水利水电工程基础知识

水利水电工程基础知识§1水文学的基本知识1.1自然界水的循环及水量平衡自然界的水，分别存在于以下三个方面:1）地球表面(地表水)如海洋、河流、湖泊、冰川等2）地表以下（地下水）如暗河、暗湖、土壤岩石空隙中的水等2/69§1水文学的基本知识3）大气中地表的水，由于受到太阳辐射热的作用，会蒸发上升到大气中，与大气中的水分一起，在一定的条件下，又凝结成降水（含降雨、降雪等）回到地表（含陆地、海洋、河流等）。回到地表的水，一部分又蒸发，另一部分则经各级沟涧江河汇人海洋。这种周而复始地运行过程，称为水循环。3/69§1水文学的基本知识4/69§1水文学的基本知识4水汽输送1蒸发5降水3蒸发6降水8植物蒸腾湖9地表径流10地下径流海洋2蒸发7降水5/691.自然界的水分循环水的大循环水的小循环降雨到达地表后，一部分雨水沿地表坡面流动，汇注入河道成为地面径流；另一部分雨水渗入地下，它除增加土壤含水量外，还可能有一部分水以渗流方式补给河道，形成地下径流（地面径流与地下径流之和称河川径流）；第三部分水又蒸发上升到大气中。§1水文学的基本知识6/69（3）凝结与降水过程（4）地表径流、水的下渗及地下径流水循环的过程（1）水的蒸发作用（2）水汽流动§1水文学的基本知识7/69§1水文学的基本知识从海洋蒸发的水分中，一部分随大气运行到陆地上空，凝结成为降水而降至陆地。降至陆地的水中，一部分在陆地上蒸发上升入大气中，另一部分则如前所述形成径流，并最后又重返回至海洋。这个过程称为水的大循环。局部性的水的小循环，例如：降至陆地上的水，在没回到海洋之前，又被蒸发到空中，重又凝结成为降水而降至陆地上；陆地上有一部分地区，陆上的河流并不汇人海洋，而是汇人内陆湖泊（如青海湖水系、罗布泊水系等）。8/69§1水文学的基本知识（2）迁移交换作用（3）平衡更新作用（4）影响塑造作用水循环的意义（1）联系调节作用9/69§1水文学的基本知识自然界的水量平衡海洋的水量平衡方程式为：000YXZss陆地的水量平衡方程式为：000YXZcc地球上总的蒸发量与总的降水量的多年平均值是相等的自然界（全地球）的水量平衡方程式：cscsXXZZ0000csZZ00、海洋、陆地的多年平均蒸发量，csXX00、海洋、陆地的多年平均降水量0Y汇人海洋之河川多年平均径流量10/69§1水文学的基本知识3.水文现象及水文学*自然界各种水体的变化现象称为水文现象*研究自然界各种水体的变化规律的学科叫水文学海洋水文学陆地水文学河川水文学工程水文学水文测验学水文地质学11/691.2河流的水文特性§1水文学的基本知识1.河流的流域及水系流域的气象条件地形及地质条件土壤植被条件流域的几何特征等对河流的水文特性有着重大的影响12/69§1水文学的基本知识河道的纵横断面河道横断面是指垂直于河道水流方向所切取出来的断面，其在河道水位以下的部分称为过水断面。沿河道纵向之最大水深线切取一断面，并将其拉直即得河道纵断面。河段首尾的水面高差称落差，此落差与其河段长的比值称河段的纵比降。13/69§1水文学的基本知识3.河渠的流速、流量及水位在水利水电工程上，常把人工水道称为渠道，而把一般的天然水道称之为天然河道。流速的一般分布规律是：近河底和河岸处较小，近河心主流处（即河渠的中泓线处）较大。（1）流速14/69§1水文学的基本知识均匀流：均匀流时的断面平均流速可用以下的谢才公式来计算RiCC常用下述的曼宁公式计算6/11RnCC—谢才系数；i——河渠的水面比降；RxR/——水力半径，——河渠的过水断面积，m2；x——湿周，即河渠横断面中与水接触的周界长度，m；n——糙率，亦称糙率系数式中15/69§1水文学的基本知识16/69§1水文学的基本知识（2）流量及水位单位时间内流过某过水断面的水的体积称为流量常用单位为米3/秒(m3/s)RiCQQ——流量，m3/s17/69§1水文学的基本知识18/69§1水文学的基本知识4.河渠的泥沙河渠中的泥沙由于在不停的随水流下移，因此，河渠存在一个固体径流问题。