《工程水文與水利計算》課件-緒論

第一章緒論前言/PREFACE教學(xué)內(nèi)容：1、水資源及其開發(fā)利用；2、水文現(xiàn)象及其研究方法；3、本課程主要任務(wù)及內(nèi)容。教學(xué)要求：了解水資源狀況、水資源的開發(fā)利以及本課程的主要任務(wù)；明確水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律，以及其研究方法；掌握水資源的含義及其主要特點和本課程的主要內(nèi)容。CONTENTS目錄010203水資源及其開發(fā)利用水文學(xué)現(xiàn)象及其研究方法課程主要任務(wù)與內(nèi)容PART01水資源及其開發(fā)利用1.1水資源的涵義及特點1.1.1水資源的涵義及特點水資源是一種自然資源，是人類賴以生存和發(fā)展不可替代的一種資源。各時期對水資源的含義存在著不同的見解，2012年聯(lián)合國教科文組織和世界氣象組織共同給出了水資源的涵義：“水資源是指可供利用或有可能被利用的水源，這個水源具有足夠的數(shù)量和合適的質(zhì)量，并滿足某一地方在一段時間內(nèi)具體利用的需求”。我國GB/T50095-2014《水文基本術(shù)語和符號標(biāo)準(zhǔn)》給出的水資源定義為“地表和地下可供人類利用又可更新的水。通常指較長時間內(nèi)保持動態(tài)平衡，可通過工程措施供人類利用，可以恢復(fù)和更新的淡水”。1.1水資源的涵義及特點水資源是可作為資源利用的水，指地球表層可通過工程措施供人類利用，又可在較長時間內(nèi)保持動態(tài)平衡，可恢復(fù)和更新的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)淡水。水資源具有以下普遍的特點：循環(huán)性水資源的特點多用途性有限性分布的不均勻性利害兩重性1.1水資源的涵義及特點（1)循環(huán)性。水資源與其它固體資源的本質(zhì)區(qū)別在于其所具有的流動性，它是在循環(huán)中形成的一種動態(tài)資源。因此，水資源難以按地區(qū)或城鄉(xiāng)的界限硬性分割，而只應(yīng)按流域，自然單元進(jìn)行開發(fā)、利用和管理。（2)多用途性。水資源是具有多種用途的自然資源，水量、水能、水體均各有用途。人們對水資源的利用十分廣泛，主要的用水有：①農(nóng)業(yè)(包括林、牧，副業(yè))生產(chǎn)用水；②工業(yè)生產(chǎn)用水；③城鎮(zhèn)居民生活用水；④水力發(fā)電用水；⑤船筏水運(yùn)用水；⑥水產(chǎn)養(yǎng)殖用水；⑦水利環(huán)保護(hù)等。1.1水資源的涵義及特點（3)有限性。在一定時間、空間范圍內(nèi)，大氣降水對水資源的補(bǔ)給量是有限的，這就決定了區(qū)域水資源的有限性。從水量動態(tài)平衡的觀點來看，某一期間的水量消耗量接近于該期間的水量補(bǔ)給量，否則將會破壞水平衡，造成一系列不良的環(huán)境問題。可見，水循環(huán)是無限的，水資源的蓄存量是有限的，并非取之不竭，用之不盡。（4)分布的不均勻性。水資源在自然界中具有一定的時間和空間分布。時空分布的不均勻是水資源的又一特性。我國水資源在區(qū)域上分布不均勻。總的說來，東南多，西北少；沿海多，內(nèi)陸少；山區(qū)多，平原少。在同一地區(qū)中，不同時間分布差異性很大，一般夏多冬少。（5)利害兩重性。水作為重要資源給人類帶來各種利益，但當(dāng)水量集中得過快、過多時，又會形成洪澇災(zāi)害，給人類帶來嚴(yán)重災(zāi)難。人類在開發(fā)利用水資源的過程中，一定要用其利、避其害。1.1水資源的涵義及特點1.1.2水資源的開發(fā)利用水資源是一種動態(tài)資源，其特點主要表現(xiàn)為循環(huán)性、多用途性、有限性、分布的不均勻性和利害兩重性。人們在長期的生產(chǎn)、生活過程中，為了自身和環(huán)境的需要在不斷地認(rèn)識和開發(fā)利用水資源，其開發(fā)利用包括興水利、除水害和保護(hù)水環(huán)境。興水利主要指農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電、城鄉(xiāng)給排水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)等；除水害主要是防止洪水泛濫成災(zāi)；保護(hù)水環(huán)境主要是防治水污染，維護(hù)生態(tài)平衡，為子孫后代的可持續(xù)利用和發(fā)展留一片綠水青山。1.1水資源的涵義及特點1.1.2水資源的開發(fā)利用興水利主要指農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電、城鄉(xiāng)給排水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)等；除水害主要是防止洪水泛濫成災(zāi)；保護(hù)水環(huán)境主要是防治水污染，維護(hù)生態(tài)平衡，為子孫后代的可持續(xù)利用和發(fā)展留一片綠水青山。1.1水資源的涵義及特點1.1.2水資源的開發(fā)利用水資源的開發(fā)利用主要是通過各種各樣的工程措施來實現(xiàn)。（1)按開發(fā)利用水資源的目的分為:興利工程:農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電、城鄉(xiāng)給排水、航道整治、排澇等工程。防洪工程:水庫、堤防、分洪、滯洪等工程。水環(huán)境保護(hù)工程:治污工程、水土保持工程、天然林保護(hù)工程等。