工程水文水力學(xué)思考題和計算題(25題思考問答題-20題計算題)1

工程水文水力學(xué)思考題和計算題一、思考問答1、水文現(xiàn)象是一種自然現(xiàn)象，它具有什么特性，各用什么方法研究？答：水文現(xiàn)象具有確定性與隨機性、相似性與特殊性。對水文現(xiàn)象的分析研究方法有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法和地理綜合法。研究確定性規(guī)律采用成因分析法；研究隨機性規(guī)律采用數(shù)理統(tǒng)計法；研究相似性規(guī)律采用地理綜合法；研究各區(qū)域的特殊性需要合理布設(shè)各代表網(wǎng)站，以便全面分析計算，最終總結(jié)其變化規(guī)律，某種程度上為進行地理綜合法研究提供根底。各研究方法簡述如下：1〕成因分析法:確定性成因規(guī)律，由其影響因素預(yù)報、預(yù)測水文情勢的方法。如降雨徑流預(yù)報法、河流洪水演算法等。2〕數(shù)理統(tǒng)計法：根據(jù)水文現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律，對水文觀測資料統(tǒng)計分析，進行水文情勢預(yù)測、預(yù)報的方法。如設(shè)計年徑流計算、設(shè)計洪水計算等。3〕地理綜合法：根據(jù)氣候要素及其它地理要素的地區(qū)性規(guī)律，說明水文現(xiàn)象也具有地區(qū)性的分布規(guī)律。這種地區(qū)性規(guī)律可用地區(qū)經(jīng)驗公式或等值線圖或分區(qū)圖或圖表來反映水文特征值的變化與分布。2、何謂水量平衡？試敘閉合流域水量平衡方程在實際工作中的應(yīng)用和意義。答：對任一地區(qū)、任一時段進入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水量的變化量，這就是水量平衡原理，是水文計算中始終要遵循的一項根本原理。依此，得任一地區(qū)、任一時段的水量平衡方程。對一閉合流域：設(shè)P為某一特定時段的降雨量，E為該時段內(nèi)的蒸發(fā)量，R為該時段該流的徑流量，那么有：P＝R+Ec+△U△U為該時段流域內(nèi)的蓄水量，△U=U2－U1。對于多年平均情況，U＝0，那么閉合流域多年平均水量平衡方程變?yōu)椋篜＝R+E影響水資源的因素十分復(fù)雜，水資源的許多有關(guān)問題，難于由有關(guān)的成因因素直接計算求解，而運用水量平衡關(guān)系，往往可以使問題得到解決。因此，水量平衡原理在水文分析計算和水資源規(guī)劃的分析計算中有廣泛的應(yīng)用。如利用水量平衡式可以用的水文要素推求另外的未知要素。例如：某閉合流域的多年平均降雨量P＝1020mm，多年平均徑流深R＝420mm，多年平均蒸發(fā)量E.E＝P－R＝600mm3、何謂年徑流？它的表示方法和度量單位是什么？徑流深度、徑流總量、平均流量、徑流模數(shù)的概念及相互關(guān)系。答：一個年度內(nèi)在河槽里流動的水流叫做年徑流。年徑流可以用年徑流總量W〔m3〕、年平均流量Q〔m3/s〕、年徑流深R〔mm〕、年徑流模數(shù)M〔L/(s﹒km2)〕等表示。將計算時段的徑流總量，平鋪在水文測站以上流域面積上所得的水層厚度，稱為徑流深度.徑流總量是指在指定時Δt通過河流某一斷面的總水量。徑流模數(shù)是單位流域面積上單位.4、流量的觀測與水位流量關(guān)系曲線的延長。答：測站測流時，由于施測條件限制或其他種種原因，致使最高水位或最低水位的流量缺測或漏測，在這種情況下，須將水位流量關(guān)系曲線作高、低水局部的外延，才能得到完整的流量過程。1〕根據(jù)水位面積、水位流速關(guān)系外延：河床穩(wěn)定的測站，水位面積、水位2〕流速關(guān)系點常較密集，曲線趨勢較明確，可根據(jù)這兩根線來延長水位流量關(guān)系曲線。