河渠中的泥沙常被分为两类：悬浮于水中者称浮沙或悬移质；沿河底滚动者称底沙或推移质。19/69§1水文学的基本知识5.河川的径流*河川径流是指在河川中流动的水流*年径流量是指一年内通过河流某一横断面的水量*年径流量接近多年平均年径流量的年份称平水年*径流量较大和较小的年份，分别称丰水年和枯水年*丰水年的径流量可达平水年的2～3倍*枯水年的径流量可小至平水年的0.1～0.2倍20/69§1水文学的基本知识6.河流的洪水一次洪水的流量最大值称为洪峰流量mQ确定河川各种设计洪水的方法，是水文学的主要内容之一21/69§1水文学的基本知识1.3水文统计的若干基本知识1.频率P%1001nmP重现期T研究暴雨及洪水时PT/1研究灌溉、发电、供水)1/(1PT22/69§1水文学的基本知识3.常用的几个水文统计参数1．算术平均值x加权平均值加x3．均方差4．变差系数VC5．偏差系数Csniixnx1111niiixxfn1)(12nxxnii/VCx313(/1)(3)niiSVxxCnC23/69§2水利水电规划1河川径流调节河流的来水是极为不均匀的，所以河川径流存在着一个径流调节的问题。即按人们的需要，利用水库来控制径流并重新分配径流的问题。1.河川径流调节的类型（1）年调节：年调节就是将洪水时期（平常称汛期）用不完的多余水量存蓄在水库中，待枯水期用。年内全部来水量完全按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节，称为完全年调节；发生弃水的年调节称为不完全年调节或季调节。24/69§2水利水电规划（2）多年调节：（3）日调节：多年调节是把丰水年的多余水量存蓄于水库中，待枯水年时用的一种调节。多年调节由于要求的库容巨大，效益也相对较小，所以比较少见。日调节是在一昼夜内把来水按需要进行重新分配的一种调节。例如，水力发电的用水量是随其发电量的大小而变的，因此其用水量是不断变化的（晚上12时以前是高峰，后半夜则是其低谷），对水力发电来讲进行日调节常常是非常必要的。25/69§2水利水电规划水库的特征水位及其库容26/69§2水利水电规划1（1）水库正常运用情况下，允许库水消落的最低水位称死水位（)死V死水位以下的库容称死库容（)死库容不参与径流调节，其中的蓄水一般不动用。（2）水库正常运用情况下，在设计枯水年，为满足兴利要求开始供水时，水库应蓄到的水位称正常蓄水位，又称正常挡水位或设计兴利水位该水位至死水位间的水库深度称消落深度或工作深度。3水库正常蓄水位与死水位间的库容称兴利库容或调节库容兴V与多年平均年径流量之比称库容系数一般可进行年调节的水库，其值约为0.08～0.30。兴V27/69§2水利水电规划（3）水库在汛期，允许兴利蓄水的上限水位，称防洪限制水位2对汛期的不同时期，可以根据洪水特性和防洪要求的不同，规定出不同的防洪限制水位。对于有防洪要求的水库，一般防洪限制水位低于正常蓄水位，其间的库容是兼作兴利和防洪用的共用库容共V（4）遇水库下游防洪对象的设计洪水时，水库应拦蓄洪水以减小下泄流量这时水库中的最高蓄水位，称为防洪高水位4该水位与防洪限制水位间的库容称为防洪库容V防洪28/69§2水利水电规划（5）遇拦河坝的设计洪水和校核洪水时，水库中的相应最高蓄水位，称为设计洪水位▽5和校核洪水位▽6它们与防洪限制水位间的库容，分别称为拦洪库容V拦和调洪库容V调洪（6）校核洪水位以下的全部静库容称为总库容V总总库容是确定工程重要性及工程规模等级的重要指标总库容与死库容之差称有效库容V效29/69§2水利水电规划30/69§2水利水电规划3.水库的动库容静库容是假定库水面为水平时所算得的库容水库水面由坝址起沿流上溯呈回水曲线，越向上游水面越上翘，直至与河道天然水面平顺相切交为止某一坝前水位所相应的库容（即动库容）为上述静库容与相应附加容积之和。对于较小的山谷水库，较大洪水时，由于回水所形成的这种附加容积将是很显著的。