工程水文及水利計算-第1講課件

提綱,第一章緒論第二章氣象與水文第三章水文觀測及其資料收集第四章水文統(tǒng)計基本原理與方法第五章年徑流分析與計算第六章水文過程隨機模擬第七章由流量資料推求洪水第八章流域產(chǎn)匯流計算第九章由暴雨資料推求設計洪水第十章河流泥沙計算第十一章水文預報第十二章水庫興利調節(jié)計算第十三章水庫防洪計算第十四章水庫調度,第1章目錄,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用1-2水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法1-3中國的水資源1-4水文學及我國水文事業(yè)發(fā)展1-5學習指導,一、工程水文及水利計算的研究內容,1.水文學：研究自然界各種水體（大氣水、地表水、地下水）的存在、分布、循環(huán)、物理化學性質及其環(huán)境因素的變化規(guī)律，預測、預報各水文現(xiàn)象（如降水、水位、流量、水質等）的變化情勢。從水文學的研究對象來看,水文學是地球物理科學的一部分。,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,（1）,（2）分類：按各種水體存在形式水文氣象學陸地水文學：河流水文學、湖泊水文學、冰川水文學、地下水文學海洋水文學（3）內容水文循環(huán)及徑流形成規(guī)律水資源分布水體的物理、化學特性水體對生態(tài)、環(huán)境的影響,2、工程水文,工程水文學的主要內容為水文測驗、水文分析計算和水文預報，其中水文測驗和水文預報現(xiàn)已成為一門獨立的學科。,進入20世紀特別是第一次世界大戰(zhàn)以后,大量興起的防洪、灌溉、水力發(fā)電、航運工程、鐵路、橋梁和農(nóng)業(yè)、林業(yè)及城市建設,向水文科學提出了許多新課題。解決這些新課題的方法也由經(jīng)驗的、零碎的知識逐漸理論化和系統(tǒng)化,水文科學的應用特色也逐漸顯現(xiàn)出來,并率先形成最重要的分支學科一一工程水文學。,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,水文計算的主要任務是確定工程的規(guī)模。規(guī)模過大,造成工程投資上的浪費;過小,又使水資源不能充分利用,也是一種浪費。對于防洪措施如標準過低,還可能導致工程失事,造成工程本身和下游人民生命財產(chǎn)的巨大損失。在多沙河流興建水利工程還需估算蓄水引水工程的泥沙淤積量,以便考慮延長工程壽命的措施。水利工程的使用期限一般為幾十年甚至百年以上,規(guī)劃設計時,必須知道控制水體在使用期間的水文情勢。水文計算就是研究這類問題的學科。,每一水利工程在其實施過程中,都可劃分為規(guī)劃設計、施工及管理運營三個階段。,規(guī)劃設計階段,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,二、工程水文及水利計算在工程建設與管理中的作用,其任務即將規(guī)劃設計的工程付諸實施。因而在施工期間必須對水文情勢有所了解。水利工程工期一般較長,往往需要一個季度甚至長達幾年。對水文情勢的了解應包括兩個方面:,施工階段,一是為了臨時性建筑物如圍堰、引水隧洞或渠道等,提供長期(如整個施工期之內)的水文預告（天然來水情勢）,而通常的水文和氣象預報,往往不能提供如此長期的預報,仍需通過水文計算來解決這個問題。,另一方面,為了安排日常工作也必須了解近期更為確切的水情,這就需要提供短期(如幾天之內)的水文預告。水文預報是為解決這一類問題服務的。,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,二、工程水文及水利計算在工程建設與管理中的作用,其主要任務在于使建成的工程充分發(fā)揮作用。為此需要未來一定時期的水文情況,以便確定最經(jīng)濟合理的調度方案。此時需要由水文分析得到的長期平均情勢結合水文預報的短期水情,從而提出最佳的調度運用方案。水文復核、水文預報、優(yōu)化調度,管理運營階段,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,二、工程水文及水利計算在工程建設與管理中的作用,水文計算為第一個環(huán)節(jié),其輸入為基本水文氣象資料,輸出是當?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的水文情勢。水文計算的輸出則是后繼環(huán)節(jié)一一水利計算的輸入;,規(guī)劃設計水利工程大體可分為兩大環(huán)節(jié)：,水利計算由當?shù)氐乃那閯?、自然情況和國民經(jīng)濟對水資源開發(fā)的需求,研究各種設計方案的經(jīng)濟效益,從中選出最優(yōu)方案,如圖1-1所示。