3〕根據(jù)水力學(xué)公式外延：此法實質(zhì)上與上法相同，只是在延長Z～V曲線時，利用水力學(xué)公式計算出需要延長局部的V值。最常見的是用曼寧公式計算出需要延長局部的V值，并用平均水深代替水力半徑R。由于大斷面資料，因此關(guān)鍵在于確定高水時的河床糙率n和水面比降I。4〕水位流量關(guān)系曲線的低水延長：低水延長常采用斷流水位法。所謂斷流水位是指流量為零時的位，一般情況下斷流水位的水深為零。此法關(guān)鍵在于如何確定斷流水位，最好的方法是根據(jù)測點縱橫斷面資料確定。5、流域平均降水量的計算方法。答：1〕算數(shù)平均法。1、P為流域平均降水量，Pi為各站同期降水量，n為測站數(shù)。2、此法適用于流域內(nèi)地形起伏不大，雨量站網(wǎng)分布均勻且比較稠密的地區(qū)。2〕泰森多邊形法。1、F為流域總面積fi為各多邊形面積n為多邊形個數(shù)。2、此法用于雨量站分布不均勻的流域。3、步驟：a、將相鄰雨量站用直線連接而成假設(shè)干個多邊形。b、對每個三角形各邊做垂直平分線，這些線和流域邊界線將流域分成假設(shè)干個多邊形，每個多邊形內(nèi)有一個雨量站。C、此雨量站測得的降水量代表多邊形面積上的平均降水量。3〕等量降水量法。1、fi為各相鄰等降水量線間的距離n為等降水線間的面積快數(shù)。2、此法需足夠數(shù)量的雨量站才能繪出反映實際降水空間分布的等水量線。6、如何繪制累積頻率曲線？設(shè)計頻率標準如何確定？答：根據(jù)實測水文資料，按從大到小的順序排列，如下左圖所示，然后用經(jīng)驗頻率公式計算系列中各項的頻率，稱為經(jīng)驗頻率。以水文變量x為縱坐標，以經(jīng)驗頻率p為橫坐標，點繪經(jīng)驗頻率點據(jù)，根據(jù)點群趨勢繪出一條平滑的曲線，稱為經(jīng)驗頻率曲線，下列圖為某站年最大洪峰流量經(jīng)驗頻率曲線。有了經(jīng)驗頻率曲線，即可在曲線上求得指定頻率p的水文變量值x。對經(jīng)驗頻率的計算，目前我國水文計算上廣泛采用的是數(shù)學(xué)期望公式7、經(jīng)驗頻率曲線的繪制方法答：根據(jù)實測水文資料，按從大到小的順序排列，如下左圖所示，然后用經(jīng)驗頻率公式計算系列中各項的頻率，稱為經(jīng)驗頻率。以水文變量x為縱坐標，以經(jīng)驗頻率p為橫坐標，點繪經(jīng)驗頻率點據(jù)，根據(jù)點群趨勢繪出一條平滑的曲線，稱為經(jīng)驗頻率曲線，下右圖為某站年最大洪峰流量經(jīng)驗頻率曲線，有了經(jīng)驗頻率曲線，即可在曲線上求得制定頻率p的水文變量值Xp。8、頻率曲線的三個統(tǒng)計參數(shù)各表示什么意義？對頻率曲線各有什么影響？9、偏態(tài)系數(shù)Cs﹥0或<0，各說明隨機變量x的分布有何特點？10、重現(xiàn)期〔T〕與頻率〔P〕有何關(guān)系？千年一遇洪水，是指什么意思？95％的年徑流其重現(xiàn)期為多少？P=90%的枯水年，其重現(xiàn)期〔T〕為多少年？以P=90%的枯水年為設(shè)計依據(jù)，其平安率和風險率各為多少，答：頻率曲線繪制后，就可在頻率曲線上求出指定頻率p的設(shè)計值xp。由于"頻率"較為抽象，水文上常用"重現(xiàn)期"來代替"頻率。所謂重現(xiàn)期是指某隨機變量的取值在長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次，又稱多少年一遇。根據(jù)研究問題的性質(zhì)不同，頻率P與重現(xiàn)期T的關(guān)系有兩種表示方法。1、當為了防洪研究暴雨洪水問題時，一般設(shè)計頻率P＜50％，那么:pT1式中：T――重現(xiàn)期，年；p――頻率，％?！?