水文學(xué)第1-2章

1、橋 涵 水 文n參考書：n1 葉鎮(zhèn)國 ，水力學(xué)與橋涵水文，北京：人民交通出版社n2 張學(xué)齡， 橋涵水文， 北京：人民交通出版社第1章 緒 論 11 水文學(xué)的研究內(nèi)容水文學(xué)的研究內(nèi)容水文學(xué)水文學(xué) 就是研究自然界中水體形成、分布、變 化、運(yùn)動(dòng)、相互轉(zhuǎn)化和與環(huán)境相互作用 規(guī)律的一門科學(xué)。水文學(xué)可分為： 水文氣象學(xué)、河流水文學(xué)河流水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文 學(xué)、冰川水文學(xué)、海洋水文學(xué)、地下水文學(xué)等。水文學(xué)的內(nèi)容：水文學(xué)的內(nèi)容：1，水文測驗(yàn)和資料整編與發(fā)布，這是水文分析計(jì)算和 研究的基礎(chǔ)性工作；2，水文實(shí)驗(yàn)研究；3，水文分析與計(jì)算，如百年一遇的流量工程規(guī)劃 提供依據(jù)；4，水文預(yù)報(bào)；5，水文地理：研究水

2、文特征與地理因素間的關(guān)系；6，河流的沖刷與泥沙淤積計(jì)算；7，其他，如水情、興利和防洪調(diào)度等。 121水文現(xiàn)象的基本規(guī)律水文現(xiàn)象的基本規(guī)律 1水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律（成因規(guī)律、周期性） 2水文現(xiàn)象的隨機(jī)性規(guī)律 3水文現(xiàn)象的地區(qū)性規(guī)律12 水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法水文現(xiàn)象基本規(guī)律及其研究方法1成因分析法 建立某水文現(xiàn)象與其影響因素之間確定性的定量關(guān)系定量關(guān)系。2數(shù)理統(tǒng)計(jì)法（概率理論為基礎(chǔ)） 求某水文要素的概率分布概率分布，得出工程規(guī)劃設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)水文特征值水文特征值。 利用兩個(gè)或多個(gè)變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系相關(guān)關(guān)系相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)分析，以展延水文系列或做水文預(yù)報(bào)水文預(yù)報(bào)。 3地區(qū)綜合法 根據(jù)氣候要

3、素和其他地理要素的地區(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。 每種水文現(xiàn)象都程度不同地存在著以上三種規(guī)律性，常常根據(jù)實(shí)際情況和需要，選用一種或幾種方法計(jì)算，以便得出合理可靠的成果。122 水文研究的基本方法水文研究的基本方法13 水文科學(xué)的發(fā)展n至17世紀(jì)后期逐步形成一門比較獨(dú)立的學(xué)科獨(dú)立的學(xué)科。n水位觀測最早水位觀測最早，公元前約22世紀(jì)，大禹治水的“隨山刊木”。n雨量觀測，14世紀(jì)70年代開始。n15世紀(jì)歐洲，設(shè)立水文站網(wǎng)水文站網(wǎng)系統(tǒng)觀測水文、流量、降水、蒸發(fā)、泥沙等。n1674貝羅特的噴泉起源在水文循環(huán)的概念下，提出流域水量平衡原理，并計(jì)算出塞納河伯格底以上的年徑

4、流量為年降雨量的1/6，標(biāo)志水文作為一門學(xué)科已經(jīng)初步形成。n上世紀(jì)60年代以來，由于電子計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星遙感遙測技術(shù)的出現(xiàn)，開始水文預(yù)報(bào)、預(yù)測（水量、水質(zhì)）、水文信息采集、模型計(jì)算、優(yōu)化調(diào)度一體化等。 第第2章章 河流與徑流河流與徑流 21 河流與流域 n 接納地面徑流和地下徑流的天然泄水通道稱 河流。河流。n 供給河流地面和地下徑流的集水區(qū)域叫 流域，流域，它由 匯集地面徑流的地面集水區(qū)和匯集地下徑流的地下 集水區(qū)所組成。n 流域里大大小小的水流，構(gòu)成脈絡(luò)相通的系統(tǒng)稱河河 系系(河網(wǎng)河網(wǎng))，又稱 水系水系 。 211 河流特征 1河流長度n 自河源河源沿主河道主河道至河口河口的長度稱為 河流長度