31/69§2水利水电规划2河流规划1.开发治理方针和任务的确定欲确定拟规划河流的开发治理方针和任务，首先应通过广泛地调查研究，查明流域的自然情况和社会经济情况，以摸清流域特点和国民经济各部门对开发治理该河流的要求，然后才能提出并研究确定编制河流流域规划的方针和任务。（1）对水土流失严重的干旱地区（例如黄土高原）的中小河流，应以水土保持和发展灌溉为重点，兼顾防洪、发电、渔业、供水，同时对治涝防碱、航运等也应结合给以考虑。32/69§2水利水电规划（2）对山低坡缓、耕地连片、土地潜力大，但水源缺乏的丘陵山区的河流，应以灌溉为主进行开发：兴建水库蓄水、塘库连串，以充分利用当地径流，或兼由邻近流域引水以补充本流域水源不足的问题；此外，还应因地制宜地开展机电提灌，以解决地势较高区农田的用水问题。（3）对山高坡陡、河谷窄狭、耕地稀少、落差集中的上游河段，应以发电为主：一方面利用天然落差大的优势，多建引水式中小型水电站；另一方面要选择合宜地点建库发电，以同时收到加大水库以下各引水式电站发电量和解决水库下游的防洪、灌溉、航运、供水等问题的效益。（4）对于平原地区的河流，应以防洪、治涝防碱、航运为重点，兼顾灌溉、供水、渔业等方面的要求。33/69§2水利水电规划制定综合利用规划方案这种规划方案，从范围来看，包括全流域各部位、各阶段除害兴利的工程措施规划；从专业来看，包括防洪、治涝、灌溉、水土保持、水力发电、供水、航运、渔业、环境保护等的规划；从时间来看，包括近期和远景规划。因此综合利用规划涉及的内容是广泛而复杂的，一般在制定规划时应注意遵循下述原则。（1）对流域的治理和开发，一定要综合利用、综合治理、综合平衡。力求做到水利、动能和土地资源的综合利用，而且还要力求使每一项工程措施也要综合利用；综合治理是指治山、治水、治沙、治碱等的统一考虑，合理解决，此外还应注意上中下游统一考虑，大中小工程相结合的问题；综合平衡是指力争做到建筑材料、资金、设备和劳动力的需要与可能之间的综合平衡，以求达到耗费小、效益大、经济效果好。34/69§2水利水电规划（2）妥善协调各部门的不同要求。这是规划中的棘手问题。要求各有关部门要有全局观念，规划要明确轻重缓急，以力求使国民经济总的效益最大为原则。（3）在拟定规划时，要有发展的观点。不仅要看到目前的经济形势，还应预计到将来经济发展的需要。此外，还应看到邻近其它流域国民经济发展的要求。（4）在流域规划中，一般应以小型工程为基础，大中型工程为骨干。在河流上中下游及其主要支流上，一般应因地制宜地安排若干大中型工程作为控制性的工程，综合解决防洪、发电、灌溉、航运、供水等方面的问题。35/69§3水工建筑物3.1水工建筑物的类型水利水电工程中，通常需要修建一些建筑物，用来挡水、泄水、输水、排沙等，以便达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等的目的。这些建筑物称为水工建筑物。水工建筑物依其作用的不同，可以分为：①一般性的水工建筑物，这是指服务于水利事业若干个部门的一类建筑物；②专门性的水工建筑物，这是指服务于水利事业少数一两个部门的一类建筑物，例如专为发电用的调压井等。36/69§3水工建筑物1.档水建筑物（1）坝：坝是一种垂直于水流方向拦挡水流的建筑物，因此亦常称为拦河坝。它是水利水电工程中用的较多、造价也较高的一种建筑物。坝又常分为以下几类。37/69§3水工建筑物1）按筑坝材料来分有◆当地材料坝，包括土坝、堆石坝、干砌石坝、土石混合坝等◆非当地材料坝，包括混凝土坝、钢筋混凝土坝、浆砌石坝、橡胶坝等2）按坝的构造特征来分有◆重力坝，这是靠自重来维持稳定的一种坝◆拱坝，这是靠拱形的坝身、把巨大的水平水压力传至河谷两岸的一种坝◆支墩坝，这是把水压力经过挡水面板传至支墩，而后再传至地基的一种坝，如平板坝、连拱坝、大头坝等◆混合结构坝，属于这一种的有拱形重力坝等38/69§3水工建筑物39/69§3水工建筑物图片名称：猫跳河红岩