第一章工程水文緒論

SEU1第一章緒論第一節(jié)水文學(xué)一、水文學(xué)二、工程水文學(xué)第二節(jié)工程水文學(xué)的基本研究方法一、流域降雨徑流水文系統(tǒng)二、水文現(xiàn)象變化的基本規(guī)律三、水文研究的基本方法第三節(jié)水文學(xué)的發(fā)展一、萌芽時期（1400年以前）二、奠基時期（1400～1900年）三、應(yīng)用水文學(xué)的形成（1900～1950年）四、現(xiàn)代水文學(xué)時期（1950年后）第四節(jié)其他問題一、相關(guān)規(guī)范二、相關(guān)項(xiàng)目簡介三、水文資料收集機(jī)構(gòu)SEU2

《工程水文學(xué)》是港口航道與海岸工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要作用是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為港口、航道工程設(shè)計(jì)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如碼頭面設(shè)計(jì)高程、航道最低通航水位等。研究對象是自然界中水體的變化規(guī)律與計(jì)算方法，本章對水文學(xué)與工程水文學(xué)，水資源，水文變化基本規(guī)律與計(jì)算方法等作簡單介紹。工程水文學(xué)是水文學(xué)的一個分支，是為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)行管理提供水文依據(jù)的一門科學(xué)，主要內(nèi)容分為水文分析計(jì)算和水文預(yù)報(bào)兩方面水文學(xué)知識河川徑流，水文學(xué)的基本原理和方法，包括水文資料的收集與統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水，流域分析計(jì)算，水質(zhì)及水質(zhì)評價(jià)。

SEU3相關(guān)專業(yè):1、水利水電工程，0808012、水文與水資源工程，0808023、港口航道與海岸工程，080803一級學(xué)科名稱:水利工程,代碼:0815二級學(xué)科名稱及代碼： 水文學(xué)及水資源(081501) 水利學(xué)及河流動力學(xué)(081502) 水工結(jié)構(gòu)工程(081503) 水利水電工程(081504) 港口、海岸及近海工程(081505）SEU4

設(shè)計(jì)流量或設(shè)計(jì)水位通常分兩類。（1）與工程安全和經(jīng)濟(jì)有關(guān)的洪水流量與水位。如確定攔河壩所需的斷面洪水流量，太大不經(jīng)濟(jì)，太小又不安全；又如確定碼頭陸域標(biāo)高的設(shè)計(jì)水位，定得過低可能被淹沒，過高又將浪費(fèi)且運(yùn)營不便。這類設(shè)計(jì)流量和水位，常以累積頻率為標(biāo)準(zhǔn)；（2）關(guān)于正常通航的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位。如保證河道有足夠水深和跨河或通航建筑不礙航的設(shè)計(jì)流量和水位；洪水期橋梁凈空不礙航的設(shè)計(jì)流量和水位。SEU5

保證率是指統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)能正常通航天數(shù)占總天數(shù)的百分比，是多年平均概念。通航保證率本應(yīng)該同時考慮高水位和低水位情況下的通航，在具體分析計(jì)算時，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求不同，需對高水位和低水位分別進(jìn)行計(jì)算，即設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算。前者是通航建筑物正常營運(yùn)的上限水位和跨河建筑物凈高的起算水位，如通航橋梁凈高設(shè)計(jì)，船閘閘門、閘墻、導(dǎo)航墻頂高程確定等；后者是航道與通航建筑物標(biāo)準(zhǔn)水深和水下過河建筑物標(biāo)高的起算水位，如船閘閘首門檻、引航道底高程，以及整治工程中水下過河建筑物高程的確定等。由此可見，設(shè)計(jì)通航水位是航運(yùn)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)施工的重要依據(jù)。SEU6第一節(jié)水文學(xué)

