1、橋 涵 水 文n參考書：n1 葉鎮國 ，水力學與橋涵水文，北京：人民交通出版社n2 張學齡， 橋涵水文， 北京：人民交通出版社第1章 緒 論 11 水文學的研究內容水文學的研究內容水文學水文學 就是研究自然界中水體形成、分布、變 化、運動、相互轉化和與環境相互作用 規律的一門科學。水文學可分為： 水文氣象學、河流水文學河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文 學、冰川水文學、海洋水文學、地下水文學等。水文學的內容：水文學的內容：1，水文測驗和資料整編與發布，這是水文分析計算和 研究的基礎性工作；2，水文實驗研究；3，水文分析與計算，如百年一遇的流量工程規劃 提供依據；4，水文預報；5，水文地理：研究水

2、文特征與地理因素間的關系；6，河流的沖刷與泥沙淤積計算；7，其他，如水情、興利和防洪調度等。 121水文現象的基本規律水文現象的基本規律 1水文現象的確定性規律（成因規律、周期性） 2水文現象的隨機性規律 3水文現象的地區性規律12 水文現象基本規律及其研究方法水文現象基本規律及其研究方法1成因分析法 建立某水文現象與其影響因素之間確定性的定量關系定量關系。2數理統計法（概率理論為基礎） 求某水文要素的概率分布概率分布，得出工程規劃設計所需的設計水文特征值水文特征值。 利用兩個或多個變量之間的統計關系相關關系相關關系，進行相關分析，以展延水文系列或做水文預報水文預報。 3地區綜合法 根據氣候要

3、素和其他地理要素的地區性規律，可以按地區研究受其影響的某些水文特征值的地區變化規律。 每種水文現象都程度不同地存在著以上三種規律性，常常根據實際情況和需要，選用一種或幾種方法計算，以便得出合理可靠的成果。122 水文研究的基本方法水文研究的基本方法13 水文科學的發展n至17世紀后期逐步形成一門比較獨立的學科獨立的學科。n水位觀測最早水位觀測最早，公元前約22世紀，大禹治水的“隨山刊木”。n雨量觀測，14世紀70年代開始。n15世紀歐洲，設立水文站網水文站網系統觀測水文、流量、降水、蒸發、泥沙等。n1674貝羅特的噴泉起源在水文循環的概念下，提出流域水量平衡原理，并計算出塞納河伯格底以上的年徑

4、流量為年降雨量的1/6，標志水文作為一門學科已經初步形成。n上世紀60年代以來，由于電子計算機和衛星遙感遙測技術的出現，開始水文預報、預測（水量、水質）、水文信息采集、模型計算、優化調度一體化等。 第第2章章 河流與徑流河流與徑流 21 河流與流域 n 接納地面徑流和地下徑流的天然泄水通道稱 河流。河流。n 供給河流地面和地下徑流的集水區域叫 流域，流域，它由 匯集地面徑流的地面集水區和匯集地下徑流的地下 集水區所組成。n 流域里大大小小的水流，構成脈絡相通的系統稱河河 系系(河網河網)，又稱 水系水系 。 211 河流特征 1河流長度n 自河源河源沿主河道主河道至河口河口的長度稱為 河流長度

5、河流長度，簡稱河長。 2河流分段(河源、上游、中游、下游、河口 5段)n河源河源 ：是河流的發源地，可以是泉水、溪澗、沼澤、冰川等。n上游上游 ：直接連接河源，河谷窄、坡度大、水流急河谷窄、坡度大、水流急、下切侵蝕為 主，河流中常有瀑布、急灘。n中游：中游： 河段坡度漸緩，下切力減弱，旁蝕力加強，急流、瀑 布消失，河槽變寬，兩岸有灘地，河床較穩定河槽變寬，兩岸有灘地，河床較穩定。n下游下游 ：河槽寬、坡度緩、流速小，淤積為主，淺灘沙洲多，河淤積為主，淺灘沙洲多，河 曲發育。曲發育。 河口河口 ：河流注人海洋或內陸湖的地區。 3河谷與河槽n 可以排泄河川徑流的連續凹地稱為 河谷河谷。n谷底過水的