,二、工程水文及水利計算在工程建設與管理中的作用,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,規(guī)劃設計水利工程大體可分為兩大環(huán)節(jié)：,二、工程水文及水利計算在工程建設與管理中的作用,1-1研究對象、內容及在國民經(jīng)濟中作用,第1講緒論,周期性,水文現(xiàn)象的基本規(guī)律,黃河蘭州站月（降水、徑流）系列,一、基本規(guī)律,1-2水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法,第1講緒論,1.水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律成因規(guī)律水文現(xiàn)象的發(fā)生都有其客觀的原因和具體的形成條件因果關系。例如徑流的豐枯變化（周期性），降雨徑流關系等。,隨機性,水文現(xiàn)象的基本規(guī)律,一、基本規(guī)律,1-2水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法,第1講緒論,2.水文現(xiàn)象的隨機性規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律水文現(xiàn)象又受偶然因素的影響，在一定程度上表現(xiàn)出非確定性隨機性。例如河流某斷面每年出現(xiàn)最大洪峰流量的大小和出現(xiàn)的時間。,地區(qū)性,水文現(xiàn)象的基本規(guī)律,一、基本規(guī)律,1-2水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法,第1講緒論,3.水文現(xiàn)象的地區(qū)性規(guī)律氣候因素的地區(qū)性規(guī)律對水文現(xiàn)象的影響。例如我國河川徑流量的分布受降雨量分布的影響，呈現(xiàn)出自東南沿海向西北內陸逐漸減少的地區(qū)性規(guī)律。它綜合反映了確定性和隨機性規(guī)律。,成因分析法,數(shù)理統(tǒng)計法,地理綜合法,水文現(xiàn)象異常復雜,不易完全了解。但通常可以借系統(tǒng)概念作簡化處理。所謂系統(tǒng),是由許多互相關聯(lián)部分組成的總體。系統(tǒng)大的可以包括整個地球水循環(huán),小的可以只涉及地球上的一個小部分(如流域)面積上的幾個水文過程。,研究方法,二、工程水文及水利計算的研究方法,1-2水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法,第1講緒論,1.成因分析法利用水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律來解決水文問題。通過觀測資料和實驗資料研究，建立水文現(xiàn)象與其影響因素之間的定量關系。在水文現(xiàn)象基本分析和水文預報中應用廣泛。,2.數(shù)理統(tǒng)計法根據(jù)水文現(xiàn)象的隨機性，以概率論為基礎，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，可以求取長期水文特征值系列的概率分布，從而得出工程規(guī)劃設計所需要的設計水文特征值。在水文計算中運用廣泛。,3.地區(qū)綜合法根據(jù)氣候要素和其它地理要素的地區(qū)性規(guī)律，可以按地區(qū)研究受其影響的某些水文特征值的地區(qū)變化規(guī)律，繪制成等值線或建立地區(qū)經(jīng)驗公式，利用它們可以求出資料短缺地區(qū)的水文特征值。,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,海洋96.5%陸地3.5%,1、地球上各種水體的數(shù)量與分布,水體,海洋水,96.5%,地表水,冰川與冰蓋湖泊水沼澤水河流水,地下水,重力水地下冰,土壤水,大氣水,生物水,湖泊、河流、土壤中的淡水約占0.316%,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,1、地球上各種水體的數(shù)量與分布,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,20世紀7080年代，聯(lián)合國教科文組織和世界氣象組織共同提出了水資源的涵義，并被廣泛采納，即“水資源是指可資利用或有可能被利用的水源，這種水源應當具有足夠的數(shù)量和可用的質量，并在某一地點為滿足某種用途而得到利用”。,有效水資源：對人類最為實用的水資源，是陸地上每年可以更新的降水量、江河徑流量和淺層地下水的淡水量。,降水可以直接為人類利用，同時，它又是江河徑流和淺層地下淡水的來源。,2、水資源,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,從數(shù)量上看，降水量和江河徑流量都處于動態(tài)變化之中，在各年之間和年內各月之間水量都不均衡。,與煤、石油等礦產(chǎn)資源不同，水資源數(shù)量具有可更新補充的特點。,水資源包括水量、水質、水能和水域。,2、水資源,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,人類最有實用價值的水量資源是陸地上每年可以更新的降水量、江河徑流量和地下水的淡水量。