导图社区 工程水文学思维导图
这是一篇关于工程水文学思维导图的思维导图,主要内容有1.1水文循环、1.2河川和海洋资源、1.3 水文学等。
编辑于2022-12-24 02:15:17 辽宁第一章 绪论
1.1 水文循环
1.1.1 水循环定义
水圈中的各种水体通过不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗、地面与地下径流的往复循环过程。
1.1.2 水文循环过程
雨水
植物截留
(蒸发)大气
落到地面
地面径流
(沿江河)大海
渗入地下
土壤或植物根系吸收
(蒸发)大气
渗入较深土层
(泉水或地下水流)大海
1.1.3 水文循环的原因
内因
水存在固、液、气三态
外因
地球引力、太阳辐射
1.1.4 水文循环分类
大循环
海洋
大气
陆地
海洋
小循环
海洋小循环
海洋
大气
海洋
陆地小循环
陆地
大气
陆地
大循环中水汽既有水平方向运动又有垂直方向运动,小循环仅有垂直方向运动。
1.1.5 水文循环的主要环节
蒸发,降水,下渗,径流
1.1.6 水体更新
水体通过水循环得到更新。
更新周期:tr=s/q
更新频率:n=1/tr
1.1.7 与水资源的关系
水文循环供给陆地源源不断的降水、径流,某一区域多年平均的年降水量或年径流量,即该地区的水资源量,因此水文循环的变化将引起水资源的变化。
1.2 河川和海洋资源
1.2.1河川资源
主要体现在:航运、淡水养殖、水能资源、水资源。
1.2.2海洋资源
主要体现在:海洋油气、海洋能、海洋渔业、海水淡化、海洋运输。
1.3 水文学
1.3.1 水文学
探讨地球上各种水体(江、河、湖、海)物理和化学性质、存在、循环和分布规律,及其与地理环境、人类社会活动之间的相互关系。
1.3.2 工程水文学
应用于实际工程的水文学
主要任务
资料收集
现场观测
整理分析
掌握特征
内容包括
水文现象变化规律
水文资料的测验和收集方法
水文资料的整理、分析、统计和计算方法
1.4 水文学研究方法
水文现象的基本规律及研究方法
确定性规律(必然性)
成因分析法
随机性规律(偶然性)
数理统计法
地区性规律
地区综合法
注意:任何水文现象都同时具有以上三种基本特性,在分析计算时,根据研究问题的侧重点不同,以其中的某一种特性为主展开
补充内容:地球水量平衡
水量平衡原理
在水文循环过程中,对任意区域,任意时段进入水量与输出量的差额必等于其蓄水量的变化量。
水量平衡方程
对某一时段
全球水量平衡
某一时段
大陆
海洋
多年平均
第二章 河川水文基本知识
2.1 河流和流域
2.1.1 河流
基本概念
河流:接纳地面径流与地下径流的天然泄水通道,其中分干流与各级支流。
径流:由降水所形成的,在重力作用下沿着一定的路径和方向流动的水流。
地面径流:在地表流动
地下径流:在饱和含水层中流动
表层流:在非饱和带的临时积水层中流动
河谷:河流流经的谷地
河床:河谷底部有水流的部分
左岸、右岸:面向下游,左手河岸为左岸;右手河岸为右岸
水系:脉络相同的大小河流所构成的系统称为水系、河系或者河网
河流分级:其中的各个河流按自上而下的顺序分为1级、2级等
河流的形成
地质作用,各种地貌形成
径流侵蚀作用
河流的分段
河源:河流的发源地,多为泉水、溪涧)、冰川、湖泊或沼泽等
上游:位于深山峡谷中,坡陡流急,河谷下切强烈,有急滩或瀑布
中游:坡度渐缓、河槽变宽、两岸常有滩地,冲淤变化不明显,河床较稳定。
下游:平原区,河宽,流速小,淤积明显,浅滩多
河口:泥沙淤积,三角洲
外流河:注入海洋的河流,如长江、黄河等;