5、河流長度，簡稱河長。 2河流分段(河源、上游、中游、下游、河口 5段)n河源河源 ：是河流的發(fā)源地，可以是泉水、溪澗、沼澤、冰川等。n上游上游 ：直接連接河源，河谷窄、坡度大、水流急河谷窄、坡度大、水流急、下切侵蝕為 主，河流中常有瀑布、急灘。n中游：中游： 河段坡度漸緩，下切力減弱，旁蝕力加強(qiáng)，急流、瀑 布消失，河槽變寬，兩岸有灘地，河床較穩(wěn)定河槽變寬，兩岸有灘地，河床較穩(wěn)定。n下游下游 ：河槽寬、坡度緩、流速小，淤積為主，淺灘沙洲多，河淤積為主，淺灘沙洲多，河 曲發(fā)育。曲發(fā)育。 河口河口 ：河流注人海洋或內(nèi)陸湖的地區(qū)。 3河谷與河槽n 可以排泄河川徑流的連續(xù)凹地稱為 河谷河谷。n谷底過水的

6、部分稱 河槽河槽。n河槽的橫斷面稱 過水?dāng)嗝妫▎问竭^水?dāng)嗝妫▎问?、?fù)式）復(fù)式）。n復(fù)式斷面復(fù)式斷面 由枯水河槽和灘地組成，洪水時(shí)灘地將被淹沒和過水。4河道縱比降n 河段兩端的高程差叫 落差落差。n 單位河長的落差稱河道縱比降河道縱比降，稱河流坡降。n 用面積相等求河道的平均縱比降平均縱比降。212流域特征 1分水線和流域分水線和流域 （1）分水線分水線 地形上的脊線起著分水作用，稱為分水分水 線線或分水嶺分水嶺。n分水線是相鄰兩流域的分界線分界線。 秦嶺 是長江與黃河的分水嶺。 南嶺 是湘江與珠江的分水嶺。n由于地質(zhì)條件和地貌特征影響，地面、地下分水 線可能不一致。 (2) 流域流域 流域是指

7、匯集地面、地下徑流的區(qū)域，是相對河流某一斷面而言。n當(dāng)流域的地面、地下分水線重合，河流下切比較深，流域面積上降水產(chǎn)生的地面、地下徑流能夠全部經(jīng)過出口斷面排出者，稱閉合流域閉合流域。n當(dāng)?shù)孛?、地下分水線不一致，或河流下切較淺，出水口流出的徑流并不正好是地面集水區(qū)降水產(chǎn)生的徑流時(shí)，稱非閉合流域。非閉合流域。2流域的幾何特征流域的幾何特征n流域面積F。劃地面分水線，用求積儀求積儀求得。n流域長度L：以流域出口為中心作許多同心圓，由每個(gè)同心圓與流域分水線相交點(diǎn)作割線，各割線中心點(diǎn)的連線為流域長度。n平均寬度B：流域面積除以流域長度。n流域形狀系數(shù)K=B/L。n(1) 流域的地理位置 （經(jīng)度和緯度）n(

8、2) 流域的氣候條件 （降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、風(fēng)） n(3) 流域的地形（地形圖、流域平均高程 和平均坡度）n(4) 流域的土壤、巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造(影響下滲） n(5) 流域的植被 森林（對減少泥沙和洪水有重要作用）n(6) 流域的湖泊與沼澤 （徑流起調(diào)節(jié)作用） 3流域的自然地理特征流域的自然地理特征 22 徑流及其形成過程徑流及其形成過程1水分循環(huán)n自然界中水的循環(huán)有蒸發(fā)、降水、下滲和徑流4個(gè)主要環(huán)節(jié)。2地球的水量平衡n水文循環(huán)過程中，任一地區(qū)一定時(shí)段內(nèi)進(jìn)入的水量與輸出的水任一地區(qū)一定時(shí)段內(nèi)進(jìn)入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水的變化量，此即水量平衡原理。量之差，必等于其蓄水的變化量，

