q(t)=Ω*I(t)SEU21

二、水文现象变化的基本规律1、成因规律（确定性规律）表示水文现象形成的内在因果关系，确定的成因和条件将对应于确定的结果。例如根据质量守恒原理，可得：全球的多年平均降水量=全球的多年平均蒸发量再比如，流域上一次暴雨过程-→扣除相应的损失过程==净雨过程—→流域汇流==流域出口相应的一次洪水过程SEU22

2、统计规律（随机性规律）样本容量很大时，随机变量趋向于一个稳定的分布，或相关变量表现为稳定的相关关系。如某流域的年最大洪峰流量频率曲线图1-8和相邻流域间年径流量相关图1-9。SEU23

1、成因分析法根据水文变化的成因规律，由其影响因素预报、预测水文情势的方法。如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。2、数理统计法根据水文现象的统计规律，对水文观测资料统计分析，进行水文情势预测、预报的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算、地区经验公式等。在工程中，水文计算常常是二种方法综合使用，相辅相成，例如由暴雨资料推求设计洪水，就是先由数理统计法求设计暴雨，再按成因分析法将设计暴雨转化为设计洪水。

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思考题将全球的陆地作为一个系统，设年降水量为Pc、年蒸发量为Ec、陆地流入海洋的径流量为R、陆地蓄水量年末与年初之差为ΔS，试根据质量守恒原理列出R的计算方程。答：将全球的陆地作为一个系统，设年降水量为Pc、年蒸发量为Ec、陆地流入海洋的径流量为R、陆地蓄水量年末与年初之差为ΔS，试根据质量守恒原理列出R的计算方程。S初+Pc=S终+Ec+RR=Pc-Ec-ΔS（S终-S初）SEU25第三节水文学的发展

水文学的发展，就是随着社会经济发展和水利工程建设（水利水电工程080801、水文与水资源工程080802、港口航道与海岸工程080803）发展的需要，从萌芽到成熟、由经验到理论逐步发展起来的。今后的发展仍将遵循这一规律更快地向前发展，以满足社会继续发展的需求。水文学的发展，大体可分为以下几个阶段：

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一、萌芽时期（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256年建成的都江堰，至今仍在发挥巨大作用，其中就体现着成功的水文知识；公元前239年的《吕氏春秋》最先提出水文循环的概念；又如527年的《水经注》，是早于欧洲1000多年的水文地理巨著。二、奠基时期（1400～1900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。SEU27

三、应用水文学的形成（1900～1950年）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.福斯特完整地建立了P-Ⅲ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.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法等等，这一时期我国则比较落后。四、现代水文学时期（1950年后）随着计算机、遥感等高新技术的应用，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，水文学的研究渗透到很多领域。SEU28第四节其他问题

一、相关规范1、(JTJ212-2006)河港工程总体设计规范SEU29

2、(JTJ213-98)海港水文规范SEU30

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3、(JTJ214-2000)内河航道与港口水文规范SEU32

二、相关项目简介1、天然河流设计最低通航水位两种确定方法的研究SEU33

2、内河航道设计通航水位计算方法研