2)按開發(fā)利用水資源的類型分為:地表水資源開發(fā)利用工程:蓄水、引水、揚(yáng)水(提水)、調(diào)水等工程。地下水資源開發(fā)利用工程:管井、大口井、輻射井、滲渠等。綜上所述，無論哪種工程措施都與水資源密切相關(guān)，所以工程的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工和運(yùn)行管理都必須用到關(guān)于水資源的科學(xué)知識。1.1水資源的涵義及特點1.1.3我國水資源狀況我國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家。淡水資源總量為28000億m3，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯、美國、印尼和加拿大，居世界第6位，但人均只有2300m3，僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5，在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一?？鄢y以利用的洪水徑流和零星分布而不具開采利用價值的地下水資源，我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億m3左右，人均可利用水資源量約為900m3，并且其分布極不均衡。地球上水資源約47萬億m3，淡水資源僅占全球水資源量的0.134%；而我國淡水資源總量約2.8萬億m3，占全球淡水資源量不足6%，人均水資源量非常緊缺。1.1水資源的涵義及特點1.1.3我國水資源狀況1.1水資源的涵義及特點1.1.3我國水資源狀況據(jù)監(jiān)測，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能，還進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾，對我國正在實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了嚴(yán)重影響，而且還嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。1.1水資源的涵義及特點1.1.3我國水資源狀況據(jù)預(yù)測，2030年中國人口將達(dá)到16億，屆時人均水資源量僅有1750m3。在充分考慮節(jié)水情況下，預(yù)計用水總量為7000億至8000億m3，要求供水能力比現(xiàn)在增長1300億至2300億m3，全國實際可利用水資源量接近合理利用水量上限，水資源開發(fā)難度極大。目前：《最嚴(yán)格水資源管理制度》《水十條》PART02水文現(xiàn)象及其研究方法1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律自然界的降水與蒸發(fā)，江河中的水位與流量以及含沙量等水文要素，均受到當(dāng)?shù)貧夂?、地表特征以及人類?jīng)濟(jì)活動等因素的影響，其變化是錯綜復(fù)雜的，這些水文要素變化的現(xiàn)象稱之為水文現(xiàn)象。水文現(xiàn)象屬于自然現(xiàn)象，是由自然界中各種水體的循環(huán)變化所形成的。比如降雨、蒸發(fā)、河流中的洪水、枯水等。它和其他自然現(xiàn)象一樣，是許許多多復(fù)雜影響因素綜合作用的結(jié)果。這些因素按其影響作用分為必然性因素和偶然性因素兩類。其中，必然性因素起主導(dǎo)作用，決定著水文現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的趨勢和方向；而偶然性因素起次要作用，對水文現(xiàn)象的發(fā)展過程起著促進(jìn)和延緩作用，使發(fā)展的確定趨勢出現(xiàn)這樣或那樣的偏離。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律經(jīng)過人們對水文現(xiàn)象的長期觀察、觀測、分析和研究，發(fā)現(xiàn)水文現(xiàn)象具有以下三種基本特點：（1)水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律；（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。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律（1)水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律水文現(xiàn)象同其他自然現(xiàn)象一樣，具有必然性和偶然性兩方面，在水文學(xué)中通常稱必然性為確定性，稱偶然性為隨機(jī)性。河流每年都有洪水期和枯水的周期性交替；冰雪水源河流具有以日為周期的水量變化。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的基本原因是地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，在一個河流流域上降落一場暴雨，這條河流就會出現(xiàn)一次洪水過程，如果暴雨強(qiáng)度大、歷時長、籠罩面積大，產(chǎn)生的洪水就大，顯然，暴雨與洪水間存在因果關(guān)系，這就說明，水文現(xiàn)象都有其客觀發(fā)生的原因和具體形成的條件，它是服從確定性規(guī)律的。但是，水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律并不能用嚴(yán)密的數(shù)理方程表達(dá)出來。