6、部分稱 河槽河槽。n河槽的橫斷面稱 過水斷面（單式過水斷面（單式、復式）復式）。n復式斷面復式斷面 由枯水河槽和灘地組成，洪水時灘地將被淹沒和過水。4河道縱比降n 河段兩端的高程差叫 落差落差。n 單位河長的落差稱河道縱比降河道縱比降，稱河流坡降。n 用面積相等求河道的平均縱比降平均縱比降。212流域特征 1分水線和流域分水線和流域 （1）分水線分水線 地形上的脊線起著分水作用，稱為分水分水 線線或分水嶺分水嶺。n分水線是相鄰兩流域的分界線分界線。 秦嶺 是長江與黃河的分水嶺。 南嶺 是湘江與珠江的分水嶺。n由于地質條件和地貌特征影響，地面、地下分水 線可能不一致。 (2) 流域流域 流域是指

7、匯集地面、地下徑流的區域，是相對河流某一斷面而言。n當流域的地面、地下分水線重合，河流下切比較深，流域面積上降水產生的地面、地下徑流能夠全部經過出口斷面排出者，稱閉合流域閉合流域。n當地面、地下分水線不一致，或河流下切較淺，出水口流出的徑流并不正好是地面集水區降水產生的徑流時，稱非閉合流域。非閉合流域。2流域的幾何特征流域的幾何特征n流域面積F。劃地面分水線，用求積儀求積儀求得。n流域長度L：以流域出口為中心作許多同心圓，由每個同心圓與流域分水線相交點作割線，各割線中心點的連線為流域長度。n平均寬度B：流域面積除以流域長度。n流域形狀系數K=B/L。n(1) 流域的地理位置 （經度和緯度）n(

8、2) 流域的氣候條件 （降水、蒸發、溫度、濕度、風） n(3) 流域的地形（地形圖、流域平均高程 和平均坡度）n(4) 流域的土壤、巖石性質和地質構造(影響下滲） n(5) 流域的植被 森林（對減少泥沙和洪水有重要作用）n(6) 流域的湖泊與沼澤 （徑流起調節作用） 3流域的自然地理特征流域的自然地理特征 22 徑流及其形成過程徑流及其形成過程1水分循環n自然界中水的循環有蒸發、降水、下滲和徑流4個主要環節。2地球的水量平衡n水文循環過程中，任一地區一定時段內進入的水量與輸出的水任一地區一定時段內進入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水的變化量，此即水量平衡原理。量之差，必等于其蓄水的變化量，

9、此即水量平衡原理。n每年的蓄水變量有正有負，長期多年的平均值趨近于零。n全球的降水量和蒸發量是相等的（長期多年的平均值）。 221 水文循環與水量平衡水文循環與水量平衡n降水；n蒸發；n下滲；n水位；n流量；222 水文觀測與水文資料收集 1）降雨強度過程線 n 將時段雨量除以時段長，得時段平均降雨強度，簡稱雨強雨強。n以雨強為縱坐標，以時間為橫坐標，可繪一次降雨的時段平時段平均降雨強度過程線均降雨強度過程線（1線）。n當時段取得很小時，1線變為一條光滑的曲線，稱瞬時降雨強瞬時降雨強度過程線。度過程線。 1 降水降水 (1)降雨時程變化的描述方法降雨時程變化的描述方法2)累積降雨過程線 （降雨

10、強度過程線隨時間積分）n圖中2線，是對1線下各時段雨量按時程累加而得。n累積過程線的坡度就是相應時間的降雨強度。 1）算術平均法算術平均法 當流域內雨量站分布比較均勻，地形起伏變化不大時，可用算術平均法求流域某時段的平均雨量：(2)流域平均雨量計算流域平均雨量計算 Pi該時段第i站的降雨量，mm，i=1，2，n； n雨量站站數。 n先用直線(圖中的虛線)連接流域內及附近相鄰的雨量站，成為很多個三角形；n然后，在各連線上作垂直平分線，它們與流域周界一起組成n個多邊形，每個多邊形每個多邊形正好有一個相應的雨量站。正好有一個相應的雨量站。2)泰森多邊形法泰森多邊形法 當流域雨量站分布不太均勻時，該法

