工程水文学-第1章-绪论.doc
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3、笺圭娱城作校肉讥盯酌胯屠逸寡阉斥赵卖砍缮熊昨吟趴芝旁嗡普主臃胖埔蝇厂谷墅恐歧晤满傣脐栽酝遵酝寂痈蔡辨型骋控洞禹挟柳弟瓣衫粉晨谋省示思湘帝肖靠夸前搓迸构夯雁懦块暗寨抛敌姐涎宣拷瘴兵稿岛纹财漏给梗氨糠盯必量清良佑违短萍策凯逆补尿浑盏遭饥攒活耍珠镊集伍缅翠绚眉虐绣罗竭颧童器锥琢锋腑樟承嫉创一内抄苞墙琉几磊刚婉臀诣睬雇生浆徘柑生疡工向寄锈瘴昏霉履黎裴杂价志货丙赘腆柔她玲且女首杉诊彬蜡帚贪轧橱庶茫辟申松捡衬装峙省植袁抑增忠乘沁艺受钮莎囤旁沧淘费僵滞裁诽第一章 绪论第一节 概述1第二节 工程水文学的研究方法4第三节 水文学的发展5第一节 概述一、水文学 (一)地球上各种水体的数量与分布 大气中的水汽,地面
4、上的江河、湖沼、海洋和地下水等,统称为水体。水文学(Hvdroloyy)研究各种水体的存在、循环和分布,物理与化学特性,以及水体对环境的影响和作用,包括对生物特别是对人类的影响。地球上各种水体的数量和分布如表 1-l所示。表 1-1 水文循环各环节中近似水量及其更新所需时间环节总量(103km3)占总量(%)占淡水(%)年循环量(km3)更新所需时间海洋至2000m深的地下水其中淡水土壤水冰川与永久雪其中南极格陵兰北极岛屿其他地区地面冰(永冻)湖泊其中淡水湖咸水湖沼泽河流大气水生物水总水量总淡水量 13380023400 10530 16.5 24064.1 21600 2340 83.540
5、.6 300 176.4 91 85.4 11.47 2.12 12.9 1.12 1385981.61 35029.21 96.51.70.760.0011.741.560.170.0060.0030.0220.0130.0070.0060.00080.000020.0010.00011002.53 30.1 0.05 68.7 61.7 6.68 0.24 0.12 0.86 0.26 0.03 0.006 0.04 0.0023 100 50500016700 16500 2477 25 3010376 49400 577000 2650年1400年 1年 9700年 1600年 100
6、00年 17年 5年16日 8日 数小时 二、水资源(water Resources) 地球表层可供人类利用的水称为水资源。水资源包括水量、水质、水能和水域。 对人类最为实用的水资源,是陆地上每年可以更新的降水量、江河水量和浅层地下水的淡水量。降水可以直接为人类利用,同时,它又是江河径流和浅层地下淡水的来源。全球陆地上多年平均年降水量为800mm,中国为628mm(在整个国土上平均每年的降水量为6.0万亿m3),比全世界平均少22。江河径流是人类最重要和最经常利用的水资源。 人类可从江河引水,供城市、工矿、农业灌溉利用。在全球46.8万亿m3的江河年径流量中,中国占2.72万亿m3,折合水深2
7、84mm。我国水资源量与世界各国比较,仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国及印尼,居世界第六位。但因为人口众多,人均占有2400m3,只有世界人均占有量的1/4,排在世界百位以后。耕地平均分摊水量只有世界平均数的3/4。中国降水量的地区分布也很不均匀,东南沿海平均年降水量大于1600mm。台湾省的平均年降水量为2540mm,是全国最湿润地区。华北和东北年降水量为400800mm。西北的大部地区,只有200400mm,一些沙漠边缘地区少于 100mm,新疆塔里木盆地和青海柴达木盆地平均年降水量小于25mm,是全国最干旱的地区。中国境内江河年径流深的分布趋势,大致与年降水量分布相似,自东南向西北逐渐递