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律（2)水文現(xiàn)象的隨機(jī)性規(guī)律河流某斷面每年洪水期出現(xiàn)的最大洪峰流量，枯水期的最小流量或年徑流量的大小是變化莫測的，具有隨機(jī)性的特點。但是，通過長期觀測可以發(fā)現(xiàn)，特大洪水流量和特小水流量出現(xiàn)的機(jī)會較小，中等洪水和枯水出現(xiàn)的機(jī)會就較大，而多年平均年徑流量卻是個趨近穩(wěn)定的數(shù)值，水文現(xiàn)象的這種隨機(jī)性規(guī)律需要由大量資料統(tǒng)計出來，所以通常稱為統(tǒng)計規(guī)律。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.1水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律（3)水文現(xiàn)象的地區(qū)性規(guī)律由于氣候因素和地理因素具有地區(qū)性變化特點，因此受其影響的河流水文現(xiàn)象在一定程度上也具有地區(qū)性特點。若氣候因素和自然地理因素相似，則其水文現(xiàn)象在時空上的變化規(guī)律具有相似性。若氣候因素和自然地理因素不相似，則其水文現(xiàn)象也具有比較明顯的差異性。如我國南方濕潤地區(qū)的河流，普遍水量豐沛，年內(nèi)各月水量分配比較均勻等。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.2水文學(xué)的研究方法水文學(xué)的研究方法主要有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、地區(qū)綜合法。（1)成因分析法所有水文現(xiàn)象的形式，是受著流域多種因素影響的結(jié)果。所以說，多種影響因素與水文現(xiàn)象之間存在著因果關(guān)系。這樣，就可以根據(jù)觀測所得的水文資料，建立水文要素與其影響因素之間的定量關(guān)系，亦即從水文現(xiàn)象的成因出發(fā)，去研究水文要素變化的規(guī)律，則稱為成因分析法。這種方法可求出比較確切的成果，對水文現(xiàn)象進(jìn)行基本分析和在水文預(yù)報中，目前得到廣泛的應(yīng)用。但在工程規(guī)劃設(shè)計中，成因分析法有一定的局限性。不完全滿足工程設(shè)計的需要。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.2水文學(xué)的研究方法水文學(xué)的研究方法主要有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、地區(qū)綜合法。（2)數(shù)理統(tǒng)計法由于工程設(shè)計需要水文計算預(yù)估河流未來的水文情勢。而水文現(xiàn)象的變化，具有不重復(fù)出現(xiàn)的隨機(jī)特性，因而可借助數(shù)理統(tǒng)計的原理，以頻率計算為方法，根據(jù)實測的水文資料，分析水文特征值的統(tǒng)計規(guī)律，從而為工程規(guī)劃設(shè)計提供所需要的水文數(shù)據(jù)。以這種方法計算所得的水文數(shù)據(jù)，并不能闡明水文現(xiàn)象的成因，也不能按時序確定它的數(shù)量大小，放在運(yùn)用上可將以上兩種計算途徑結(jié)合起來，以期獲得滿意的成果。在工程規(guī)劃設(shè)計中，數(shù)理統(tǒng)計法仍是水文計算采用的主要方法。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.2水文學(xué)的研究方法水文學(xué)的研究方法主要有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、地區(qū)綜合法。（3)地區(qū)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，水文現(xiàn)象也具有地區(qū)性的分布律。所以，對短缺水文資料的地區(qū)，可借用鄰近相似地區(qū)的資料，或利用分區(qū)綜合分析的成果，進(jìn)行水文計算。如應(yīng)用水文要素的等值線圖或分區(qū)圖，地區(qū)性的經(jīng)驗公式或圖表來估算工程規(guī)劃設(shè)計所需要的水文數(shù)據(jù)。由于我國土地遼闊，中小河流水文資料短缺，因面使用這種方法是非常必要和可行的。用以上三種方法解決實際問題時，常常同時使用，它們應(yīng)是相輔相成，互為補(bǔ)充的。同時，應(yīng)根據(jù)工程所在地的地區(qū)特點，遵循“多種方法，綜合分析，合理選定”的原則，采用合適的方法，才能為工程規(guī)劃設(shè)計提供可靠的水文依據(jù)。1.2水文現(xiàn)象及其研究方法1.2.2水文學(xué)的研究方法水利計算的主要研究方法是采用基于水量平衡原理的調(diào)節(jié)計算方法。按照研究的對象和特點，調(diào)節(jié)計算可分為興利調(diào)節(jié)(指調(diào)節(jié)水量)、洪水調(diào)節(jié)、水能調(diào)節(jié)(既調(diào)節(jié)水量又調(diào)節(jié)水頭)。通過對工程的不同方案調(diào)節(jié)計算，研究工程規(guī)模與效益之間的關(guān)系，為合理確定工程規(guī)模、效益提供依據(jù)。調(diào)節(jié)計算方法是水利計算的核心內(nèi)容，掌握調(diào)節(jié)計算方法是學(xué)習(xí)水利計算的關(guān)鍵。