主要學(xué)習(xí)工程水文學(xué)的意義與主要內(nèi)容,水資源的基本概念，從工程建設(shè)需要了解工程水文內(nèi)容。一、水文學(xué)（一）水文學(xué)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(xué)性質(zhì)及其環(huán)境因素的變化規(guī)律，預(yù)測、預(yù)報(bào)各水文現(xiàn)象（如降水、水位、流量、水質(zhì)等）的變化情勢。全球各水體水量分布（億km3）：大氣:0.000129；陸地:0.48；海洋:13.38；總量為:23.86。SEU7

根據(jù)水體分布情況，水文學(xué)可分為：水文氣象學(xué)：主要研究降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、風(fēng)、氣壓。陸地水文學(xué)：主要研究地表水、地下水，又可分為河流水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文學(xué)、冰川水文學(xué)、地下水文學(xué)、森林水文學(xué)等。海洋水文學(xué)：主要研究海溫、洋流、風(fēng)浪、潮汐等。本教材主要研究降雨、河流水文學(xué)、風(fēng)浪、潮汐等。SEU8

（二）水資源水文循環(huán)是陸地一定區(qū)域內(nèi)平均每年產(chǎn)生的淡水量，可用年降水量和年徑流量描述。1、降水量多年平均降水量可以采用多年平均降水量等值線圖，反映各地雨水的豐沛情況。降水量的年際變化：年際變化用變差系數(shù)Cv表示，反映各地的年降水量相對于那里的多年平均降水量變差的大小，可以采用等值線描述。降水的年內(nèi)變化：常用典型年各月（旬）降水量變化過程表示。SEU9

如圖1-1為寧波市2005年各月降水量的分布。SEU10

2、徑流量多年平均徑流量可以采用多年平均徑流深（mm）等值線圖，反映降水除去損失后的水資源地區(qū)分布情況。徑流量有年際變化和年內(nèi)變化。SEU11

二、工程水文學(xué)定義：工程水文學(xué)是水文學(xué)的一個重要分支，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)（水文設(shè)計(jì)參數(shù)）、施工建設(shè)（施工圍堰高程）、運(yùn)行管理（水庫用水調(diào)度）提供水文依據(jù)的一門科學(xué)。工程水文學(xué)主要內(nèi)容分二方面：（1）水文分析計(jì)算（水文預(yù)測）：從統(tǒng)計(jì)的角度測算工程實(shí)施中和完成后很長時期內(nèi)可能遇到的各種機(jī)會（概率）的水文現(xiàn)象的大小與過程。如預(yù)測長江三峽工程未來千年一遇的洪水有多大？主要為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。（2）水文預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)指定地點(diǎn)或地區(qū)一定時期內(nèi)（稱預(yù)見期）水文現(xiàn)象的大小及變化過程。如預(yù)報(bào)某河流斷面處從現(xiàn)在起以后24h的水位有多高？主要為現(xiàn)場施工及工程管理提供水文依據(jù)。SEU12

例如1998年長江特大洪水防洪中，曾幾次運(yùn)用洪水預(yù)報(bào)，及時指導(dǎo)清江水庫調(diào)度，實(shí)現(xiàn)清江洪水與三峽洪水錯峰，避免了荊江分洪區(qū)分洪。以下是長江三峽工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的工程水文學(xué)問題（包括通航建筑物）。1）工程概況：①大壩（見圖1-2，總規(guī)模，水量調(diào)度）壩型：混凝土重力壩壩頂高程（m）:185壩高（m）:175壩長（m）:2335SEU13

②溢洪道（見圖1-3，安全問題）型式：有閘控制泄洪泄洪壩段長度（m）：483設(shè)計(jì)洪水洪峰流量（m3/s）：98800（千年一遇）校核洪水洪峰流量（m3/s）：124300（萬年一遇）SEU14

③電站（見圖1-4，最小流量）型式：壩后式裝機(jī)容量（MW）：18200（=26臺*700MW/臺）保證出力（MW）：4990平均年發(fā)電量（億kW.h）：846.8SEU15

④船閘（見圖1-5，航道等級有關(guān)）型式：雙線五級連續(xù)梯級閘室尺寸（m）：280*34*5壩上通航最高水位是175米壩下通航的最低水位到62米設(shè)計(jì)了雙線五級的連續(xù)船閘來克服113米的水位差SEU16