11、假定流域各處的雨量可由與其距離最近的雨量站代表。nP1、P2、Pn為各雨量站觀測的雨量；n f1、f2、f3、fn為各站代表的多邊形面積；n F為流域面積。流域平均雨量計算公式：流域平均雨量計算公式：n首先按各雨量站同時期的雨量，類似繪制等高線那樣，繪出等雨量線；n量出流域內各相鄰等雨量線間的面積f i；n并由相鄰的等雨量線值算出f i上的平均雨量P i。3)等雨量線法等雨量線法 當流域地形變化較大，區域內有足夠數量的雨量站，能結合 地形變化繪出等雨量線圖時用此法。計算流域平均雨量 此法能考慮流域地形的變化繪制等雨量線，比較好地反映了降雨在流域上的變化，精度較高，但繪制等雨量線需要較多站點的資

12、料，且每次都要重繪，工作量很大。2蒸發n水面蒸發n土壤蒸發n植物蒸散發n現在應用最多的方法：用流域水量平衡的方法推求，以實測的降水量和徑流量反推流域的蒸散發量3 下滲n同一地點不同時間的下滲能力不同；n同一時間不同點的下滲能力不同。n下滲能力可用曲線表示，隨時間增長而衰減。n實用上，用實測降雨、徑流資料反推流域平均下滲能力曲線或用下滲能力地區分布函數； n我國統一采用青島附近的黃海海平面作為標準基面。n水尺觀測：變化平穩時，每日8時和20時各一次 枯水期，每日8時一次 汛期每日4次（或更多）n自記水位計：觀測連續n日平均水位，月平均水位，年平均水位n年、月最高、最低水位、洪水水位 4 水位5

13、流量（1）流速儀觀測流量 1）斷面測量、布置測深垂線 2）流速計算與流量計算n點流速測量n第m條垂線上的平均流速（5個測點時）：n 第i快面積上的平均流速： 中間部分： 左、右岸部分n流量計算（2）浮標法觀測流量n在上游沿河寬均勻投放浮標，v=L/Tn在曲線上查測深垂線的平均流速n計算兩垂線間的面積和平均流速n累加求全斷面的流量 （3）流量資料的整編： 1）常測水位下的水位流量關系曲線的繪制n 水位面積曲線n 水位速度曲線n 水位流量曲線2）水位流量關系曲線的延長n低水位：順勢延長順勢延長 展延幅度不應超過展延幅度不應超過10%。n高水位：展延幅度不應超過實測流量對應水位變幅的展延幅度不應超過

14、實測流量對應水位變幅的30% A：延長延長水位速度曲線，此線高水位 時趨于一條與縱軸平行的直線； 實測實測 高水位的水位面積曲線； vQ計算公式計算公式 B：用水力學公式計算：用水力學公式計算：21326111JRnQRJRnRJCvhRnV Q 3）資料整編推求逐日平均流量：推求逐日平均流量：n 一日內流量變化不大時，用日平均水位 在Z-Q線上查得日平均流量；n一日內流量變化大時，用逐時水位在Z-Q線上查流量，再用算術平均法或面積包圍法求日平均流量。6泥砂 河流中的泥沙，按其運動形式分為 懸移懸移質、推移質質、推移質 和和 床沙床沙 3種。n懸移質懸移質 泥沙懸浮于水中并隨之運動；n推移質推

15、移質 泥沙受水流沖擊沿河底移動或滾動；n河床河床 泥沙則是指組成河床并處于相對靜止狀態的泥沙。 (1)懸移質泥沙測驗n含沙量含沙量 單位水體的渾水中所含泥沙的重量。n輸沙率輸沙率 單位時間內通過測驗斷面的懸移質重量。n測沙垂線 垂線平均含沙量 斷面輸沙率n（2）推移質泥沙測驗及計算n推移質輸沙率推移質輸沙率 是指單位時間內通過測驗斷面的推移質泥沙重量。 測驗推移質：測驗推移質：n首先確定推移質的邊界，在有推移質的范圍內布設若干垂線，施測各垂線的單寬推移質輸沙率單寬推移質輸沙率；n計算部分寬度上的推移質輸沙率；n最后累加求得斷面推移質輸沙率。（3）河床泥沙測驗n河床泥沙以往常稱 河床質河床質，現

