工程水文完整版本

工程水文学定义：针对不同涉水工程的性质和需求，将水文学的基本理论与方法运用于工程建设与管理，为工程规划设计、施工建设、运行管理提供水文依据的一门科学。工程水文学主要内容分二方面：水文计算、水文预报水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。水循环的内因：水物理三态之间的相互转化。（前提条件）水循环的外因：太阳辐射和地球引力。（基本动力）外部环境：包括地理纬度、海陆分布、地貌等制约了水循环的路径、规模与强度。水循环的作用与效应直接影响气候变化重塑地表形态：径流冲刷和侵蚀地面，形成沟溪江河形成沟溪江河；水流搬运大量泥沙，可堆积成冲积平原冲积平原；岩石长期受到水流强烈侵蚀和溶解作用，可形成；岩石长期受到水流强烈侵蚀和溶解作用，可形成喀斯特等地貌。形成再生资源：永不枯竭的淡水资源和能源；滋养和能源；滋养植物；供养海洋生物。负面影响：降水时空分布不均匀，引发干旱、洪涝灾害。水量平衡原理及其方程：原理：在水文循环中，任一地区在一定时段内的输入和输出水量之差，必等于该地区蓄水量的变化量（即该地区在时段始末的蓄水量之差）。水量平衡方程：来水量（I）-出水量（S）=区域内蓄水变量（ΔS）（1）以地球陆地为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：PC－R－EC=△SCPC：时段内陆地的降水量； EC：时段内陆地的蒸发量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；△SC：时段内陆地蓄水量的变化量。（2）以海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：海洋：PO＋R－EO=△SO河流：接受一定区域内地表水和地下水补给，经常或间歇地沿着狭长凹地流动的水流。它是地球上水文循环的重要路径，也是泥沙、盐类和化学元素等进入湖泊、海洋的通道。水系：河流（包括干流、支流）和流域内的湖泊、沼泽或地下暗河彼此连接组成一个庞大的系统，又称河系或河网。横断面：垂直于水流方向的断面中泓线：河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线纵断面：沿中泓线的断面，反映河床的沿程变化。主槽：枯水期水流所占的河床滩地：洪水泛滥所占部分河床河流基本特征:河流长度L（km）、流域河网密度D、河流的弯曲系数、河道纵比降河源、中游、下游、河口河源：河流发源的地方，可以小溪、泉水、冰川、湖泊或沼泽等形式出现上游：水位落差大，水流急，流量小，下切力强，河谷窄，呈V型，河槽多为基岩。河流常出现急滩和瀑布。中游：河道比降变缓，下切力减弱，旁蚀力增强，河槽逐渐拓宽及弯曲度变大，两岸出现滩地，河床较稳定。下游：河槽宽，纵断面比降、流速小，河道淤积作用较为显著，多浅滩和河洲，河床多为细沙和淤泥。河口：河流终点，位于流入海洋、湖泊的河段。流速骤减，泥沙淤积，形成三角洲。流域：汇集地面水和地下水的区域，即分水线所包围的区域。分水线：河流周围地面高程最高点的连线。分水线有地面分水线和地下分水线之分，前者是汇集地表水的界线，后者是汇集地下水的界线。闭合流域：在垂直方向地面、地下分水线重合，地面集水区上降水形成的径流正好由流域出口断面流出，一般的大中流域均属此类。非闭合流域：地面、地下分水线不重合的流域，如岩溶地区的河流和一些很小的流域。地面、一般的大、中流域，地面和地下分水线不重合造成地面、地下集水区的差异相对于全流域很小，常常视为闭合流域。流域基本特征流域面积F是指（地面）分水线包围区域的分水线包围区域的平面投影面积。河网密度（∑L/F，km/km2）流域内河流干支流总长度与流域面积的比值，表示一个地区河网的疏密度。流域长度（L）和平均宽度（M）流域形状系数（M/L）（扇状流域、羽状流域）流域平均高度和平均坡度流域自然地理特征（位置、气候、下垫面）多年平均径流系数，反映流域降水量转换成径流量的比例系数。多年平均蒸发系数，反映流域降水量转换成蒸发量的比例系数。常用 二个系数来反映流域气候地理特性。动力冷却：地面暖湿空气→抬升冷却→凝结为大量的云滴→降落成雨降水三要素：水汽、上升运动、冷却凝结按空气抬升形成动力冷却的原因分为4类：对流雨地形雨锋面雨气旋雨流域平均降雨量计算：陆地上的重要水体：地表水、土壤水、地下水下渗：雨水降落到地面后，当地表为透水的土壤时，将有一部分渗入土层，即下渗。下渗的雨水，首先进入包气带，当那里吸收的水量超过它的蓄水能力（称蓄满）时，多余的雨水进入饱水带，成为潜水和地下径流。下渗：大气降水或灌溉水通过土壤表面进入土壤从而改变土壤内水分状况的过程。空间分布不均原因:土壤性质、土壤含水量、降雨的时空分布、地下水位下渗的物理过程初期土壤干燥，入渗过程按水分所受的主要作用力不同及运动特征不同，大致可分为三个阶段：渗润阶段：由于初期土壤干燥，水分主要在分子力作用下,被土壤颗粒吸附而成为结合水（吸湿水和薄膜水）；对干燥土壤，渗润阶段土壤吸力非常大，故起始下渗率很大。当入渗使土壤达最大分子持水量时，进入下一阶段。渗漏阶段：下渗的水主要在毛细管力和重力共同作用下，在土壤孔隙中下，在土壤孔隙中形成不稳定运动，并逐步充填空隙，直到孔隙充满水之前均称为第二阶段。