内流河:流域内陆湖泊或消失于沙漠的河流,如塔里木河,格尔木河等。
河流的基本特征
河长L
自河源沿干流到流域出口的流程长度,以km计
河流断面
横断面:垂直于水流方向的断面,简称断面,包括单式断面和复式断面
中泓线:沿水流方向各断面最大水深点的连线成为中泓线
纵断面:沿中泓线的断面成为河流的纵断面。河流的纵断面能反映河床的沿程变化。
河道坡度(河道纵比降)
当河段纵断面接近于直线时,比降按下式计算:
某一河段河底高程自上游向下游变化,其平均河道坡度J按下式计算:
2.1.2 流域
分水线及流域
分水线:分隔两个水域的界线,为分水岭最高点的连线
地面分水线
地下分水线
流域:汇集地面水和地下水的区域称为流域,也就是分水线包围的区域,分水线有地面、地下之分。地面分水线包围区域为地面集水区,地下分水线包围区域为地下集水区。
闭合流域:地面分水线与地下分水线重合,称为闭合流域,在垂直方向地面、地下分水线重合,地面集水区上降水形成的径流正好由流域出口断面流出,一般的大中流域均属此类。
非闭合流域:地面、地下分水线不重合的流域,如岩溶地区的河流和一些很小的流域。
流域基本特征
几何特征
流域面积F:在地形图上绘出流域的分水线,用求积仪量出分水线包围的面积,即流域面积,记
河网密度:流域内河流干支流总长度与流域面积的比值,记
流域长度L:从流域出口到流域最远点的流域轴线长度,km计
平均宽度B:B=F/L
流域形状系数K:K=B/L
自然地理特征
地理位置:经纬度
气候条件:温度、湿度、降水、蒸发
下垫面条件:地形地貌:山区、山丘区、平原湖区…
2.2 径流形成过程及其主要影响因素
2.2.1 概述
径流概念
由降水所形成的,在重力作用下沿着一定的路径和方向流动的水流
径流分类
按流动路径
地面径流
地下径流
表层流
按成因分
降雨径流
融雪径流
径流作用
人类生产生活不可缺少的水源;水文循环中陆面水与海洋水之间的纽带。
2.2.2 径流形成过程
自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个过程
降水过程
流域蓄渗过程
产流过程
坡面漫流过程
河槽集流过程
汇流过程
2.2.3 影响径流的主要因素
气象气候因素
降水
蒸发
下垫面因素
地形
土壤和地质
植被与湖泊
流域形状和面积
人类活动对径流的影响
农业措施
林牧业措施
水利措施
2.3 河川水文情势
2.3.1 河川水文情势
河川水文要素,如水位、流量、泥沙和冰情等多年的一般变化情况,称为河川水文情势(水文要素)。主要特点:不重复性、模糊性、周期性、地区性
2.3.2 径流的度量单位
流量(Q)
定义:单位时间内通过河流某一断面的水量,Q。
常用:瞬时流量;洪峰流量;平均流量Q:(日、月、年、多年、某特定时段);流量过程线Q(t);其科学名字应为:流率
径流总量(W)
定义:时段内通过河流某一断面的总水量
常用:日径流量;月径流量;年径流量;多年平均径流量;某特定时段径流量;次降雨径流量
计算公式:
径流深(R)
定义: 将径流量平铺在整个流域面积上形成的水层深度
常用: 次降雨径流深;日径流深;月径流深;年径流深;某特定时段径流深
计算公式:
径流模数(M)
定义:流域出口断面流量与流域面积的比值
常用:瞬时径流模数;洪峰径流模数;平均径流模数(日、月、年、多年平均)
计算公式:
径流系数(α)
定义:某一时段的径流深与R与相应时段内流域平均降雨量P的比值
常用:次降雨径流系数;日径流系数;月径流系数;年径流系数;多年平均径流系数;某特定时段径流系数
计算公式:
2.3.3 我国河川径流分布和变化概况