PART03課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.1主要任務(wù)天然來水可以為人類社會所利用，成為自然資源；然而來水過多或過少，反會成為威脅人類生存和社會發(fā)展的水、旱災(zāi)害。為了充分利用水資源和防治水災(zāi)害，人們興建了大量的水利水電工程。水利水電工程從興建到運(yùn)用過程可以劃分為規(guī)劃設(shè)計、施工及管理運(yùn)用三個階段，每一階段都需要進(jìn)行水文水利計算。而每個階段水文水利計算的任務(wù)有所不同。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.1主要任務(wù)水利水電工程在規(guī)劃設(shè)計階段主要是確定工程規(guī)模。在規(guī)劃設(shè)計階段工程水文的任務(wù)是為工程規(guī)劃設(shè)計提供設(shè)計水文數(shù)據(jù)，即設(shè)計水文特征值及水文過程等，如設(shè)計年徑流、設(shè)計洪峰流量及設(shè)計洪水等；水利計算的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計水文數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)計算、經(jīng)濟(jì)論證等，合理確定工程樞紐參數(shù)，如正常蓄水位、設(shè)計洪水位等；工程規(guī)模，如壩頂高程、溢洪道尺寸等；工程效益，如供水量、灌溉面積、發(fā)電量等。顯然，水文計算出來的設(shè)計水文數(shù)據(jù)不合理，則會導(dǎo)致水利計算成果不合理。工程規(guī)模主要取決于河流的來水量或洪水，如果對河流水量估計過大，就會使工程設(shè)計規(guī)模太大，造成資金浪費；反之對來水量估計過小，則工程設(shè)計容量不夠，以致不能充分利用水資源，特別是對河流洪水的估計偏小，使泄洪能力設(shè)計不足，將直接關(guān)系到工程本身安全和下游人民生命財產(chǎn)的安全。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.1主要任務(wù)施工階段工程水文計算的任務(wù)是為確定臨時性水工建筑物的規(guī)模提供施工期設(shè)計洪水，此外，為了使施工現(xiàn)場不受洪水淹沒，保證工作正常進(jìn)行，施工期還要提供中、短期水文預(yù)報信息。管理運(yùn)用階段工程水文計算的任務(wù)是根據(jù)水文分析計算獲得未來長時期內(nèi)可能出現(xiàn)的平均情勢，再考慮到水文預(yù)報所提供的較短期內(nèi)的實時預(yù)報，從而擬定出最佳的調(diào)度運(yùn)用方案。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.1主要任務(wù)總之，工程水文及水利計算是每一個水利水電工程在規(guī)劃設(shè)計、施工、管理運(yùn)用中的一個經(jīng)常需要的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)水利工程措施的組成部分。興建和管理好各種水利工程，都必須應(yīng)用工程水文與水利計算的原理和方法，以及其他有關(guān)的水文知識，因此學(xué)好該課程對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后從事水利工作具有重要的意義。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.2主要任務(wù)水文學(xué)是研究地球上各種水體的一門科學(xué)，它研究各種水體的存在、循環(huán)和分布，探討水體的物理和化學(xué)特性，以及它們對環(huán)境的作用，包括它們對生物的關(guān)系。水體是指天然或人工形成的水的聚積體，包括海洋、河流(運(yùn)河)、湖泊(水庫)、沼澤(濕地)、冰川、積雪、地下水和大氣圈中的水等。各種水體都有自己的特性和變化規(guī)律，因此，水文學(xué)可按其研究的對象分為水文氣象學(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)和地下水文學(xué)等。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.2主要任務(wù)各種天然水體中，河流與人類生活的關(guān)系最為密切，因此，河流水文學(xué)與其他水體水文學(xué)相比，發(fā)展得最早最快，目前已成為內(nèi)容比較豐富的一個學(xué)科。正是由于這個原因，一般所說的水文學(xué)指的就是河流水文學(xué)。河流水文學(xué)按其研究的任務(wù)的不同，可劃分為下列幾個主要分支學(xué)科：1)水文學(xué)原理：研究水循環(huán)的基本規(guī)律和徑流形成過程的物理機(jī)制。2)水文測驗學(xué)及水文調(diào)查：通過適當(dāng)?shù)乃臏y驗手段，資料整編方法，實驗研究方法，水文調(diào)查方法等，收集和整理各種水文資料。3)水文預(yù)報：在研究水文規(guī)律的基礎(chǔ)上，預(yù)報未來短時期的水文情勢，為防汛抗早服務(wù)。4)水文分析與計算：在研究水文規(guī)律的基礎(chǔ)上，預(yù)估未來長時期的水文情勢，為水資源開發(fā)利用措施的規(guī)劃，設(shè)計、施工和運(yùn)用提供水文數(shù)據(jù)。1.3課程主要任務(wù)與內(nèi)容1.3.2主要任務(wù)水利計算是指水資源開