水文學(xué)課件ppt版 第二章3

第二章河流（River）第一節(jié)水系和流域第二節(jié)河流的水情要素第三節(jié)河流的補(bǔ)給第四節(jié)河川徑流的形成過程第五節(jié)河川徑流的變化第六節(jié)河水的運(yùn)動(dòng)第五節(jié)河川徑流的變化徑流特征值河川徑流的年際變化河川徑流的年內(nèi)變化洪水和枯水一、徑流特征值1、流量（Q）：(m3/s)

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)過水?dāng)嗝娴乃?。瞬時(shí)流量：

平均流量：某一時(shí)刻的流量，如洪峰流量、枯水流量等。日平均流量月平均流量年平均流量一、徑流特征值2、年徑流總量（W）：(m3)

一年內(nèi)流出出口斷面總水量。W=Q×T

Q：流量T：時(shí)間時(shí)間為：31.54×106秒一、徑流特征值3、徑流模數(shù)（M）：（升/秒·平方公里）

流域出口斷面流量Q與流域面積F的比值，指單位時(shí)間(S)，單位面積(Km2)上的產(chǎn)流量。一、徑流特征值4、徑流深度（Y）：(mm)

將徑流總量(W）平分在流域面積(F）上，所得的水深為徑流深度

。F的單位是平方千米(Km2)W的單位是立方米(m3)

一、徑流特征值5、徑流系數(shù)（α）：徑流深度（Y）與年降水量（P）的比值。

α的大小綜合反映一個(gè)流域降雨量與徑流量的關(guān)系，反映了降雨特性和流域下墊面的產(chǎn)流條件。表

閉合流域α＋β＝1，β為蒸發(fā)系數(shù)。世界各大洲水資源

一、徑流特征值6、模比系數(shù)（K）：

某年的流量與多年平均流量的比值。Y、M、α這三個(gè)特征值都不受面積的影響，而是反映了地理環(huán)境的差異，因此可將其繪成等值線圖。各特征值之間的換算表例題：某閉合流域的面積為1000Km2，多年平均降水量為1261.6mm,蒸發(fā)系數(shù)為β＝0.5，求W、Q、Y、M和α。解：二、河川徑流量的年際變化每年的徑流量是一個(gè)隨機(jī)變量（年與年都是不相同的，沒有必然的聯(lián)系），因此采用水文統(tǒng)計(jì)分析的方法來研究。水文統(tǒng)計(jì)：將數(shù)學(xué)中概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到水文分析與計(jì)算上。水文統(tǒng)計(jì)的任務(wù)就是研究和分析水文隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)變化特性。并以此為基礎(chǔ)對(duì)水文現(xiàn)象未來可能的長期變化作出在概率意義下的定量預(yù)估，以滿足工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營期間的需要。

1、年徑流量（1）年平均流量：

全年流量的平均值，等于365天每天流量的算術(shù)平均。（2）多年平均流量：

對(duì)已有資料的多年流量再作算術(shù)平均。（3）正常年徑流量：

年徑流的總體平均值，即數(shù)學(xué)期望值(實(shí)測(cè)資料年數(shù)增加到無限大時(shí)，算得的平均值)。

一般要有超過30年的客觀資料。正常年徑流量是水資源可能被利用的最大限度。2、標(biāo)準(zhǔn)差表示離差程度，也就表示年際變化的大小。

總體標(biāo)準(zhǔn)差樣本標(biāo)準(zhǔn)差當(dāng)樣本數(shù)量趨向于總體數(shù)量(n),樣本標(biāo)準(zhǔn)差(s)趨向于總體標(biāo)準(zhǔn)差(σ)；式中n-1表示對(duì)樣本太少情況下的修正，調(diào)整抽樣誤差的自由度。3、變差系數(shù)（Cv）

水文計(jì)算中用標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比作為衡量系列的相對(duì)離散程度的一個(gè)參數(shù)，稱為變差系數(shù)，或稱離差系數(shù)、離勢(shì)系數(shù)。

Cv沒有面積因素，可用于不同地理環(huán)境下的對(duì)比分析。Cv值大，年徑流的年際變化劇烈，這對(duì)水力資源的利用不利，且易發(fā)生洪澇災(zāi)害；Cv值小，則年徑流的年際變化小，有利于徑流資源的利用。年徑流變差系數(shù)（Cv）的影響因素：(1)年徑流量：主要是年降水量的影響。

