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工程水文及水利计算王俊奇可再生能源学院水利水电工程教研室提纲第一章绪论第二章气象与水文第三章水文观测及其资料收集第四章水文统计基本原理与方法第五章年径流分析与计算第六章水文过程随机模拟第七章由流量资料推求洪水第八章流域产汇流计算第九章由暴雨资料推求设计洪水第十章河流泥沙计算第十一章水文预报第十二章水库兴利调节计算第十三章水库防洪计算第十四章水库调度第1章目录1-1研究对象、内容及在国民经济中作用1-2水文现象基本规律及其研究方法1-3中国的水资源1-4水文学及我国水文事业发展1-5学习指导一、工程水文及水利计算的研究内容1.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。从水文学的研究对象来看,水文学是地球物理科学的一部分。1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论（1）（2）分类：按各种水体存在形式水文气象学陆地水文学：河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学海洋水文学（3）内容①水文循环及径流形成规律②水资源分布③水体的物理、化学特性④水体对生态、环境的影响2、工程水文工程水文学的主要内容为水文测验、水文分析计算和水文预报，其中水文测验和水文预报现已成为一门独立的学科。进入20世纪特别是第一次世界大战以后,大量兴起的防洪、灌溉、水力发电、航运工程、铁路、桥梁和农业、林业及城市建设,向水文科学提出了许多新课题。解决这些新课题的方法也由经验的、零碎的知识逐渐理论化和系统化,水文科学的应用特色也逐渐显现出来,并率先形成最重要的分支学科一一工程水文学。1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论水文计算的主要任务是确定工程的规模。规模过大,造成工程投资上的浪费;过小,又使水资源不能充分利用,也是一种浪费。对于防洪措施如标准过低,还可能导致工程失事,造成工程本身和下游人民生命财产的巨大损失。在多沙河流兴建水利工程还需估算蓄水引水工程的泥沙淤积量,以便考虑延长工程寿命的措施。水利工程的使用期限一般为几十年甚至百年以上,规划设计时,必须知道控制水体在使用期间的水文情势。水文计算就是研究这类问题的学科。每一水利工程在其实施过程中,都可划分为规划设计、施工及管理运营三个阶段。规划设计阶段1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用其任务即将规划设计的工程付诸实施。因而在施工期间必须对水文情势有所了解。水利工程工期一般较长,往往需要一个季度甚至长达几年。对水文情势的了解应包括两个方面:施工阶段一是为了临时性建筑物如围堰、引水隧洞或渠道等,提供长期(如整个施工期之内)的水文预告（天然来水情势）,而通常的水文和气象预报,往往不能提供如此长期的预报,仍需通过水文计算来解决这个问题。另一方面,为了安排日常工作也必须了解近期更为确切的水情,这就需要提供短期(如几天之内)的水文预告。水文预报是为解决这一类问题服务的。1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用其主要任务在于使建成的工程充分发挥作用。为此需要未来一定时期的水文情况,以便确定最经济合理的调度方案。此时需要由水文分析得到的长期平均情势结合水文预报的短期水情,从而提出最佳的调度运用方案。水文复核、水文预报、优化调度管理运营阶段1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用水文计算为第一个环节,其输入为基本水文气象资料,输出是当地可能出现的水文情势。水文计算的输出则是后继环节一一水利计算的输入;规划设计水利工程大体可分为两大环节：水利计算由当地的水文情势、自然情况和国民经济对水资源开发的需求,研究各种设计方案的经济效益,从中选出最优方案,如图1-1所示。二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论规划设计水利工程大体可分为两大环节：二、工程水文及水利计算在工程建设与管理中的作用1-1研究对象、内容及在国民经济中作用第1讲绪论周期性水文现象的基本规律0100020003000400050006000195619571958195919601961196219631964196519661967196819691970197119721973197419751976197719781979198019811982198319841985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000月平均流量(m3/s)0100200300400500月降水(mm)面雨量（兰州）计算流量（兰州）兰州兰州(还原后)黄河兰州站月（降水、径流）系列一、基本规律1-2水文现象基本规律及其研究方法第1讲绪论1.水文现象的确定性规律——成因规律水文现象的发生都有其客观的原因和具体的形成条件——因果关系。例如径流的丰枯变化（周期性），降雨径流关系等。随机性水文现象的基本规律一、基本规律1-2水文现象基本规律及其研究方法第1讲绪论2.水文现象的随机性规律——统计规律水文现象又受偶然因素的影响，在一定程度上表现出非确定性——随机性。例如河流某断面每年出现最大洪峰流量的大小和出现的时间。地区性水文现象的基本规律一、基本规律1-2水文现象基本规律及其研究方法第1讲绪论3.水文现象的地区性规律气候因素的地区性规律对水文现象的影响。例如我国河川径流量的分布受降雨量分布的影响，呈现出自东南沿海向西北内陆逐渐减少的地区性规律。它综合反映了确定性和随机性规律。成因分析法数理统计法地理综合法水文现象异常复杂,不易完全了解。但通常可以借系统概念作简化处理。所谓系统,是由许多互相关联部分组成的总体。