该阶段水呈非饱和运动，有时将渗润阶段和渗漏阶段合称为，并逐步充填空隙，直到孔隙充满水之前均称为第二阶段。该阶段水呈非饱和运动，有时将渗润阶段和渗漏阶段合称为渗漏阶段。下渗能力fp：充分供水条件下的下渗率（mm/h），下渗能力随时程而递减，初期很大，后期逐渐变小最后趋于稳定。渗透阶段：当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下向下运动，属饱和水流运动。这时，下渗率维持稳定，称稳定下渗率。土壤水是指吸附于土粒和存在于土壤孔隙中的水分，按受分子力、毛管力、重力作用的情况分为以下4种形式：吸湿水薄膜水毛管水重力水吸湿水：被分子力紧紧吸附在土粒表面、不能自由移动、也不能为植物利用的土壤水分。薄膜水：被剩余的分子力吸附在吸湿水层外的水膜，可从薄膜厚的地方缓慢地流动到薄膜较薄的地方。毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走。重力水：在重力作用下可以流动的土壤水，是地下水的来源。土壤水分常数最大吸湿水量（吸湿系数）：在饱和空气中，干燥土粒能够吸附的最大水汽量。最大分子持水量：土粒分子力所结合水分的最大量，薄膜水厚度达最大值。凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系的吸力约为15个大气压，对于土粒吸附的吸力大于该值的水分，植物则无法利用。当土壤水分低于这时的含水量时，植物将缺水而凋萎死亡，该土壤含水量称为凋萎含水量。毛管断裂含水量：湿润的土壤逐渐干燥时，毛管悬着水的连续状态开始断裂的土壤含水量。土壤含水量低于该值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸发面运移。田间持水量：土壤中所能保持的最大毛管悬着水量。当超过这一限度时，多余的水分不能被土壤所保持，将以自由重力水的形式向下渗透，补给潜水，形成地下径流。饱和含水量：土壤中的孔隙全部被水充满情况下的土壤含水量。蒸发：水面与土壤表面的水变成水汽的过程。散发（蒸腾）：在植物生长期，水分从植物叶面和枝干逸入大气的过程。蒸散发：自然界水面蒸发、土壤蒸发和植物散发的总称土壤蒸发：土壤水分通过空隙上升和汽化以水汽形式从土壤表面进入大气的过程。流域总蒸发（流域蒸散发）：流域内的水面蒸发、土壤蒸发、植物散发的总称。径流：由降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。其中流出流域出口断面的水流称为河川径流。径流分类按运动场所：地面径流或地表径流、地下径流按降水形式和补给来源：降雨径流、融雪径流径流形成过程：流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程。【降雨过程→扣除损失→净雨过程】→【流域汇流→流量过程】流量Q径流量W径流深R径流模数M径流系数αCV反映年径流量的相对变化的特征值常用变差系数CV(=)表示。CV增大则年径流量的年际变化加剧。某闭合流域，流域面积1000km2，其中水面面积100km2，多年平均降水量1400mm，流域出口断面多年平均流量15m3/s，蒸发器测得多年平均水面蒸发值为2000mm，蒸发器折算系数为0.8，试求多年平均陆面蒸发量。水文测站：是指在河流上或流域内设立的，按一定技术标准经常收集和提供水文要素的各种水文观测现场的总称。水文测站的观测项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水水位等。按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(通常称水文站)、雨量站、蒸发站、地下水观测井等。按目的和作用，水文测站可分为：基本站、专用站、实验站、辅助站水文站网布站原则：通过所设站网采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征值。水位(Waterlevel)：河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面相对某一固定基面的高程，以m计。日平均水位计算方法（1）算术平均法：适用于一日内水位变化缓慢，或水位变化较大，但系等时距人工观测或从自记水位计上摘录情况。（2）面积包围法：适用于一日内水位变化较大，且系不等时距观测或摘录情况。即将当日0~24小时内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得。流量测验步骤：过水断面面积的测量—>流速的测量—>断面流量的计算过水断面测量：布置测深垂线—>测量各测深点的水深—>测定各测深点的横向位置(起点距)—>确定各测深点水位—>绘出过水断面图水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点（断面的起点桩，一般设在左岸）的水平距离（称为起点距），并同时观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。起点距的测定：断面索法、交会法、六分仪船上交会法、GPS流速测量方法：流速仪只能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线（一般在测深垂线中，选择若干条同时兼作测速垂线），在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。