年径流的地理分布
年径流的年内分布变化
年径流的年际变化
总体概况
有明显的地域性规律
年内、年际分布不均
总的趋势:由南向北和由东向西递减
水体定义:以一定形态存在于自然界一定空间的水。
大气水
地下水:江河、湖泊、沼泽、海洋、冰川等
地下水
第三章 河川水文测验
3.1 水文测站
3.1.1 水文测站定义
在流域内一定地点(或断面)按统一标准对所需要的水文要素作系统观测以获取信息并进行处理为即时观测信息,这些指定的地点称为水文测站
3.1.2 测站的分类
按其主要观测项目分
水位站
流量站(也称水文站)
雨量站
蒸发站等等
按测站的性质分
基本站
专用站
实验站
3.1.3 测站的布设
测验河段的选择
测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系(单一关系)。山区河流适于断面控制,平原河流适于河槽控制
观测断面的布设观测断面的布设
基线和基本测流断面: 基线的长度视河宽B而定,一般应为0.6B。测流断面应与基本水尺断面重合,且与断面平均流向垂直
浮标测流断面和比降断面: 包括上、中、下三个断面。
水准点及水尺: 基本测流断面、比降上、下断面设立水尺
仪器及工具设置: 测船、缆车、流速仪、计算机等
其他: 河段地形、河道纵、横断面测量;绘制河段的水面流速和流向图等
港航勘测中临时水文测站布设
3.2 水位观测
3.2.1概述
水位定义
指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程
使用基面
绝对基面
统一规定的基面为青岛黄海基面
假定基面
在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面
测站基面
某些水文测站专用的一种假定基面
冻结基面
将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的—种基面,也属水文测站专用的另一种假定基面
水位观测的作用
直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资料,如堤防、坝高、桥梁及涵洞、公路路面标高的确定
为推求其他水文数据而提供间接运用资料,如水资源计算,水文预报中的上、下游水位相关法等
3.2.2 观测水位的设备和方法
观测水位的设备
水尺
直立式
倾斜式
矮桩式
悬锤式
自记水位计
3.2.3 水位观测的内容和要求
观测内容
基本水尺和比降水尺的水位。
具体要求
观测时段要求
比降水尺的水位观测要求
精度要求。基本水尺1cm,比降水尺估读到0.5cm
在施测流速、流向和泥沙时,亦需同时观测基本水尺水位
3.2.4 水位观测资料的整理
日平均水位计算
算术平均法 (水位变化缓慢或等时距观测)
面积包围法(水位变化大且观测时距不等)
编制“逐日平均水位表”
绘制日平均水位过程线与日平均水位历史曲线
3.3 流量测验
3.3.1 流苏测量方法
流速面积法
流速仪法
航空法
比降面积法
浮标法等等
水力学法
物理法
化学法
直接法
3.3.2 断面测量
水深测量
起点矩测量
横断面图绘制
3.3.3 流速测量及流量计算
河道断面流速分布及流量计算
流速仪实测流速的方法
流速仪测流的步骤及流量计算
3.3.4 浮标法测流
3.4 水位—流量关系曲线
3.4.1 水位—流量关系曲线绘制
稳定水位—流量关系曲线
不稳定水位—流量关系曲线
洪水涨落影响子主题
回水变动影响
河床冲瘀影响
3.4.2 水位~流量关系曲线的延长
水位—流量关系曲线高水延长