,2、水資源,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,水域資源是水資源的一個組成部分，人類利用水域資源可發(fā)展?jié)O業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、航運業(yè)和旅游業(yè)。,2、水資源,1-3-1地球上的水資源,第1講緒論,水能指水體的動能、勢能和壓力能等能量資源。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量資源；狹義的水能資源指河流的水能資源。水能是一種可再生能源。,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,松花江區(qū)：包括松花江流域以及黑龍江、烏蘇里江、圖們江、綏芬河等跨界河流中國境內部分；遼河區(qū)：包括遼河流域、遼寧沿海諸河以及鴨綠江中國境內部分；海河區(qū)：包括海河流域、灤河流域及冀東沿海地區(qū)；黃河區(qū)；淮河區(qū)：包括淮河流域及山東沿海諸河地區(qū)；西北諸河區(qū)：包括塔里木河等西北內陸河以及額爾齊斯河、伊犁河等跨界河流中國境內部分。,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,長江區(qū)：含太湖流域；東南諸河區(qū)：包括錢塘江、浙東諸河、浙南諸河、閩東諸河、閩江、閩南諸河及臺澎金馬諸河；珠江區(qū)：包括珠江流域、華南沿海諸河、海南島及南海各島諸河；西南諸河區(qū)：包括紅河、瀾滄江、怒江、伊洛瓦底江、雅魯藏布江等跨界河流中國境內部分以及藏南、藏西諸河地區(qū)。,1、水資源的數(shù)量,降水量,根據(jù)我國第1次水資源調查評價結果，我國多年平均年降水總量為61889億m3，折合年降水深為648mm，小于全球陸地多年平均年降水深（800mm）。,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2006年降水總量為61889億m3,1、水資源的數(shù)量,指江河、湖泊、冰川等地表水體的動態(tài)水量，即天然江河徑流量。全國多年平均年徑流總量為27115億m3，折合年徑流深為284mm，小于全球多年平均江河年徑流深（315mm）。,地表水資源量,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,地下水資源量,指降水入滲和地表水體（含河道、湖泊、水庫、渠系和渠灌田間）滲漏到地下含水層的補給量。全國多年平均地下水資源量為8288億m3。,由于地表水和地下水相互聯(lián)系又相互轉化，故不能將江河徑流量與地下水資源量直接相加作為水資源總量，而應扣除相互轉化的重復水量。重復水量約為7299億m3。全國多年平均水資源總量為28124億m3，其中地表水資源占96.4%，地下水資源占3.6%。,水資源總量,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,1、水資源的數(shù)量,總量不算少，但人均水量低,我國水資源量與世界各國比較，僅次于巴西、前蘇聯(lián)、加拿大、美國及印尼,居世界第六位。但因為人口眾多，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。耕地平均分攤水量只有世界平均數(shù)的3/4。,南部和東南沿海平均年降水量大于1600mm。臺灣省的平均年降水量為2540mm,是全國最濕潤地區(qū)。華北和東北年降水量為400800mm。西北的大部地區(qū),只有200400mm。一些沙漠邊緣地區(qū)少于100mm。,地區(qū)上分布極不均勻,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2、水資源的特點,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2、水資源的特點,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2、水資源的特點,與耕地、人口的分布不相匹配,南方,水資源總量,81.0%,人口,54.6%,耕地面積,39.7%,人均水資源量,3300m3,單位耕地水資源量,2924m3/hm2,北方,水資源總量,14.4%,人口,43.3%,耕地面積,54.9%,人均水資源量,740m3,單位耕地水資源量,376m3/hm2,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2、水資源的特點,年內、年際變化大,常用連續(xù)最大4個月降水量占全年降水量的百分數(shù)來表示降水的年內分配，百分數(shù)越大，表示年降水年內變化越大。