工程水文及水利计算-第2章

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二讲：气象与水文内容2-1气象基本要素2-2水循环与水量平衡2-3河流与流域2-4降水及其观测2-5蒸散发及其观测2-6土壤水、下渗与地下水2-7径流形成过程2-8流域水量平衡重点：（1）水文循环、水量平衡方程；（2）降雨的成因及分类；（3）径流的形成过程§2-1气象基本要素基本概念大气：指围绕着地球的厚层气体。大气圈：指大气所形成的连续圈层。大气过程：指大气圈中存在的各种物理过程，如辐射过程、增温冷却过程、蒸发凝结过程等。气象（天气现象）：指由大气过程所形成的风、云、雨、雪、雾、露、霜、冰等千变万化的物理现象。天气：某地区短时间内大气过程和现象的综合。即短时间内风、云、降水、温度和气压等气象要素连续变化的综合现象。其特点是多变。气候：指某地区多年间常见的和特有的大气过程和现象的综合。大气分层根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为5层。1、对流层：大气的最低层，自地面到8—18km，平均11km。特点——剧烈的垂直对流运动，气温随高度的升高而降低，对人类和地球生物影响最大。2、平流层：从对流层顶到55km高度为平流层。特点——气流以水平运动为主，气温随高度的升高不变或微升，大气透明度良好。(同温层，逆温层26-36km以上)3、中间层：从平流层顶到85km高度为中间层。特点——温度随高度升高迅速降低（因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了）；存在强烈的垂直对流，所以该层又称为高空对流层。4、暖层：从中间层顶到800km高空为暖层。特点——空气稀薄；温度因大气强烈吸收太阳紫外辐射而随高度上升迅速升高；高度电离；常常出现极光。5、散逸层（外层）：800—约3000km的大气层。特点——空气极其稀薄；气温很高，而且随高度升高；地球引力小，高速运动的分子可逃逸至宇宙空间。一、气温：空气冷热程度的物理量，内能的表现1．气温在对流层（高0～18km，集中了90%以上的水汽）的变化（1）太阳辐射使气温随高度增加而递减，0.6℃/100m（2）气块升降运动的气温变化空气块上升，气压下降内能减少，气温下降空气块下沉，气压升高内能增加，气温上升dg——干空气绝热变化温度直减率，1℃/100mmg——饱和空气绝热变化温度直减率。mgdg空气块压缩空气块膨胀二、气压：1.大气的压强=Z高度以上空气的重力总和(－号表示气压随高度增加而降低)hPa=1000达因/cm2=1hPa＝10-2N／cm2。一个大气压=纬度45°处、温度0℃时海平面上的气压，为760毫米水银柱高=1013.2hPa地面气压在980—1040hPa之间变化gdZdp①等压线和等压面：某一水平面上气压相等各点的连线，称为等压线；空间气压相等各点组成的面，称为等压面，它是一个起伏不平的曲面。2.气压场和气压系统②气压场：气压的空间分布称为气压场③气压系统的基本类型：包括低气压、高气压、低压槽、高压脊、鞍（鞍型气压区）等等，统称为气压系统。◆低气压：简称低压，其等压线闭合，中心气压低，等压面向下凹陷如盆地，空气向中心辐合，气流上升；◆高气压：简称高压，其等压线闭合，中心气压高，等压面向上凸出如山丘，空气向四周辐散，气流下沉；高压与低压◆低压槽：简称槽，由低压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。在槽内各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。槽附近空间等压面形如山谷，空气向槽内辐合上升；◆高压脊：简称脊，由高压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较低一方突出的部分。在脊中各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊线附近空间等压面形如山脊，空气向外辐散；◆鞍（鞍型气压区）：两个高压与两个低压相对应的中间区域，其附近空间等压面形状似马鞍。三、风：空气的水平运动，高压→低压——空气的水平运动称为风；空气的垂直运动称为上升气流或下沉气流。地球上大气的运动形式以水平运动最为广泛和持久。——风是矢量，既有风向，又有风速。风向指风的来向，以16个方位或360°方位角表示。风速以m／s或km／h表示；根据风速的大小，可将风力划分为13级（0—12级）。WNENESESWNW蒲福风级（Beaufortscale）由英国海军上将蒲福，于1805年首创的风力分级标准，后逐渐发展成现今通用的风级。23B836.0VＢ为蒲福风级数；Ｖ为风速（m／s）。——这是现今普遍采用的经验公式。气旋：逆时针方向向低压中心辐合反气旋：顺时针方向向外辐散四、湿度：空气中水汽多少的物理量1．水汽压(hPa)饱和水气压：（2-2）E0=6.11hPa——00C清洁水面的水气压(hPa)；t——气温0C2．绝对湿度（g/m3）T——绝对温度0K;e——水气压(hPa)3．露点：空气饱和时，式（2-2）中的t即tdttEE23545.7010Tea2172-2水循环与水量平衡1、自然界的水循环地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中,这些水体构成了地球的水圈。水循环的概念水圈中的各种水体通过这种不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程,称为水文循环,也称为水循环。大循环、小循环水文循环示意图2-2水循环与水量平衡1、自然界的水循环大循环（外循环），海陆之间的水循环小循环（内循环），陆地的或海洋上的循环原因内因：水的三态转化外因：太阳的能量、地球的重力影响着地球表层结构的形成、演化和发展。改变了地表太阳辐射能的纬度地带性，在全球尺度下进行高低纬、海陆间的热量在分配。是海陆间的联系的纽带。水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使水资源成为可再生资源，水循环强弱的时空变化，是制约一个地区生态平衡和可持续发展的关键。