16、在多簡稱床沙。（4）泥沙顆粒分析n泥沙是由許多粒徑不同的泥土沙粒組成。沙樣中各種粒徑的泥沙各占多少(百分比)的分配情況，即該泥沙的顆粒級配。n反映這種級配情況的曲線圖稱為顆粒級配曲線，或簡稱粒配曲線。 7水文資料收集 (1) 水文年鑒和水文數據庫 (2) 水文手冊和水文圖集 (3) 水文調查n確定洪水的大小 Q。n確定洪水發生的日期，調查在歷史年代中的排列序位，以便估計它的出現頻率(重現期)。223 徑流形成過程n 流域上的雨水，除去損失以后，經由地面和地下途徑匯人河網，形成流域出口斷面的水流，稱之為 河川徑流河川徑流，簡稱 徑流徑流。n徑流隨時間的變化過程，稱 徑流過程徑流過程，它是工程規劃

17、設計、施工和管理的基本依據。（1）流量Q：流量流量 指單位時間內通過某一斷面的水量。（2） 徑流總量W：徑流總量徑流總量 是指時段T內通過某一斷面 的總水量，單位有m3 、 億m3 等。（3） 徑流深 R：徑流深徑流深是設想將徑流總量均勻地平鋪在整 個流域面積上所得的水深，常以mm計。 (4） 徑流模數徑流模數 M：單位面積上產生的流量稱徑流模數， 當Q為洪峰流量時，稱洪峰流量模數。（5）徑流系數徑流系數。 某一時段的徑流深R與相應的流域平均降 雨量P之比稱徑流系數。 因R是由P形成的，對于閉合流域R將小于P，所以 1。1徑流的表示方法與度量單位徑流的表示方法與度量單位23 泥沙運動與河床演變

18、 1泥沙特征n泥沙粒徑和粒配曲線n常用的沙樣特征粒徑為中值粒徑d50 n另一常用的特征值是平均粒徑(2) 泥沙的容重 和干容重231 泥沙運動基本規律泥沙運動基本規律niiniiipjPdPd11s (3) 水下休止角n 靜水中的泥沙，由于摩擦力作用，可以形成一定的傾斜面不至塌落，此斜面與水平面夾角稱為泥沙的水下休止角。(4) 泥沙的沉降速度n 泥沙在靜水中等速下沉時的速度，稱泥沙的沉降速度。它是泥沙的重要水力特性之一。n天然泥沙沉降速度經驗公式-（張瑞瑾公式）2推移質運動(1)泥沙的起動n河床面上的泥沙顆粒由靜止狀態變為運動狀態的臨界水流條件稱為 泥沙的起動條件。n常見的表達起動條件的形式有

19、起動流速和起動拖曳力兩種。我國工程界，使用起動流速的居多。n橋渡設計中，起動流速的計算常采用張瑞瑾公式，即 n式中vc 以垂線平均流速表示的起動流速，ms；n H 水深，m。(2) 推移質輸沙率n 推移質輸沙率除用單位時間內通過過水斷面的推移質數量表示外，工程中還常用 單寬推移質單寬推移質輸沙率輸沙率 qb 來表示，單位為kg(m.s)。n推移質輸沙率推移質輸沙率反映在一定水力、泥沙條件下水流所能挾帶的推移質數量，對河道的沖淤變化對河道的沖淤變化有重要影響。有重要影響。3懸移質運動n 一定水流泥沙條件下，河床處于不沖不淤平衡狀態時，單位體積水流挾帶懸移質懸移質泥沙的數量稱為 水流挾沙率水流挾沙

20、率。n懸移質中較細的部分，在河段的床沙中很少或沒有，幾乎不與床沙發生交換，不參加造床作用，基本上是一瀉而過，這部分泥沙稱做 沖瀉質沖瀉質。n懸浮質中較粗的部分(除去沖瀉質后的部分)在床沙中大量存在，其輸沙率與水流條件之間有較好的關系，與河道的沖淤變化密切相關，稱床沙質床沙質。n因此水流挾沙力多指水流所能挾帶的懸移質中床沙質的含水流挾沙力多指水流所能挾帶的懸移質中床沙質的含沙量沙量，單位為kgm3。n上游來流的含沙量與本河段的水流挾沙力不等時河床將發上游來流的含沙量與本河段的水流挾沙力不等時河床將發生沖淤變化。生沖淤變化。232 河床演變n 河流一般可分為 山區河流 和 平原河流 兩大類型。n山區河流山區河流 坡度陡，水流中的懸移質含沙量小于河段的水流挾沙力，以下切為主以下切為主。 河床多系基巖時，抗沖力強