⑤升船機(jī)（見圖1-6）型式：單線單級垂直提升式升船廂尺寸（m）：120*18*3.5垂直提升113米的水位差SEU17

⑥水庫（見圖1-7，總規(guī)模，水量調(diào)度）校核洪水位（m）：180.4設(shè)計(jì)洪水位（m）：175防洪限制水位（m）：145（第一位）正常高水位（m）：175（第二位）枯季最低水位（m）：155總庫容（億m3）：393防洪庫容（億m3）：221.5庫面面積（km2）：1084SEU18

2）主要水文學(xué)問題①設(shè)計(jì)年徑流預(yù)測（以確定正常高水位、枯季最低水位、裝機(jī)容量、平均年發(fā)電量等）：②設(shè)計(jì)洪水預(yù)測（以確定校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、防洪限制水位、防洪庫容、溢洪道尺寸等）：③水文預(yù)報(bào)（指導(dǎo)發(fā)電、防洪等）：SEU19

思考題1、水資源與水文學(xué)有何關(guān)系？答：水資源是水文循環(huán)引起陸地上一定區(qū)域平均每年產(chǎn)生的淡水量--降水量、徑流量及其變化，這些可根據(jù)水文、水質(zhì)觀測資料通過水文學(xué)分析計(jì)算推求，水資源評價(jià)（包括水環(huán)境質(zhì)量）工作，就是由各級水文部門進(jìn)行的。2、工程水文學(xué)與水文學(xué)有何聯(lián)系？主要包括哪兩方面的內(nèi)容？答：工程水文學(xué)是水文學(xué)的一個重要分支，隨著水利水電工程建設(shè)和港口航道工程建設(shè)的大規(guī)模開展，為滿足工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的迫切需要，水文工作者針對提出的問題，進(jìn)行大量的、深入的試驗(yàn)研究，使水文學(xué)發(fā)展到工程水文學(xué)階段。它主要包括水文預(yù)測及水文預(yù)報(bào)兩方面的內(nèi)容，前者為設(shè)計(jì)施工服務(wù)，后者為運(yùn)行管理服務(wù)。如長江上預(yù)測枯水年，則安排較多挖泥船到淺區(qū)，保證航道暢通。SEU20第二節(jié)工程水文學(xué)的基本研究方法主要介紹流域及其降雨徑流水文系統(tǒng),水文現(xiàn)象的基本規(guī)律與研究方法，了解流域水文系統(tǒng)的基本概念,理解水文現(xiàn)象基本規(guī)律與計(jì)算方法。一、流域降雨徑流水文系統(tǒng)1、流域:河流某一斷面的來水區(qū)域，包括地面的和地下的，分為閉合流域和非閉合流域。2、流域降雨徑流水文系統(tǒng)流域輸入I(t)=降雨P(guān)(t)-蒸發(fā)等損失E(t)流域出口輸出Q(t)流域使I(t)轉(zhuǎn)化為Q(t)的變換函數(shù)Ω,則該系統(tǒng)表示為:Q(t)=Ω*I(t)SEU21

二、水文現(xiàn)象變化的基本規(guī)律1、成因規(guī)律（確定性規(guī)律）表示水文現(xiàn)象形成的內(nèi)在因果關(guān)系，確定的成因和條件將對應(yīng)于確定的結(jié)果。例如根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可得：全球的多年平均降水量=全球的多年平均蒸發(fā)量再比如，流域上一次暴雨過程-→扣除相應(yīng)的損失過程==凈雨過程—→流域匯流==流域出口相應(yīng)的一次洪水過程SEU22

2、統(tǒng)計(jì)規(guī)律（隨機(jī)性規(guī)律）樣本容量很大時，隨機(jī)變量趨向于一個穩(wěn)定的分布，或相關(guān)變量表現(xiàn)為穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系。如某流域的年最大洪峰流量頻率曲線圖1-8和相鄰流域間年徑流量相關(guān)圖1-9。SEU23