水位—面积—流速关系延长法
水力学公式延长法
史蒂文森法
水位—流量关系曲线低水延长
纵横断面资料确定法
分析法
3.4.3 流量资料整理
日平均流量计算
编制“逐日平均流量表“
编制“实测流量成果表"
编制“汛期洪水要素摘录”
补充计算
流量计算
布设测深垂线(测量起点矩与水深)
选定一定数目的测深垂线兼做测速垂线并布设测点
计算点流速
根据点流速算线流速
一点法
二点法
三点法
五点法
中间部分流速计算
是第i-1及第i条测速垂线的垂线平均流速,vi—第i部分面积对应的部分平均流速。
岸边部分面积平均流速的计算
在陡岸边,若岸壁不平整,取a为0.80;光滑岸壁,a取用0.90。在死水与流水交界处的死水边,a取为0.60。
测深垂线间面积的计算
岸边部分按三角形计算
中间部分按梯形计算
部分面积的计算
部分流量的计算
由各部分的部分平均流速与部分面积之积可得到部分流量
断面流量及其他水力要素的计算
断面面积A为各部分面积Ai之和
断面流量Q为断面上各部分流量qi的代数和
断面平均流速
断面平均水深
重难点
第四章 水文统计基础知识
4.1 随机变量及其概率分布
4.1.1 随机变量
定义
若随机事件的试验结果可用一个数X来表示,X随试验结果的不同而取得不同的数值,它是带有随机性的,则将这种随机试验结果X称为随机变量。
分类
离散型随机变量
连续型随机变量
4.1.2 随机变量的概率分布
概率分布定义
随机变量可以取所有可能值中的任何一个值,但是取某一可能值的机会是不同的,有的机会大,有的机会小,随机变量的取值与其概率有一定的对应关系。一般将这种对应关系称为概率分布。
概率分布函数
离散型随机变量的概率分布
连续型随机变量的概率分布
分布函数表示:
4.1.3 随机变量的分布参数(统计参数)
均值
系列中变量的平均情况
均方差
反映系列中各变量相对于均值的绝对离散程度
变差系数
用均方差与均值之比作为衡量系列的相对离散程度的一个参数
偏态系数
数理统计中采用偏态系数CS作为衡量系列不对称程度的参数
4.1.4 几种常用的概率分布曲线
正态分布
概率密度函数:
特点:横坐标的分格两端稀,中间密。
皮尔逊III型曲线
绘制步骤
假设一组P
根据已知参数查表,求出Kp或
计算Xp
在频率格纸上描点
过点群中心画一条线
曲线公式
4.1.5 重现期
累积频率
大于等于(或小于等于)一定量级的水温要素值出现的可能性的度量
定义
是指在许多实验中,某一件事重复出现的时间间隔的平衡均属,在工程水文学中,重现期用字母T表示,一般以年为单位
累积频率和重现期的关系
当P<50%,T=1/P
当P>50%,T=1/(1-P)
4.2 统计参数的估计
4.2.1 总体与样本
总体:随机交量所有取值的全体
样本:总体中任意抽取的一个部分称为样本
样木容量:随即变量的项数(个数,称为样木容量
4.2.2 统计参数估计
均方差
变差系数
偏态系数
4.2.3 抽样误差
抽样
总体中抽取样本的方法称为抽样。常用的抽样方法:年最大值法
抽样误差
由样本本来计算总体统计参数,由样本推断总体规律,存在的误差为抽样误差
减少抽样误差的途径
增大样本容量
4.3 水文频率计算求矩适线法
4.3.1 经验频率计算
古典公式:P=m/n*100%
修正公式:P=m/(n+1)*100%
4.3.2 绘制经验频率曲线步骤
样木值从大到小排队
计算各样本值的经验频率
在频率格纸上点绘经验点据(以P为横坐标,实测点x为纵坐标)
穿过点群中心画一条光滑曲线,即为经验频率曲线