系统大的可以包括整个地球水循环,小的可以只涉及地球上的一个小部分(如流域)面积上的几个水文过程。研究方法二、工程水文及水利计算的研究方法1-2水文现象基本规律及其研究方法第1讲绪论1.成因分析法利用水文现象的确定性规律来解决水文问题。通过观测资料和实验资料研究，建立水文现象与其影响因素之间的定量关系。在水文现象基本分析和水文预报中应用广泛。2.数理统计法根据水文现象的随机性，以概率论为基础，运用数理统计方法，可以求取长期水文特征值系列的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的设计水文特征值。在水文计算中运用广泛。3.地区综合法根据气候要素和其它地理要素的地区性规律，可以按地区研究受其影响的某些水文特征值的地区变化规律，绘制成等值线或建立地区经验公式，利用它们可以求出资料短缺地区的水文特征值。1-3-1地球上的水资源第1讲绪论1-3-1地球上的水资源第1讲绪论总量约为13.86亿km3海洋96.5%陆地3.5%1、地球上各种水体的数量与分布水体海洋水96.5%地表水冰川与冰盖湖泊水沼泽水河流水地下水重力水地下冰土壤水大气水生物水湖泊、河流、土壤中的淡水约占0.316%1-3-1地球上的水资源第1讲绪论1、地球上各种水体的数量与分布1-3-1地球上的水资源第1讲绪论20世纪70～80年代，联合国教科文组织和世界气象组织共同提出了水资源的涵义，并被广泛采纳，即“水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这种水源应当具有足够的数量和可用的质量，并在某一地点为满足某种用途而得到利用”。有效水资源：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、江河径流量和浅层地下水的淡水量。降水可以直接为人类利用，同时，它又是江河径流和浅层地下淡水的来源。2、水资源1-3-1地球上的水资源第1讲绪论从数量上看，降水量和江河径流量都处于动态变化之中，在各年之间和年内各月之间水量都不均衡。与煤、石油等矿产资源不同，水资源数量具有可更新补充的特点。水资源包括水量、水质、水能和水域。2、水资源1-3-1地球上的水资源第1讲绪论人类最有实用价值的水量资源是陆地上每年可以更新的降水量、江河径流量和地下水的淡水量。2、水资源1-3-1地球上的水资源第1讲绪论水域资源是水资源的一个组成部分，人类利用水域资源可发展渔业、养殖业、航运业和旅游业。2、水资源1-3-1地球上的水资源第1讲绪论水能指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。水能是一种可再生能源。1-3-2中国的水资源第1讲绪论一级区（流域片）二级区（流域）三级区（水系、河段）1080214中国的水资源第1讲绪论松花江区：包括松花江流域以及黑龙江、乌苏里江、图们江、绥芬河等跨界河流中国境内部分；辽河区：包括辽河流域、辽宁沿海诸河以及鸭绿江中国境内部分；海河区：包括海河流域、滦河流域及冀东沿海地区；黄河区；淮河区：包括淮河流域及山东沿海诸河地区；西北诸河区：包括塔里木河等西北内陆河以及额尔齐斯河、伊犁河等跨界河流中国境内部分。1-3-2中国的水资源第1讲绪论长江区：含太湖流域；东南诸河区：包括钱塘江、浙东诸河、浙南诸河、闽东诸河、闽江、闽南诸河及台澎金马诸河；珠江区：包括珠江流域、华南沿海诸河、海南岛及南海各岛诸河；西南诸河区：包括红河、澜沧江、怒江、伊洛瓦底江、雅鲁藏布江等跨界河流中国境内部分以及藏南、藏西诸河地区。1、水资源的数量降水量根据我国第1次水资源调查评价结果，我国多年平均年降水总量为61889亿m3，折合年降水深为648mm，小于全球陆地多年平均年降水深（800mm）。1-3-2中国的水资源第1讲绪论6481130800740020040060080010001200中国全球陆地亚洲多年平均降水深（mm）2006年降水总量为61889亿m3——、水资源的数量指江河、湖泊、冰川等地表水体的动态水量，即天然江河径流量。全国多年平均年径流总量为27115亿m3，折合年径流深为284mm，小于全球多年平均江河年径流深（315mm）。地表水资源量1-3-2中国的水资源第1讲绪论地下水资源量指降水入渗和地表水体（含河道、湖泊、水库、渠系和渠灌田间）渗漏到地下含水层的补给量。全国多年平均地下水资源量为8288亿m3。由于地表水和地下水相互联系又相互转化，故不能将江河径流量与地下水资源量直接相加作为水资源总量，而应扣除相互转化的重复水量。重复水量约为7299亿m3。全国多年平均水资源总量为28124亿m3，其中地表水资源占96.4%，地下水资源占3.6%。水资源总量1-3-2中国的水资源第1讲绪论1、水资源的数量总量不算少，但人均水量低我国水资源量与世界各国比较，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国及印尼,居世界第六位。但因为人口众多，人均占有2400m3，只有世界人均占有量的1/4，排在世界百位以后。耕地平均分摊水量只有世界平均数的3/4。南部和东南沿海平均年降水量大于1600mm。台湾省的平均年降水量为2540mm,是全国最湿润地区。华北和东北年降水量为400～800mm。西北的大部地区,只有200～400mm。一些沙漠边缘地区少于100mm。地区上分布极不均匀1-3-2中国的水资源第1讲绪论2、水资源的特点1-3-2中国的水资源第1讲绪论2、水资源的特点1-3-2中国的水资源第1讲绪论2、水资源的特点与耕地、人口的分布不相匹配南方水资源总量81.0%人口54.6%耕地面积39.7%人均水资源量3300m3单位耕地水资源量2924m3/hm2北方水资源总量14.4%人口43.3%耕地面积54.9%人均水资源量740m3单位耕地水资源量376m3/hm21-3-2中国的水资源第1讲绪论2、水资源的特点年内、年际变化大常用连续最大4个月降水量占全年降水量的百分数来表示降水的年内分配，百分数越大，表示年降水年内变化越大。长江