(2)補(bǔ)給來源：雨水、冰川、地下水…(3)流域面積偏態(tài)系數(shù)（Cs）當(dāng)系列對(duì)于

對(duì)稱時(shí)，Cs＝0，為正態(tài)；當(dāng)系列對(duì)于

不對(duì)稱時(shí)，Cs≠0，若Cs＞0，稱為正偏；若Cs＜0，稱為負(fù)偏。衡量系列不對(duì)稱程度的參數(shù)。4、流量資料的概率分析

設(shè)事件X≥x

的概率用P(X≥x)來表示，它是隨隨機(jī)變量取值x而變化的，所以p(X≥x)是x的函數(shù)，稱為隨機(jī)變量x的分布函數(shù)，記為F(x)，即:

F(x)=P(X≥x)

它代表隨機(jī)變量X大于等于x的概率。圖中縱坐標(biāo)表示變量x，橫坐標(biāo)表示概率分布函數(shù)值F(x)，水文統(tǒng)計(jì)中稱為隨機(jī)變量的累積頻率曲線，簡(jiǎn)稱頻率曲線.水文頻率曲線線型：理論頻率曲線正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、皮爾遜Ⅲ型(P-III)分布經(jīng)驗(yàn)頻率曲線

1、作經(jīng)驗(yàn)頻率曲線A、根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料(如：流量)，按從大到小的順序排列B、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率（Pi）C、作頻率曲線P－等于和大于Qi的經(jīng)驗(yàn)頻率；

m

－

Qi

的序號(hào),即等于和大于Qi

的項(xiàng)數(shù)；

n－系列的總項(xiàng)數(shù)。（2）理論頻率曲線皮爾遜Ⅲ型

(P—Ⅲ)曲線

因流量資料是一個(gè)正偏分布，對(duì)正偏分布事件的概率密度曲線，其方程為：Cv：變差系數(shù);：事件的平均值，也就是：離均系數(shù)，隨P（頻率）和Cs（偏態(tài)系數(shù)）而變，可查表（雷布京表）。（3）適線法作頻率曲線適線法(或稱配線法)是以經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)為基礎(chǔ),在一定的適線準(zhǔn)則下,求解與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合最優(yōu)的頻率曲線參數(shù),是我國估計(jì)水文頻率曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù)的主要方法。就是將理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線結(jié)合起來作頻率曲線的方法。根據(jù)抽樣資料計(jì)算理論曲線中的三個(gè)參數(shù)（Cv、Cs、

）確定的理論曲線作圖，是否與實(shí)際點(diǎn)相吻合，若吻合不好，則適當(dāng)修正這三個(gè)參數(shù)，直到與實(shí)測(cè)點(diǎn)滿意吻合為止。5、頻率(P)與重現(xiàn)期(T)頻率和重現(xiàn)期都是對(duì)隨機(jī)事物的概率描述，只是表現(xiàn)形式不同重現(xiàn)期是指平均多少年出現(xiàn)一次二者的換算關(guān)系式為：例1：P=2%的多水年，其重現(xiàn)期（T）為多少年？

P=98%的枯水年，其重現(xiàn)期（T）為多少年？例2：

P為多少？P為多少？二、河川徑流量的年際變化1、年徑流量2、標(biāo)準(zhǔn)差3、變差系數(shù)（Cv）4、流量資料的概率分析

5、頻率(P)與重現(xiàn)期(T)三、河川徑流的年內(nèi)分配1、季節(jié)劃分根據(jù)我國的季風(fēng)氣候劃分，南方與北方也不樣。南方:春3-5月,夏6-8月,秋9-11月,冬12-2月；北方:春4-6月,夏7-9月,秋10-12月,冬1-3月；三、河川徑流的年內(nèi)分配2、季節(jié)徑流量汛期——夏季：汛期水量北方占50%以上，西南和西部占50—60%，西北地區(qū)占60—70%?？菟凇荆汉恿魉孔钚?，此時(shí)主要為地下水補(bǔ)給，北方僅占4—5%，南方為6—8%，部分地方可達(dá)10—20%，如四川盆地南部達(dá)到20%左右。