积点法测速：是在断面的各条线上将流速仪放在许多不同的水深点处逐点测速，然后计算流速、流量。这是目前最常用的测速方法。积深法：测速不是流速仪停留在某点上测速，而是流速仪沿垂线均匀升降而测得流速。测速垂线上测速点的布置，常有一点式，二点式，三点式和五点式。水文统计的任务：频率计算、相关分析、误差分析重现期：是指某一随机事件在很长时期内平均多长时间出现一次（水文学中常称为“多少年一遇”）。重现期指在很长时期N年内，出现大于某水文变量XP事件的平均重现的间隔期T：T=1/p经验频率曲线绘制步骤：1样本系列X:x1，x2,,, 按从大到小的顺序排列；②用经验频率公式计算系列中各项的频率；③以水文变量X为纵坐标，以经验频率P为横坐标，点绘经验频率点据；④根据点群趋势绘出一条平滑的曲线。根据经验频率曲线，即可在曲线上求得指定频率P的水文变量值XP这样求到的样本经验频率分布是否符合实际？---》不符合，加理论曲线适线法（配线法）：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，是我国估计洪水频率曲线等统计参数的主要方法。洪水：由于流域内降雨或融雪，大量径流汇入河道，导致流量激增、水位上涨的水文现象。水工建筑物的设计洪水标准：正常运用标准——设计洪水：确定水库的设计洪水位、设计泄洪流量等。不超过这种标准的洪水来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态。非常运用标准——校核洪水：确定水库的校核洪水位。这种标准的洪水来临时，水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏，但主要建筑物必须确保安全。设计洪峰、洪量的计算：洪水资料审查、洪峰洪量选样、特大洪水重现期的确定、特大洪水处理方法一、洪水资料审查：三性审查1．可靠性审查2.资料一致性的审查与还原。“一致性”：是指流域产生各年洪水的产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。如果发生了较大的变化，需要将变化后的资料还原到原先天然状态的基础上，以保证抽样的随机性。3.资料代表性的审查与插补延长审查资料代表性的方法：从本地区洪水发生的频次及周期方面进行分析、与邻近流域有较长洪水资料的参证站对比、利用邻近流域较长期降雨资料进行对比三、洪水资料的选样：从现有洪水记录中选取若干洪峰流量或某一历时的洪量组成样本。特大洪水：比系列中一般洪水大得多的洪水,并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期者。2．为什么加入特大洪水？增大样本容量，提高代表性、提高洪水频率计算精度。考虑特大洪水并进行特大值处理，所得计算成果比较稳定合理。特大洪水处理的关键：特大洪水重现期的确定或经验频率的计算。根据资料来源不同，将用以确定特大洪水代表年限有关的年份分为：实测期、调查期和文献考证期。一般将调查期＋文献考证期统称为调查考证期。不连续系列的经验频率计算：独立样本法、统一样本法目估适线法配线准则：尽可能地照顾到点群的趋势，曲线尽量通过点群的中心，当经验点群与曲线不能全部拟合时，应侧重考虑中上部而且精度较好的大洪水的点据；由于历时上特大洪水加入系列进行配线，对确定参数的影响作用较大，但这些资料本身精度较差要慎重对待，因此适线时不能机械通过该点，使曲线对其它点群偏离太大，也不能距该点据太远，应考虑可能的误差范围进行调整；参照本站不同时段及相邻流域洪水特征值统计参数的变动规律进行调整。设计洪峰洪量的合理性检查：①对本站洪峰流量及不同时段洪量的频率计算成果进行对比分析②与上下游洪水频率计算成果进行比较③与邻近的河流的设计洪水分析结果进行比较④千年和万年一遇的洪水可与国内外的相应面积的大洪水记录进行比较设计洪水过程线的推求采用典型洪水放大法。典型洪水放大法：从实测洪水中选出和设计要求相近的洪水过程线作为典型,然后按设计的峰和量将典型洪水过程线放大。关键：如何恰当地选择典型洪水和如何放大。1.典型洪水过程线选择①选择资料完整,精度较高,峰高量大的洪水过程，其洪水特征接近设计条件下的稀遇洪水情况。②具有较好的代表性,在发生季节、地区组成、峰型、主峰位置、洪水历时及峰量关系能代表设计流域大洪水的特性;③选择对防洪运用不利的典型，如峰型比较集中，主峰靠后的洪水过程。④如水库下游有防洪要求，应考虑与下游洪水遭遇的不利典型。2.典型洪水过程线的放大：同倍比放大、同频率放大（看书！）同频率放大法：分别采用不同的倍比对典型过程线的洪峰和洪量进行放大，使放大后的洪峰及洪量分别等于设计洪峰和设计洪量。放大后的过程线的洪峰流量和洪量都符合同一设计频率，称为“峰、量同频率放大”，简称“同频率放大”。优点:求出来的过程线比较符合设计标准缺点:可能与原来的典型相差较远，甚至形状有时也不能符合自然界中河流洪水形成的规律。改善方法:尽量减少放大的层次基本假定：设计暴雨与设计洪水同频率直接法：思路：资料收集与审查→[选样]→每年各历时最大面雨量系列→[频率计算]→各种历时面暴雨量理论频率曲线→[设计频率]→各种历时的设计面雨量设计面暴雨量计算成果的合理性分析：1、对各种