〕當考慮水庫興利調(diào)節(jié)研究枯水問題時，設(shè)計頻率P＞50％，那么:千年一遇洪水是指在長時期內(nèi)平均1000年出現(xiàn)一次的洪水情況，換句話說，大于等于這樣的洪水平均1000年可能出現(xiàn)一次；95％的年徑流其重現(xiàn)期T=20年；P=90%的枯水年，其重現(xiàn)期T=10年，在長時期內(nèi)平均10年出現(xiàn)一次的枯水情況，假設(shè)以P=90%的枯水年為設(shè)計依據(jù)，其平安率和風險率分別為90％和10％11、假設(shè)年徑流量與年降水量之間的回歸線近似為冪函數(shù)，試以分析法為例說明推求其回歸方程的方法步驟？答：冪函數(shù)y=axb兩邊取對數(shù)后變?yōu)橹本€方程Y=A+bX，其中Y=lgy，X=lgx，A=lga。因此，此時建立回歸方程的步驟為：①將xj，yj變換為Xj，Yj；②按一元線性回歸方法計算A、b③將A取反對數(shù)得a；④把a、b代入y=axb中，即得要推求的回歸方程。12、推求設(shè)計洪水過程線的根本方法是什么，洪水過程線放大有哪兩類方法？答：推求設(shè)計洪水時要確定設(shè)計洪水過程線，亦即確定設(shè)計洪水的時程分配。目前，生產(chǎn)上一般采用放大典型洪水過程線的方法確定設(shè)計洪水過程線。進行洪水過程線放大通常采用兩種方法，即同倍比法和同頻率法。同倍比法較為簡單，可采用設(shè)計洪峰流量與典型洪峰流量的比值或某時段的設(shè)計洪量與典型洪量的比值對典型洪水過程線進行放大。但按此法進行放大后，不能保證設(shè)計洪水過程線各個時段的洪量或洪峰流量都與設(shè)計值相等。采用同頻率法放大典型洪水過程線時，對洪峰流量和各個時段的洪量采用不同倍比，使得放大以后的過程線洪峰流量以及各時段的洪量可分別等于設(shè)計洪峰流量和設(shè)計洪量值。13、某流域下游有一個較大的湖泊與河流連通，后經(jīng)人工圍墾湖面縮小很多。試定性地分析圍墾措施對正常年徑流量、徑流年際變化和年內(nèi)變化有何影響？答：由于水面蒸發(fā)減小，使年徑流增加；由于調(diào)蓄能力減小，使年際、年內(nèi)變化加劇。14、人類活動對年徑流有哪些方面的影響？其中間接影響如修建水利工程等措施的實質(zhì)是什么？如何影響年徑流及其變化？答：人類活動對年徑流的影響，包括直接與間接兩個方面。直接影響如跨流域引水，將本流域的水量引到另一流域，或?qū)⒘硪涣饔虻乃奖玖饔?，都直接影響河川的年徑流量。間接影響如修建水庫、塘堰等水利工程，旱地改水田，坡地改梯田，淺耕改深耕，植樹造林等措施。修建水利工程等措施的實質(zhì)是改變下墊面性質(zhì)而影響年徑流，它們將使蒸發(fā)增加，從而使年徑流量減少；調(diào)蓄能力增加，從而使徑流的年內(nèi)、年際變化趨于平緩15、水文資料的三性審查是指什么？對年徑流系列一致性審查是建立在氣候條件和下墊面條件穩(wěn)定性上的，一般認為什么條件是相對穩(wěn)定的，主要由于什么條件受到明顯的改變使資料一致性受到破壞？答：水文資料的三性審查是指對資料的可靠性、一致性和代表性進行審查。對年徑流系列一致性審查是建立在氣候條件和下墊面條件穩(wěn)定性上的，一般認為氣候條件是相對穩(wěn)定的，主要由于下墊面條件受到明顯的改變使資料一致性受到破壞16、缺乏實測資料時，怎樣推求設(shè)計年徑流量？答：缺乏實測資料時，一般可采用水文比較法或年徑流量統(tǒng)計參數(shù)等值線圖、分區(qū)圖法求得均值、Cv、Cs，并確定線型，推求年徑流理論頻率曲線，再由設(shè)計頻率查此曲線得設(shè)計年徑流量。17、為什么年徑流的CV值可以繪制等值線圖？從圖上查出小流域的Cv值一般較其實際值偏大還是偏小？為什么？