9、此即水量平衡原理。n每年的蓄水變量有正有負(fù)，長期多年的平均值趨近于零。n全球的降水量和蒸發(fā)量是相等的（長期多年的平均值）。 221 水文循環(huán)與水量平衡水文循環(huán)與水量平衡n降水；n蒸發(fā)；n下滲；n水位；n流量；222 水文觀測與水文資料收集 1）降雨強(qiáng)度過程線 n 將時(shí)段雨量除以時(shí)段長，得時(shí)段平均降雨強(qiáng)度，簡稱雨強(qiáng)雨強(qiáng)。n以雨強(qiáng)為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，可繪一次降雨的時(shí)段平時(shí)段平均降雨強(qiáng)度過程線均降雨強(qiáng)度過程線（1線）。n當(dāng)時(shí)段取得很小時(shí)，1線變?yōu)橐粭l光滑的曲線，稱瞬時(shí)降雨強(qiáng)瞬時(shí)降雨強(qiáng)度過程線。度過程線。 1 降水降水 (1)降雨時(shí)程變化的描述方法降雨時(shí)程變化的描述方法2)累積降雨過程線 （降雨

10、強(qiáng)度過程線隨時(shí)間積分）n圖中2線，是對1線下各時(shí)段雨量按時(shí)程累加而得。n累積過程線的坡度就是相應(yīng)時(shí)間的降雨強(qiáng)度。 1）算術(shù)平均法算術(shù)平均法 當(dāng)流域內(nèi)雨量站分布比較均勻，地形起伏變化不大時(shí)，可用算術(shù)平均法求流域某時(shí)段的平均雨量：(2)流域平均雨量計(jì)算流域平均雨量計(jì)算 Pi該時(shí)段第i站的降雨量，mm，i=1，2，n； n雨量站站數(shù)。 n先用直線(圖中的虛線)連接流域內(nèi)及附近相鄰的雨量站，成為很多個(gè)三角形；n然后，在各連線上作垂直平分線，它們與流域周界一起組成n個(gè)多邊形，每個(gè)多邊形每個(gè)多邊形正好有一個(gè)相應(yīng)的雨量站。正好有一個(gè)相應(yīng)的雨量站。2)泰森多邊形法泰森多邊形法 當(dāng)流域雨量站分布不太均勻時(shí)，該法

11、假定流域各處的雨量可由與其距離最近的雨量站代表。nP1、P2、Pn為各雨量站觀測的雨量；n f1、f2、f3、fn為各站代表的多邊形面積；n F為流域面積。流域平均雨量計(jì)算公式：流域平均雨量計(jì)算公式：n首先按各雨量站同時(shí)期的雨量，類似繪制等高線那樣，繪出等雨量線；n量出流域內(nèi)各相鄰等雨量線間的面積f i；n并由相鄰的等雨量線值算出f i上的平均雨量P i。3)等雨量線法等雨量線法 當(dāng)流域地形變化較大，區(qū)域內(nèi)有足夠數(shù)量的雨量站，能結(jié)合 地形變化繪出等雨量線圖時(shí)用此法。計(jì)算流域平均雨量 此法能考慮流域地形的變化繪制等雨量線，比較好地反映了降雨在流域上的變化，精度較高，但繪制等雨量線需要較多站點(diǎn)的資

12、料，且每次都要重繪，工作量很大。2蒸發(fā)n水面蒸發(fā)n土壤蒸發(fā)n植物蒸散發(fā)n現(xiàn)在應(yīng)用最多的方法：用流域水量平衡的方法推求，以實(shí)測的降水量和徑流量反推流域的蒸散發(fā)量3 下滲n同一地點(diǎn)不同時(shí)間的下滲能力不同；n同一時(shí)間不同點(diǎn)的下滲能力不同。n下滲能力可用曲線表示，隨時(shí)間增長而衰減。n實(shí)用上，用實(shí)測降雨、徑流資料反推流域平均下滲能力曲線或用下滲能力地區(qū)分布函數(shù)； n我國統(tǒng)一采用青島附近的黃海海平面作為標(biāo)準(zhǔn)基面。n水尺觀測：變化平穩(wěn)時(shí)，每日8時(shí)和20時(shí)各一次 枯水期，每日8時(shí)一次 汛期每日4次（或更多）n自記水位計(jì)：觀測連續(xù)n日平均水位，月平均水位，年平均水位n年、月最高、最低水位、洪水水位 4 水位5