平水期——秋季：河水量大于春季，一般占20—30%，四川盆地東部可達(dá)30—40%，還常發(fā)生洪水。

三、河川徑流的年內(nèi)分配3、年內(nèi)分配的表示方法

（1）各月流量所占年徑流的百分比（Ki）季節(jié)水量所占百分比等于相應(yīng)幾個(gè)月流量的百分比相加。變差系數(shù)，或稱離差系數(shù)、離勢(shì)系數(shù)總體標(biāo)準(zhǔn)差（2）分配不均勻系數(shù)（Cvy）Ki：各月流量所占年徑流的百分比

各月平均占全年的百分比Cvy表示各月流量與平均值的離差系數(shù)（相對(duì)離差系數(shù)），反映徑流分配不均勻性的一個(gè)指標(biāo)；Cvy越大，表明各月徑流量相差懸殊，即年內(nèi)分配越不均勻，Cvy小則相反。（3）完全調(diào)節(jié)系數(shù)（Cr）要使流量時(shí)刻為年平均流量，需要一個(gè)相應(yīng)的水庫來調(diào)節(jié)，水庫的庫容與總水量之比為完全調(diào)節(jié)系數(shù)。V：調(diào)節(jié)庫容W：年徑流總量調(diào)節(jié)庫容應(yīng)該比多余水量小些，因?yàn)橛嗨⒉皇且淮芜B續(xù)出現(xiàn)，因洪水是間斷性的。（一）洪水四、洪水和枯水1、概念：產(chǎn)生原因：特大徑流就稱為洪水。暴雨，冰雪融水，潰壩洪水。黃河水系圖2、影響洪水的因素（1）天氣因素：如果有持續(xù)的水汽輸送，則容易引起持續(xù)降雨，甚至暴雨洪水。（2）下墊面因素：地面產(chǎn)流和匯流條件。3、洪峰流量的推求

（1）對(duì)有長時(shí)間觀測(cè)資料（n≥20年），用頻率曲線推算洪峰流量。（2）地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式：Qp：頻率為P的洪峰流量（m3/s）F：流域面積（km2）Cp：系數(shù)，根據(jù)流域自然地理?xiàng)l件和頻率而定N：面積指數(shù)，取1/2或3/4。4、歷史洪水的調(diào)查(1)通過各種調(diào)查，確定歷史洪水的洪痕，調(diào)查方法有訪問老人，查資料，考察沿河兩岸的建筑物上洪水淹沒痕跡。(2)洪峰流量的推算

（二）枯水1、枯水:河流斷面上較小的徑流量。

枯水期，每年河流中有一個(gè)枯水期（在季風(fēng)區(qū)），枯水期劃分標(biāo)準(zhǔn)：平均狀況:2、影響枯水的因素（1）氣候因素（2）流域蓄水量的影響：包括工程蓄水，河流湖泊蓄水，地下蓄水，洼地蓄水等。（3）河流切割深度：山區(qū)河谷深切，有各種地下水補(bǔ)給，平原則小得多。（4）流域面積的大?。好娣e越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，枯季流量越豐富。第五節(jié)河川徑流的變化徑流特征值河川徑流量的年際變化河川徑流的年內(nèi)變化洪水和枯水第二章河流（River）第一節(jié)水系和流域第二節(jié)河流的水情要素第三節(jié)河流的補(bǔ)給第四節(jié)河川徑流的形成過程第五節(jié)河川徑流的變化第六節(jié)河水的運(yùn)動(dòng)第六節(jié)河水的運(yùn)動(dòng)

一、洪水波的運(yùn)動(dòng)與變形二、河水的環(huán)流運(yùn)動(dòng)三、河流的泥沙運(yùn)動(dòng)一、洪水波的運(yùn)動(dòng)與變形洪水波：洪水水位的漲落在河槽縱剖面上形成的波形，稱為洪水波。1、洪水波的展開2、洪水波的扭曲1、洪水波的展開

(attenuationoffloodwave)Attenuationn.變薄,稀薄化,變細(xì),衰減展開就是波長增長，波高降低，洪峰流量減小。

峰前：i前>i0(穩(wěn)定流水面比降)經(jīng)過一般時(shí)間運(yùn)行以后，波段A2C2>A1C1。峰后：i后<i0所以：i前>i后波高：H2<H1所以:Q峰2<Q峰12、洪水波的扭曲