答：因年徑流變化主要受氣候因素的影響，后者在地區(qū)上的變化具有緩變的規(guī)律性，因此，年徑流Cv值可繪成隨地區(qū)變化的等值線圖。因Cv等值線圖大多是由中等流域資料計算的Cv值繪制的，而中等流域比小流域有較大的調(diào)蓄補償作用，故從等值線圖上查得的小流域18、推求設(shè)計年徑流量的年內(nèi)分配時，應(yīng)遵循什么原那么選擇典型年？答：選擇典型年的原那么有二：①典型年的年徑流量應(yīng)接近設(shè)計年徑流量；②對工程設(shè)計偏于平安19、簡述具有長期實測資料情況下，用設(shè)計代表年法推求年內(nèi)分配的方法步驟？答：方法步驟為：①根據(jù)長期年徑流系列進行頻率計算，推求設(shè)計年徑流量Qp；②按選擇代表年〔典型年〕的原那么，在實際資料中選擇典型年Q典；③以K=Qp/Q典分別乘典型年各月的月徑流量，得設(shè)計年徑流的各月徑流量，即設(shè)計年徑流的年內(nèi)分配。20、簡述年徑流年內(nèi)、年際變化的主要特性？答：1〕年內(nèi)變化具有一年為周期的周期性變化；2〕年際變化具有豐、枯年組的交替現(xiàn)象，但周期很不固定；3〕年內(nèi)、年際變化還具有明顯的地區(qū)性，我國北方的徑流變化一般比南方多雨地區(qū)劇烈。21、何謂保證率？假設(shè)某水庫在運行100年中有85年保證了供水要求，其保證率為多少？破壞率又為多少？答：用水的保證程度。p=85%；q=1-85%=15%22、何為抽樣誤差，如何減少抽樣誤差？答：用一個樣本的統(tǒng)計參數(shù)來代替總體的統(tǒng)計參數(shù)是存在一定誤差的，這種誤差是由于從總體中隨機抽取的樣本與總體有差異而引起的，與計算誤差不同，稱為抽樣誤差。抽樣誤差的大小由均方誤來衡量。計算均方誤的公式與總體分布有關(guān)。對于皮爾遜Ⅲ型分布且用矩法估算參數(shù)時，用x、.cscv、分別代表x、σ、Cv和Cs樣本參數(shù)的均方誤，計算公式略。抽樣誤差的大小，隨樣本項數(shù)n、Cv、和Cs的大小而變化。樣本容量大，對總體的代表性就好，其抽樣誤差就小，這就是為什么在水文計算中總是想方設(shè)法取得較長的水文系列的原因23、設(shè)計洪水的概念答：由于流域內(nèi)降雨或溶雪，大量徑流匯入河道，導(dǎo)致流量激增，水位上漲，這種水文現(xiàn)象，稱為洪水。在進行水利水電工程設(shè)計時，為了建筑物本身的平安和防護區(qū)的平安，必須按照某種標準的洪水進行設(shè)計，這種作為水工建筑物設(shè)計依據(jù)的洪水稱為設(shè)計洪水。在工程設(shè)計中,設(shè)計標準由國家制定,以設(shè)計標準給出。規(guī)劃中按工程的種類、大小和重要性,將水工建筑物劃分為假設(shè)干等級,按不同等級給出相應(yīng)的設(shè)計標準。24、等流時線的原理以及應(yīng)用答：假定流域中任一地點的雨水流速都相同，那么任一地點凈雨水質(zhì)點流達出口斷面的時間就取決于它與出口斷面的距離。據(jù)這一假定，將流域內(nèi)匯流時間相等的點連接起來，稱為等流時線。等流時線概念簡明地闡述了流域出口流量是如何組成的。它是水量平衡方程在動態(tài)條件下的表述，是流域匯流計算的一個根本概念。但它只考慮了匯流的平均流速，沒有考慮同一條等流時線上的水質(zhì)點有不相同，流速。在匯流過種中，各條等流時線上的水質(zhì)點可以相互混合。這種現(xiàn)象稱為流域的調(diào)節(jié)作用。它使得出口的流量過程比上述公式所計算的更為平緩。因此，等流時線方法的誤差很大，現(xiàn)已很少直接應(yīng)用，或需經(jīng)調(diào)蓄改正后，才能實際應(yīng)用。25、推求設(shè)計洪水有哪幾種根本途徑？答：絕大多數(shù)情況下，設(shè)計洪水就是合設(shè)計頻率的洪峰流量、洪水總量和洪水過程線。