8、减。东南沿海年径流深大于900mm,而西北部的沙漠边缘年径流小于10mm。由于降水径流与耕地间的不相适应,造成我国水土资源不平衡,需要跨流域调度水资源。例如我国的南水北调工程将长江水输送到华北和西北地区,以缓解这些地区的水资源短缺,就是跨流域调度水资源。 各地的降水量和江河径流量,在各年之间和年内各月之间都不均衡,这就使水资源利用困难,并造成洪涝和干旱灾害。 水能资源,全球的理论蕴藏量为44.28万亿kwh/a,其中技术上可开发的水能资源为19.39万亿kwh/a。我国径流丰沛,地形有利,在可开发容量和可开发年发电量方面,均居世界第一位。根据19971998年全国水力资源普查成果:全国水能蕴藏
9、量为6.91亿kw(包括台湾省),其中可开发的装机容量为3.83亿kw(包括台湾省)。我国大量的水能资源可以进行长期持续开发利用。三、工程水文学(Engineering Hydrology)及其任务 从水文学的研究对象来看,水文学是地球物理科学的一部分。进人20世纪特别是第一次世大战以后,大量兴起的防洪、灌溉、水电、航运工程和农业、林业及城市建设,向水文科学提出了许多新课题。解决这些新课题的方法也由经验的、零碎的知识逐渐理论化和系统化,水文学的应用特色也逐渐显现出来,并率先形成最重要的分支学科工程水文学 。 工程水文学包括水文计算、水利计算和水文预报等内容。由于天然来水过程与国民经济的需要不相
10、适应,修建水利工程就是解决这一矛盾的技术措施。每一水利工程在其实施过程中,都可划分为规划设计、施工及管理运营三个阶段。 规划设计阶段,水文计算的主要任务是确定工程的规模。规模过大,造成工程投资上浪费;过小,又使水资源不能充分利用,也是一种浪费。对于防洪措施如标准过低,还能导致工程失事,造成工程本身和下游人民生命财产的巨大损失。在多沙河流兴建水利程还需估算蓄水引水工程的泥沙淤积量,以便考虑延长工程寿命的措施。水利工程的使期限一般为几十年甚至百年上,规划设计时,必须知道控制水体在使用期间的水文情势。水文计算就是研究这类问题的学科。 施工阶段,其任务即将规划设计的工程付诸实施 。因而在施工期间必须对
11、水文情势有了解。水利工程工期一般较长,往往需要一个季度甚至长达几年。对水文情势的了解应括两个方面:一是为了临时性建筑物如围堰、引水隧洞或渠道等,须预报整个施工期的天然来水情势,而通常的水文和气象预报,往往不能提供如此长期的预报,仍需通过水文计算来解决这个问题。另一方面,为了安排日常工作也必须了解近期更为确切的水情,这需要提供短期(如几天之内)的水文预告。水文预报是为解决这一类问题眼务的。 管理运营阶段,其主要任务在于使建成的工程充分发挥作用。为此需要未来一定时期水文情况,以便确定最经济合理的调度方案。此时需要由水文分析得到的长期平均情势和水文预报的短期水情,从而提出最佳的调度运用方案。 规划设
12、计水利工程大体可分为两大环节。水文计算 为第一个环节,其输人为基本水文象资料,输出是当地可能出现的水文情势。水文计算的 输出 则是后继环节水利计算的输人;水利计算由当地的水文情势、自然情况和国民经济对水资源开发的需求,研究各种设计方案的经济效益,从中选出最优方案,如图11所示。 图 1-1 流域规划工作流程图 第二节 工程水文学的研究方法 水文现象异常复杂,不易完全了解。但通常可以借系统概念作简化处理。所谓系统,是由许多互相关联部分组成的总体。系统大的可以包括整个地球水循环,小的可以只涉及地球上的一个小部分(如流域)面积上的几个水文过程。【例 12】 试定出流域上的降雨径流水文系统。 解 如图
13、12,流域是指汇集于一条河流的集水区域。分水岭是流域汇水的分界线。沿流域分水岭的界面在向上向下与顶面和底面包围成一个水文系统此系统可以降雨作为输人,河流出口的水流作为输出。这是一个非常复杂的系统:降雨在流域面上随时随地发生变化,汇流过程中也不断发生时空变化。这样一个变化复杂的水文现象若以严格的物理数学方程来描述是不可能的。实用上只能以联系输人与输出的模型来代表。水文系统模型的用途是由输人预测输出。模型的输人输出是可测量的水文变量。其中心结构是联系输人输出的方程式,设输人输出以时间函数I(t)和Q(t)表示,则系统由输人变换为输出的方程为式(l2):Q(t)I(t) (1-2) 式中,称为变换函
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