洪水波的峰前段越來越短，峰前段的比降越來越大；峰后段則越來越長，比降逐漸趨于洪水前(i0)。整個(gè)洪水波中，波峰處最高，縱比降最大所以，波峰流速最大波前段長度必然會(huì)越來越短B2C2<B1C1，比降增大i前2>i前1波后段長度必然會(huì)越來越長A2B2>A1B1，比降減小i后2<i后1一、洪水波的運(yùn)動(dòng)與變形洪水波的展開和扭曲在洪峰向下游推移過程中同時(shí)存在，波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)移，這樣洪峰不斷衰減。天然河道中洪水波由寬段進(jìn)入窄段，波峰反而會(huì)沿程增高，而由狹段進(jìn)入寬段，洪水波的展平就更為明顯。河水的運(yùn)動(dòng)

層流紊流環(huán)流二、河水的環(huán)流運(yùn)動(dòng)（一）河水運(yùn)動(dòng)的作用力

1、重力：mg

在慣性離心力作用下，過水?dāng)嗝鏁?huì)產(chǎn)生橫比降I，其大小為：R：河流彎道半徑m：水體質(zhì)量V：流速2、慣性離心力3、地轉(zhuǎn)偏向力：

P偏=0.0001458mVsinφ

地球上作水平運(yùn)動(dòng)的物體，其運(yùn)動(dòng)方向會(huì)隨著地球自轉(zhuǎn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。Φ：地球緯度

（二）環(huán)流的類型及其對(duì)河床的沖淤影響1、縱軸環(huán)流:

這種環(huán)流多發(fā)生在彎道處，表層水在慣性離心力作用下，流向凹岸，下層水在環(huán)流作用下，流向凸岸。環(huán)流引起凹岸沖刷，使凹岸越來陡峭，凸岸被淤積，變得平緩。

環(huán)流的旋轉(zhuǎn)軸與河流的流向是一致的，并且呈水平狀

。2、橫軸環(huán)流:環(huán)流的旋轉(zhuǎn)軸與河流的流向垂直，而且呈水平狀

；這種環(huán)流是由河流上的阻礙物所引起，如橋墩、巨石、堤坎等。3、斜軸環(huán)流環(huán)流的旋轉(zhuǎn)軸與河流的流向斜交,而且呈水平狀，實(shí)際是橫軸環(huán)流的特殊；河床上阻礙物與河岸斜交，水流越過阻礙物后產(chǎn)生環(huán)流。4、豎軸環(huán)流:環(huán)流的旋轉(zhuǎn)軸呈鉛直方向，垂直于河底；這種環(huán)流很普遍，在河流水面突然展寬段（如峽谷出口處）。河水流出峽口后，其主流速度比兩側(cè)的流速快，使原水體產(chǎn)生離解作用，兩岸水體流來補(bǔ)充，而形成環(huán)流。環(huán)流是引起河床沖淤的主要水流，使一部分河床沖刷，另一部分河床淤積:（三）環(huán)流對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響1、具有水平軸環(huán)流（如縱軸環(huán)流、橫軸環(huán)流、斜軸環(huán)流）:在垂直方向上，一側(cè)產(chǎn)生下降流，另一側(cè)產(chǎn)生上升流；下降流時(shí)，水流由位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，本身上層水流的含沙量少，挾沙能力強(qiáng)，產(chǎn)生沖刷；而上升流因上升消耗能量，而將原帶泥沙沉降下來，產(chǎn)生淤積。2、豎軸環(huán)流:（三）環(huán)流對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響有時(shí)產(chǎn)生沖刷，有時(shí)產(chǎn)生淤積，視水流速度和已有的含沙量而定。當(dāng)水流速度較大（挾沙能力較強(qiáng)）而水體的含沙量少，則產(chǎn)生沖刷。當(dāng)水流速度較慢，而水中含沙量又大時(shí)，則產(chǎn)生泥沙淤積。河床類型根據(jù)河床的平面形態(tài)，可以將沖積性河流的河床劃分為：