13、流量（1）流速儀觀測流量 1）斷面測量、布置測深垂線 2）流速計(jì)算與流量計(jì)算n點(diǎn)流速測量n第m條垂線上的平均流速（5個(gè)測點(diǎn)時(shí)）：n 第i快面積上的平均流速： 中間部分： 左、右岸部分n流量計(jì)算（2）浮標(biāo)法觀測流量n在上游沿河寬均勻投放浮標(biāo)，v=L/Tn在曲線上查測深垂線的平均流速n計(jì)算兩垂線間的面積和平均流速n累加求全斷面的流量 （3）流量資料的整編： 1）常測水位下的水位流量關(guān)系曲線的繪制n 水位面積曲線n 水位速度曲線n 水位流量曲線2）水位流量關(guān)系曲線的延長n低水位：順勢延長順勢延長 展延幅度不應(yīng)超過展延幅度不應(yīng)超過10%。n高水位：展延幅度不應(yīng)超過實(shí)測流量對應(yīng)水位變幅的展延幅度不應(yīng)超過

14、實(shí)測流量對應(yīng)水位變幅的30% A：延長延長水位速度曲線，此線高水位 時(shí)趨于一條與縱軸平行的直線； 實(shí)測實(shí)測 高水位的水位面積曲線； vQ計(jì)算公式計(jì)算公式 B：用水力學(xué)公式計(jì)算：用水力學(xué)公式計(jì)算：21326111JRnQRJRnRJCvhRnV Q 3）資料整編推求逐日平均流量：推求逐日平均流量：n 一日內(nèi)流量變化不大時(shí)，用日平均水位 在Z-Q線上查得日平均流量；n一日內(nèi)流量變化大時(shí)，用逐時(shí)水位在Z-Q線上查流量，再用算術(shù)平均法或面積包圍法求日平均流量。6泥砂 河流中的泥沙，按其運(yùn)動(dòng)形式分為 懸移懸移質(zhì)、推移質(zhì)質(zhì)、推移質(zhì) 和和 床沙床沙 3種。n懸移質(zhì)懸移質(zhì) 泥沙懸浮于水中并隨之運(yùn)動(dòng)；n推移質(zhì)推

15、移質(zhì) 泥沙受水流沖擊沿河底移動(dòng)或滾動(dòng)；n河床河床 泥沙則是指組成河床并處于相對靜止?fàn)顟B(tài)的泥沙。 (1)懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)n含沙量含沙量 單位水體的渾水中所含泥沙的重量。n輸沙率輸沙率 單位時(shí)間內(nèi)通過測驗(yàn)斷面的懸移質(zhì)重量。n測沙垂線 垂線平均含沙量 斷面輸沙率n（2）推移質(zhì)泥沙測驗(yàn)及計(jì)算n推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率 是指單位時(shí)間內(nèi)通過測驗(yàn)斷面的推移質(zhì)泥沙重量。 測驗(yàn)推移質(zhì)：測驗(yàn)推移質(zhì)：n首先確定推移質(zhì)的邊界，在有推移質(zhì)的范圍內(nèi)布設(shè)若干垂線，施測各垂線的單寬推移質(zhì)輸沙率單寬推移質(zhì)輸沙率；n計(jì)算部分寬度上的推移質(zhì)輸沙率；n最后累加求得斷面推移質(zhì)輸沙率。（3）河床泥沙測驗(yàn)n河床泥沙以往常稱 河床質(zhì)河床質(zhì)，現(xiàn)

16、在多簡稱床沙。（4）泥沙顆粒分析n泥沙是由許多粒徑不同的泥土沙粒組成。沙樣中各種粒徑的泥沙各占多少(百分比)的分配情況，即該泥沙的顆粒級(jí)配。n反映這種級(jí)配情況的曲線圖稱為顆粒級(jí)配曲線，或簡稱粒配曲線。 7水文資料收集 (1) 水文年鑒和水文數(shù)據(jù)庫 (2) 水文手冊和水文圖集 (3) 水文調(diào)查n確定洪水的大小 Q。n確定洪水發(fā)生的日期，調(diào)查在歷史年代中的排列序位，以便估計(jì)它的出現(xiàn)頻率(重現(xiàn)期)。223 徑流形成過程n 流域上的雨水，除去損失以后，經(jīng)由地面和地下途徑匯人河網(wǎng)，形成流域出口斷面的水流，稱之為 河川徑流河川徑流，簡稱 徑流徑流。n徑流隨時(shí)間的變化過程，稱 徑流過程徑流過程，它是工程規(guī)劃