统计参数对频率曲线的影响 : 1、均值越大,频率曲线的位置越高 2、Cv增大,曲线偏离程度越大,越陡3、Cs越大,中部越左偏,上端越陡, 下端越平缓
4.3.3 目估视线法(求矩适线法)步骤
实测资料排序、计算经验频率、点绘经验点据
选线型、初估参数、点绘理论频率曲线
看拟合好坏、调整参数、选配理论频率曲线
配线原则
经验点尽可能在理论线上
点和线之间的离差最小
对于极值,应着重曲线上端和中段的配合
对于年值,应着重曲线下端和中段的配合
选择适配较好的曲线,求指定频率的水文变量估计值
4.3.4 特大值处理问题
统一处理法
特大洪水系列的经验频率计算公式:
实测系列第m项的经验频率计算公式为:
分别处理法
实测系列的经验频率计算公式:
特大洪水系列的经验频率计算公式:
频率曲线的选择
一般采用P-III曲线
频率曲线参数估计
Xj——特大洪水Xi——一般洪水
4.4 相关分析
4.4.1 相关分析关系分类
完全相关
x与y之间为函数关系
零相关
x与y之间没有关系
相关关系
x与y之间的关系介于以上两者之间
4.4.2 相关分析法
相关图解法
相关计算法
方程式:
y依x回归方程:
x依y回归方程:
第六章 海浪
6.1 海浪要素和分类
6.1.1 海浪要素
波峰:浪剖面高出静水面的部分,其最高点称为波峰顶
波谷:波浪剖面低于静水面的部分,其最低点称为波谷底。
波峰线:垂直波浪传播方向上各波峰顶的连线。
波向线:与波峰线正交的线,即波浪传播方向。
波高:相邻波峰顶和波谷底之间的垂直距离,通常以H表示,单位以米(m)计。
波长:相两相邻波峰顶(或波谷底)之间的水平距离,通常以L表示,单位以米(m)计。
周期:波浪起伏一次所需的时间,通常以T表示,单位以秒(s)计。
波陡:波高与波长之比,通常以δ表示,即δ=H/L。
波速:波形移动的速度,通常以C表示,它等于波长除以周期,即C=L/T,单位以米/秒(m/s)计。
6.1.2 海浪分类
强制波、自由波、混合浪
毛细波、重力波、长周期波
不规则波、规则波
长峰波、短峰波
前进波、驻波
深水前进波、浅水前进波
震荡波、推移波
6.2 风况基础知识
6.2.1 风的形成及类型
空气在水平方向上的气压差形成的水平运动,称为风
控制风的因素
气压梯度力
地球偏向力
离心力
摩擦力
6.2.2 我国近海风况特点
季风
寒潮大风
台风
6.2.3 风况观测
风的特征
风速:风速是空气在单位时间内所流过的水平距离
风向:风向指风吹来的方向
观测仪器
风向风速仪
风速感应器
风向感应器
指示器
记录器
6.2.4 测风资料的整理
风向频率玫瑰图
将收集到的多年测风资料(每日四次)分方向统计后,用百分数表示出各风向的出现频率,并以一定比例绘在极坐标上。零级风(无风)可用一个以无风频率为半径,以极坐标原点为圆心的空心圆表示,或直接用数字标出。
最大风速玫瑰图
从多年的观测资料中找出各个方向上多年内的最大风速,以一定比例绘于极坐标上而成,由最大风速玫瑰图可判断当地风力最大的强风向。
6.3 海浪观测
海浪观测的项目
海况、波型、波高、波向、周期、风速、风向、水深。
波浪的观测方法
岸用光学测波仪、遥测重力测波仪、压力式测波仪。
6.4 海浪要素统计规律
6.4.1 固定点波高和周期的统计分布
周期和平均周期
波高和平均波高
波长和平均波长
不规则波的平均周期与平均波长的关系
绘制累积频率图时用波高的模比系数的原因:对于海洋中同一点,不同场次的波浪,尽管其波高的分布规律差异很大,但他们的波高模比系数的统计规律是近似一样的
波高模比系数
6.4.2 固定点波高和周期的理论分布函数
波高的理论分布函数
浅水区波高的分布函数
或