1、順直微彎型河床

2、彎曲型河床

3、分汊型河床

4、游蕩型河床型河床平原河流中的泥沙堆積體1.邊灘2.心灘3.江心洲4.淺灘（沙?。?.深槽河床類型

1、順直微彎型河床

在平水期深槽、淺灘交替出現(xiàn)，兩側(cè)邊灘犬牙交錯(cuò)，而在洪水期河水淹沒犬牙交錯(cuò)分布的邊灘，河水順直奔流。順直（微彎）型河道的平面形態(tài)河床類型

2、彎曲型河床無論是平水期還是洪水期，行水河道均是彎曲的。彎曲型河床的平面形態(tài)邊灘2.深灘3.過渡段淺灘

河床類型

3、分叉型河床由江心洲將河床分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的汊道的河床。分汊型河床的平面形態(tài)河床類型

4、游蕩型河床

河床寬淺，沙灘眾多，洪水時(shí)汪洋一片，枯水時(shí)河汊密布、水流散亂，有時(shí)難以分辨主流所在。三、河流的泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)是一種水文現(xiàn)象，是水文學(xué)的重要研究內(nèi)容。黃河是我國泥沙含量最大的河流，部分河段的含沙量曾經(jīng)達(dá)到300kg/m3

，輸沙模數(shù)達(dá)10000t/km2·a。在我國南方的輸沙模數(shù)可達(dá)100-1500t/km2·a，嘉陵江平均每年輸沙量1.5億噸，金沙江屏山站1.6—5.0億噸/年，平均2.8億噸，岷江0.2—1.0億噸/年，進(jìn)入三峽水庫的懸移質(zhì)泥沙每年8—10億噸。（一）泥沙的水力特征1、泥沙的沉降速度：

（1）靜水：

泥沙在靜水中下沉，當(dāng)重力與阻力相等時(shí)，則以均勻速度下沉，此時(shí)的速度為泥沙的沉降速度（w厘米/秒）。ρ：水體密度ρs：泥沙密度

d：泥沙粒徑Cd：阻力系數(shù)A、層流狀態(tài)：

（2）天然條件，w與水流狀態(tài)有關(guān)：B、紊流狀態(tài)：

v為粘滯系數(shù);2、推移質(zhì)與懸移質(zhì)懸移質(zhì)：懸浮在水體中，隨水流而運(yùn)動(dòng)的泥沙。推移質(zhì)：沿著河床被水推動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)的泥沙或卵石。造床質(zhì)：組成河床的泥沙。有一部分泥沙隨水流速度的變化，在造床質(zhì)、推移質(zhì)間轉(zhuǎn)換，或在推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間轉(zhuǎn)換。源頭入?？冢ǘ┩埔瀑|(zhì)運(yùn)動(dòng)1、作用力分析（1）浮力和重力（G）：浮力、重力之合力為G，方向向下。（2）推力（P）：迎水面水流產(chǎn)生的向下游的分力，其方向指向下游，其大小與V有關(guān)，V越大P越大。（3）上舉力（Pz）：

迎水面水流、背水面環(huán)流產(chǎn)生的向上的分力。方向垂直向上。將泥沙舉起，脫離河床。其大小與V有關(guān)，V越大P越大。（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是時(shí)靜時(shí)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一定距離后就停下來，停止一段時(shí)間后又運(yùn)動(dòng)。（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）起動(dòng)流速（）泥沙開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界流速。

d:泥沙粒徑（mm）h:水深(m)沙漠夫公式：（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（2）揚(yáng)動(dòng)流速（）

泥沙離開河床，開始懸浮于水中時(shí)的臨界流速。

d：粒徑(mm)w：沉降速度（mm/s）h：水深（m）沙玉清教授公式（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（3）止動(dòng)流速（VH

）

當(dāng)流速減慢到使推移質(zhì)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界流速。

（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（4）艾里定律

流速增大，推動(dòng)的泥沙粒徑就越大，其關(guān)系如下：d：粒徑α:系數(shù)V；流速W：泥沙重量。（二）推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（5）沙波運(yùn)動(dòng)

當(dāng)水流在起動(dòng)流速到揚(yáng)動(dòng)流速之間時(shí)，即：

V0<V<Vf形成沙波向下游移動(dòng)。當(dāng)流速大于