因掌握資料的情況和工程規(guī)劃設(shè)計要求不同，推求設(shè)計洪水有不同途徑。當設(shè)計流域具有較長期的實測洪水資料，且具有歷史洪水調(diào)查和考證資料時，可直接由流量資料推求設(shè)計洪水。當流域具有較長期實測暴雨資料，而且有屢次暴雨洪水對應(yīng)觀測資料，可以分析產(chǎn)流和匯流規(guī)律時，可由暴雨資料推求設(shè)計洪水。小流域往往既缺乏洪水資料，又缺乏暴雨資料，此時可采用推理公式法和地區(qū)經(jīng)驗公式等方法推求設(shè)計洪水。當采用可能最大洪水作為校核洪水時，需由可能最大降雨求得可能最大洪水，從而確定相應(yīng)的設(shè)計洪水。二、分析計算題1、某水文站控制流域面積F=560KM2，多年平均降雨量，多年平均徑流系數(shù)＝0.40，試求其多年平均年徑流總量，多年平均年徑流量，多年平均徑流深及多年平均年徑流模數(shù)。2、某流域面積F=900KM2，其多年平均降雨量，多年平均徑流深，試求多年平均蒸發(fā)量。又該地多年平均水面蒸發(fā)量，如該河修建水庫后，在該河流域面積之內(nèi)的水面面積比之未建水庫時增加60KM2，試分析建水庫后流域多年平均蒸發(fā)量是增大還是減??？并計算建水庫后的多年平均徑流深及多年平均年徑流量。3、某水庫屬大〔2〕型水庫，年最大7天暴雨系列的頻率計算結(jié)果為=432mm、CV=0.48，CS=3CV。試確定大壩設(shè)計洪水標準，并計算該工程7天設(shè)計暴雨。提示適線結(jié)果的情況下，推求設(shè)計值均用如下公式：或4、某工程設(shè)計暴雨的設(shè)計頻率為P=2%，試計算該工程連續(xù)2年發(fā)生超標準暴雨的可能性？5、某流域多年平均最大3天暴雨頻率曲線：=210mm、CV=0.45，CS=3.5CV，試求該流域百年一遇設(shè)計暴雨。6、某流域根據(jù)實測暴雨和歷史調(diào)查大暴雨資料，已經(jīng)繪制出7d暴雨量經(jīng)驗頻率曲線，現(xiàn)從經(jīng)驗頻率曲線上讀取三點〔945，5%〕、〔345，50%〕、〔134，95%〕，試按三點法計算這一7d暴雨系列的統(tǒng)計參數(shù)。7、某流域50年一遇24h設(shè)計暴雨為490mm，徑流系數(shù)等于0.83，后損率為1.0mm/h，后損歷時為17h，試計算其總凈雨及初損。8、某流域百年一遇設(shè)計暴雨過程如下表，徑流系數(shù)等于0.85，后損率為1.5mm/h，試用初損、后損法確定初損和設(shè)計凈雨過程。時段(Δt=6h)123456雨量〔mm〕6.45.61769982519、百年一遇的設(shè)計暴雨，其過程如下表，徑流系數(shù)，后損，試用初損、后損法確定初損及設(shè)計凈雨過程。時段〔〕123456雨量〔mm〕6.45.617699825110、百年一遇暴雨為460mm，暴雨徑流系數(shù)，后損歷時，試確定其初損。11、如下圖為一溢流壩上的弧形門。：R=10m，門寬b=8m，α=30°，試求：作用在弧形閘門上的靜水總壓力及壓力中心的位置。12、水從水箱流入一管徑不同的管道，管道連接情況如下圖。：d1為150mm，l1為25m，λ1為0.037；d2為125mm，l2為10m，λ2為0.039。局部水頭損失系數(shù)：進口ζ1為0.5，逐漸收縮ζ2為0.15，閥門ζ3為2.0。〔以上ζ值相應(yīng)的流速均采用發(fā)生局部水頭損失后的流速。〕試求：〔1〕沿程水頭損失∑hf；〔2〕局部水頭損失∑hj；〔3〕要保持流量Q為25000cm3/s所需要的水頭H。13、一簡單管道，如下圖。長為800m，管徑為0.1m，水頭為20m，管道中間有2個彎頭，每個彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.3，沿程阻力系數(shù)λ=0.025，試求通過管道的流量。14、一矩形斷面