,長江以南地區(qū),連續(xù)最大4個月降水量占全年,50%80%,華北、東北地區(qū),連續(xù)最大4個月降水量占全年,70%80%,西南地區(qū),連續(xù)最大4個月降水量占全年,70%80%,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,2、水資源的特點,中國水資源公報,長江流域水資源公報黃河流域水資源公報珠江流域水資源公報松遼流域水資源公報淮河流域水資源公報海河流域水資源公報太湖流域水資源公報,各流域/片水資源公報,各省、自治區(qū)、直轄市水資源公報,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,、水資源公報,水利工程設施,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,堤防和水閘,各類水閘39839座，其中大型水閘405座。,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水庫及樞紐,全國已建成各類水庫85108座，水庫總庫容5624億立方米，其中，大型水庫470座，總庫容4197億立方米，水利部門管理的387座，電力及其它部門管理的83座。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,農(nóng)業(yè)灌溉,全國有效灌溉面積達到56562千公頃，占全國耕地面積的43.5%。萬畝以上灌區(qū)5860處，有效灌溉面積26419千公頃；30萬畝以上大型灌區(qū)287處，有效灌溉面積14310千公頃。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,機電井和泵站,全國已累計建成各類機電井478.6萬眼，其中安裝機電提水設備可正常汲取地下水的配套機電井428.2萬眼，裝機容量達3887.1萬千瓦。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,農(nóng)村水電,全國水利系統(tǒng)水電裝機容量累計達到4841萬千瓦，占全國水電裝機容量的41.5，其中農(nóng)村水電裝機4309萬千瓦。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,水土保持工程,全國水土流失綜合治理面積達到94.7萬平方公里，其中小流域治理面積37.1萬平方公里。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,水文及信息化,各流域已建成國家基本水文站3191個，水位站1160個，雨量站14373個，水質站4557個，地下水監(jiān)測站12313個，蒸發(fā)站349個，實驗站69個。全國共有7815個拍報水情站，1041個水文預報站。初步建成了以251個水環(huán)境監(jiān)測中心為核心、3240個各類水質監(jiān)測站點為基礎的覆蓋全國主要江河湖庫的水質監(jiān)測網(wǎng)絡體系。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,水利工程設施,供水量,全年水利工程總供水量5573億立方米，其中地表水源占81.3%，地下水源占18.3%,其他水源占0.4%。,用水量,全年總用水量5573億立方米，比上年增加0.5，其中，生活用水473.7億立方米，占總用水量的8.5%；生產(chǎn)用水5021.3億立方米，占總用水量的90.1%；生態(tài)與環(huán)境用水78.0億立方米，占總用水量的1.4%。,見全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報-2005年,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,4、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,供、用水量,缺水的干旱/半干旱面積占52%；,400多個城市供水不足；,110多個城市嚴重缺水。,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,5、水資源開發(fā)利用的主要問題,水資源供需矛盾突出（水少）,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,5、水資源開發(fā)利用的主要問題,水資源供需矛盾突出（水少）,我國水資源短缺大致分四種類型：工程型缺水資源型缺水污染型缺水管理型缺水,我國目前缺水總量約300400億m3，有200多座城市缺水，每年受災面積約2300萬hm2，每年直接影響工業(yè)產(chǎn)值2300億元。世界銀行曾測算，中國每年干旱缺水造成的損失約為350億美元。,城市和工業(yè)集中地區(qū)和北方部分井灌區(qū)地下水超采,1950：0.05億m3，2000：4.24億m3,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,5、水資源開發(fā)利用的主要問題,水質惡化，地表水和地下水均受到污染（水臟）,黃河的污染與泥沙,海河白洋淀水污染,1-3-2中國的水資源,第1講緒論,5、水資源開發(fā)利用的主要問題,全國七大江河水系的741個監(jiān)測斷面中：29.1%的斷面符合類以上水質30.0%、類水40.9%劣類水全國近一半城鎮(zhèn)農(nóng)村(3.6億人)飲用水源地水質不