水循环的意义2-2水循环与水量平衡1、自然界的水循环作用：不断再生的水资源在水文循环过程中,对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量,这就是水量平衡原理。根据水量平衡原理,可列出水量平衡方程。对某一区域,有式(2-1)：I-O=△S(2-1)式中I、O--给定时段内输入、输出该区域的总水量;△S--时段内区域蓄水量的变化量,可正可负。2-2水循环与水量平衡2、地球上的水量平衡就研究范围而言，整个大陆水量平衡方程式(2-2)：PC-R-EC=△SC(2-2)海洋水量平衡方程式(2,3)：PO+R-EO=△SO(2-3)式中PC、PO-大陆和海洋上的降水量;EC、EO-大陆和海洋上的蒸发量;R--流入海洋的径流量(包括地面和地下径流量)；△SC、△SO--大陆和海洋上在研究时段内蓄水量的变化量。2-2水循环与水量平衡2、地球上的水量平衡多年平均n→∞nS/D→02-3河流与流域1、河流2-3河流与流域1、河流2-3河流与流域1、河流2-3河流与流域1、河流降落到地面的雨水，除下渗、蒸发等损失外，在重力的作用下沿着-定的方向和路径流动，这种水流称为地面径流。地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。河谷：河流流经的谷地称为河谷。河床或河槽：河谷底部有水流的部分称为河床或河槽。河流的形成与分段2-3河流与流域1、河流左岸、右岸：面向下游，左边的河岸称为左岸，右边的河岸称为右岸。河流是水文循环的一条主要路径。地球上的各种水体中，河流的水面面积和水量最小，但它和人类的关系却最为密切。长江在湖北省宜昌市以上为上游，水急滩多；宜昌至江西省湖口间为中游，曲流发达，多湖泊（鄱阳、洞庭两湖最大）；湖口以下为下游，江宽，江口有冲积而成的崇明岛。河流的形成与分段2-3河流与流域1、河流一条河流沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等。上游紧接河源，多处于深山峡谷中，坡陡流急，河谷下切强烈，常有急滩或瀑布。河流的形成与分段2-3河流与流域1、河流中游河段坡度渐缓，河槽变宽，两岸常有滩地，冲淤变化不明显，河床较稳定。下游是河流的最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，河床坡度和流速都较小，淤积明显，浅滩和河湾较多。河口是河流的终点，即河流注入海洋或内陆湖泊的地方。这一段因流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三角洲。注入海洋的河流，称为外流河，如长江、黄河等；流入内陆湖泊或消失于沙漠中的河流，称为内流河或内陆河，如新疆的塔里木河和青海的格尔木河等。河流的形成与分段2-3河流与流域1、河流河流长度：自河源沿主河道至河口的距离称为河流长度，简称河长，以km计。可在适当比例尺的地形图上量的。河流断面有横断面和纵断面。垂直于水流方向的断面称为横断面,简称断面。河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线称为中泓线。沿中泓线的断面称为河流的纵断面。河流的基本特征2-3河流与流域1、河流河流的基本特征2-3河流与流域1、河流河道纵比降：任意河段两端(水面或河底)的高差△h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降，简称比降，用小数或千分数表示。lhlhhJlD02012211102)(......)()(LLhlhhlhhlhhJnnn河流的基本特征2-3河流与流域1、河流河网密度：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值称为河网密度，以Km/km2计。河流的基本特征2-3河流与流域1、河流脉络相通的大小河流所构成的系统称为水系、河系或河网。水系中直接流入海洋、湖泊的河流称为干流,流人干流的河流称为支流。为了区别干支流,常采用斯特拉勒(Strahler)河流分级法进行分级。该法可表述为:①直接发源于河源的小河流为一级河流；②两条同级别的河流汇合而成的河流级别比原来高一级；③两条不同级别的河流汇合而成的河流的级别为两条河流中的较高者。以此类推至干流，干流是水系中最高级别的河流。2-3河流与流域2、水系与流域水系人们发现，自然界的水系在发育过程中遵循一定的规律，并归纳成一些河流地貌定律，如霍顿（Horton）提出的河数律、河长律、面积律和河流比降律等。2-3河流与流域2、水系与流域水系流域：汇集地面水和地下水的区域称为流域，也就是分水线包围的区域。岔巴沟2-3河流与流域2、水系与流域流域流域：河流某一断面的集水（来水）区域，如下图，包括地面的和地下的分水线地面集水区地下集水区闭合流域非闭合流域PEcEbRr流域分水线rRRgWgR不透水层流域示意图分水线有地面、地下之分。闭合流域：当地面分水线与地下分水线相重合，称为闭合流域，否则为不闭合流域。2-3河流与流域2、水系与流域流域流域面积：流域分水线包围区域的平面投影面积,称为流域面积，记为F，以km2计。可在适当比例尺的地形图上勾绘出流域分水线，量出其流域面积。流域长度：流域长度就是流域轴长。以流域出口为中心向河源方向作一组不同半径的同心圆，在每个圆与流域分水线相交处作割线，各割线中点的连线的长度即为流域的长度，以km计。流域平均宽度：流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度，以km计。2-3河流与流域2、水系与流域流域的基本特征流域形状系数：流域平均宽度与流域长度之比称为流域形状系数。扇形流域的形状系数较大，狭长形流域则较小，所以流域形状系数在一定程度上以定量的方式反映流域的形状。流域平均高度和坡度：将流域地形图划分为100个以上的正方格，依次定出每个方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡度，取其平均值即为流域的平均高度和平均坡度。流域的自然地理特征：包括流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等。2-3河流与流域2、水系与流域流域的基本特征降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象