1、成因分析法根據(jù)水文變化的成因規(guī)律，由其影響因素預(yù)報(bào)、預(yù)測水文情勢的方法。如降雨徑流預(yù)報(bào)法、河流洪水演算法等。2、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法根據(jù)水文現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對水文觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行水文情勢預(yù)測、預(yù)報(bào)的方法。如設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式等。在工程中，水文計(jì)算常常是二種方法綜合使用，相輔相成，例如由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，就是先由數(shù)理統(tǒng)計(jì)法求設(shè)計(jì)暴雨，再按成因分析法將設(shè)計(jì)暴雨轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)洪水。

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思考題將全球的陸地作為一個系統(tǒng)，設(shè)年降水量為Pc、年蒸發(fā)量為Ec、陸地流入海洋的徑流量為R、陸地蓄水量年末與年初之差為ΔS，試根據(jù)質(zhì)量守恒原理列出R的計(jì)算方程。答：將全球的陸地作為一個系統(tǒng)，設(shè)年降水量為Pc、年蒸發(fā)量為Ec、陸地流入海洋的徑流量為R、陸地蓄水量年末與年初之差為ΔS，試根據(jù)質(zhì)量守恒原理列出R的計(jì)算方程。S初+Pc=S終+Ec+RR=Pc-Ec-ΔS（S終-S初）SEU25第三節(jié)水文學(xué)的發(fā)展

水文學(xué)的發(fā)展，就是隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水利工程建設(shè)（水利水電工程080801、水文與水資源工程080802、港口航道與海岸工程080803）發(fā)展的需要，從萌芽到成熟、由經(jīng)驗(yàn)到理論逐步發(fā)展起來的。今后的發(fā)展仍將遵循這一規(guī)律更快地向前發(fā)展，以滿足社會繼續(xù)發(fā)展的需求。水文學(xué)的發(fā)展，大體可分為以下幾個階段：

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一、萌芽時期（1400年以前）這一時期中國的水文知識居于世界領(lǐng)先地位，如公元前256年建成的都江堰，至今仍在發(fā)揮巨大作用，其中就體現(xiàn)著成功的水文知識；公元前239年的《呂氏春秋》最先提出水文循環(huán)的概念；又如527年的《水經(jīng)注》，是早于歐洲1000多年的水文地理巨著。二、奠基時期（1400～1900年）該時期，西歐的產(chǎn)業(yè)革命促進(jìn)了水利事業(yè)的發(fā)展，在水文觀測方面，發(fā)明制造了雨量器、蒸發(fā)器、流速儀等，系統(tǒng)的水文測驗(yàn)為水文定量計(jì)算及預(yù)報(bào)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。SEU27

三、應(yīng)用水文學(xué)的形成（1900～1950年）進(jìn)入20世紀(jì)，大規(guī)模的水利水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，需要科學(xué)的水文計(jì)算和水文預(yù)報(bào)，使應(yīng)用水文學(xué)迅速發(fā)展起來。美國1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律，1924年H.A.福斯特完整地建立了P-Ⅲ水文頻率曲線計(jì)算方法，1932年L.R.K.謝爾曼提出單位線法，1935年G.T.麥卡錫建立了馬斯京根河道洪水演算法等等，這一時期我國則比較落后。四、現(xiàn)代水文學(xué)時期（1950年后）隨著計(jì)算機(jī)、遙感等高新技術(shù)的應(yīng)用，使水文學(xué)發(fā)展進(jìn)入了一個新時代，流域數(shù)學(xué)模型、水資源學(xué)、水環(huán)境學(xué)、隨機(jī)水文學(xué)相繼形成，水文學(xué)的研究滲透到很多領(lǐng)域。SEU28第四節(jié)其他問題

一、相關(guān)規(guī)范1、(JTJ212-2006)河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范SEU29

2、(JTJ213-98)海港水文規(guī)范SEU30

SEU31

3、(JTJ214-2000)內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范SEU32

二、相關(guān)項(xiàng)目簡介1、天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位兩種確定方法的研究SEU33

2、內(nèi)河航道設(shè)計(jì)通航水位計(jì)算方法研