17、設(shè)計(jì)、施工和管理的基本依據(jù)。（1）流量Q：流量流量 指單位時(shí)間內(nèi)通過某一斷面的水量。（2） 徑流總量W：徑流總量徑流總量 是指時(shí)段T內(nèi)通過某一斷面 的總水量，單位有m3 、 億m3 等。（3） 徑流深 R：徑流深徑流深是設(shè)想將徑流總量均勻地平鋪在整 個(gè)流域面積上所得的水深，常以mm計(jì)。 (4） 徑流模數(shù)徑流模數(shù) M：單位面積上產(chǎn)生的流量稱徑流模數(shù)， 當(dāng)Q為洪峰流量時(shí)，稱洪峰流量模數(shù)。（5）徑流系數(shù)徑流系數(shù)。 某一時(shí)段的徑流深R與相應(yīng)的流域平均降 雨量P之比稱徑流系數(shù)。 因R是由P形成的，對于閉合流域R將小于P，所以 1。1徑流的表示方法與度量單位徑流的表示方法與度量單位23 泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變

18、 1泥沙特征n泥沙粒徑和粒配曲線n常用的沙樣特征粒徑為中值粒徑d50 n另一常用的特征值是平均粒徑(2) 泥沙的容重 和干容重231 泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律niiniiipjPdPd11s (3) 水下休止角n 靜水中的泥沙，由于摩擦力作用，可以形成一定的傾斜面不至塌落，此斜面與水平面夾角稱為泥沙的水下休止角。(4) 泥沙的沉降速度n 泥沙在靜水中等速下沉?xí)r的速度，稱泥沙的沉降速度。它是泥沙的重要水力特性之一。n天然泥沙沉降速度經(jīng)驗(yàn)公式-（張瑞瑾公式）2推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)(1)泥沙的起動(dòng)n河床面上的泥沙顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界水流條件稱為 泥沙的起動(dòng)條件。n常見的表達(dá)起動(dòng)條件的形式有

19、起動(dòng)流速和起動(dòng)拖曳力兩種。我國工程界，使用起動(dòng)流速的居多。n橋渡設(shè)計(jì)中，起動(dòng)流速的計(jì)算常采用張瑞瑾公式，即 n式中vc 以垂線平均流速表示的起動(dòng)流速，ms；n H 水深，m。(2) 推移質(zhì)輸沙率n 推移質(zhì)輸沙率除用單位時(shí)間內(nèi)通過過水?dāng)嗝娴耐埔瀑|(zhì)數(shù)量表示外，工程中還常用 單寬推移質(zhì)單寬推移質(zhì)輸沙率輸沙率 qb 來表示，單位為kg(m.s)。n推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率反映在一定水力、泥沙條件下水流所能挾帶的推移質(zhì)數(shù)量，對河道的沖淤變化對河道的沖淤變化有重要影響。有重要影響。3懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)n 一定水流泥沙條件下，河床處于不沖不淤平衡狀態(tài)時(shí)，單位體積水流挾帶懸移質(zhì)懸移質(zhì)泥沙的數(shù)量稱為 水流挾沙率水流挾沙

20、率。n懸移質(zhì)中較細(xì)的部分，在河段的床沙中很少或沒有，幾乎不與床沙發(fā)生交換，不參加造床作用，基本上是一瀉而過，這部分泥沙稱做 沖瀉質(zhì)沖瀉質(zhì)。n懸浮質(zhì)中較粗的部分(除去沖瀉質(zhì)后的部分)在床沙中大量存在，其輸沙率與水流條件之間有較好的關(guān)系，與河道的沖淤變化密切相關(guān)，稱床沙質(zhì)床沙質(zhì)。n因此水流挾沙力多指水流所能挾帶的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的含水流挾沙力多指水流所能挾帶的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的含沙量沙量，單位為kgm3。n上游來流的含沙量與本河段的水流挾沙力不等時(shí)河床將發(fā)上游來流的含沙量與本河段的水流挾沙力不等時(shí)河床將發(fā)生沖淤變化。生沖淤變化。232 河床演變n 河流一般可分為 山區(qū)河流 和 平原河流 兩大類型。n山區(qū)河流山區(qū)河流 坡度陡，水流中的懸移質(zhì)含沙量小于河段的水流挾沙力，以下切為主以下切為主。 河床多系基巖時(shí)，抗沖力強(qiáng)