当水很深时,浅水系数等于零,上式还原为深水公式
周期的理论分布函数
6.4.3 两种特征波及其相互关系
特征波高表示方法
HF
在波列中选取某一累计频率对应的 波高作为特征波高
HP
以所谓部分大波的平均波高作为特征波高
特征波
特征波高
特征周期
6.4.4 我国海港工程设计波浪的波列累计频率标准
设计波浪标准
重现期标准
某一特定的波列平均多少年出现一次,他表示波浪要素的长期(以几十年记)统计分布规律
波列累计频率标准
设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现概率,他表示波浪要素的短期(以几十分钟记)统计分布规律
6.6 根据海浪观测推算设计波浪
6.6.1 我国海港工程设计波浪的重现标准
6.6.2 利用长期测波资料推算设计波浪
确定驻港地区主要的波浪方向
收集和整理波浪观测资料
设计波浪的推算——频率分析法
6.6.3 利用短期(1—3年)测波资料推算设计波浪
第五章 河道工程设计水位及流量推求
5.1 设计洪水
5.1.1 概述
规划、设计、施工所依据的流量和水位称之为设计流量和设计水位。
分类
与工程安全和经济有关的洪水流量与水位
累积频率标准表示,通过频率分析方法解决设计洪水、流量问题
关于正常通航的设计流量和设计水位
应用频率分析外,还运用历时曲线和保证率频率法推求设计通航最低水位
洪水三要素
洪峰流量
洪水总量
洪水过程线
设计洪水和设计标准
设计标准
设计洪水
校核洪水
设计洪水计算的内容和方法
设计洪水计算内容
设计洪峰流量Qm
设计洪量W
设计洪水过程线Q~t
设计洪水计算途径
有资料
由流量资料推求
由暴雨资料推求
由水文气象资料推求
无资料
地区等值线插值法
经验公式法
5.1.2 由流量资料推求设计洪水
洪水资料的审查
可靠性审查
一致性审查
代表性审查
洪水资料的选样
洪峰
不同时段洪量
年最大值法
洪水资料的插补延长
利用上游或下游站、干支流的流量资料
利用本站峰量关系进行插补延长
特大洪水的处理和频率分析计算确定统计参数
推球设计洪水过程
”可能“和”不利“
同倍比放大法
同频率放大法
5.1.3 施工设计洪水
施工导流建筑物包括围堰、明渠、隧洞、底孔等,都要根据需宣泄洪水的大小来决定。确定某一设计洪水作为导流建筑物设计的基本依据,称作施工设计洪水。
5.2 设计通航水位与设计流量推求
5.2.1 概述
设计最高通航水位
以“累积频率或重现期”作为设计标准
设计最低通航水位
以“保证率”或“重现期”作为设计标准
通航保证率=正常通航日数、全年总日数*100%
5.2.2 有长期观测资料条件下设计通航水及流量推求
设计最高通航水位的推求
有调蓄能力的水利枢纽通航要求。
以通航为主无调蓄的水利工程且设计标准不高的山区河流频率计算要求
简化计算问题
设计最低通航水位的推求方法
历时曲线法
综合法
平均法
代表年法
简化法
推求步骤
根据日均水位最大和最小值,进行水位分级
编水位历时表,统计各级出现日数,计算各级水位保证率
点绘得到综合历时曲线(或称保证率曲线)
根据设计标准(保证率)查求设计水位
保证率频率法
推求步骤
根据通航要求,按规范确定频率和保证率
在每年的水位历时曲线中,根据Pi(保证率)取水位值
将各年选取的水位值作为样本进行频率分析
根据指定的累积频率在曲线上查得相应的设计水位
5.2.3 短缺资料条件下设计通航水位及流量的推求
资料不足条件下
插补延长资料
资料缺乏时
比降推算法
水位相关法
瞬时水位法
5.2.4 缺乏实测资料条件下水位~流量关系曲线的拟定
水位相关法
水力学公式法