桥涵水文课件 1 绪论

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1、桥涵水文桥涵水文桥涵水文桥涵水文 主讲：张学兵主讲：张学兵手机：手机：1318732103713187321037单位：土木工程系单位：土木工程系桥涵水文桥涵水文课程的准备工作和要求课程的准备工作和要求 教 材 准备工作1.薛明编著.桥涵水文,2002年11月(第1版).同济大学出版社2.高冬光编著.桥涵水文,2003年8月(第3版).人民交通出版社3.鼎天然编著.桥涵水文,1993年4月(第1版).同济大学出版社黄新,金菊良,李帆.桥涵水文(第1版).人民交通出版社 参考书目 课堂要求 1.按时上、下课，不迟到，不早退 2.认真听讲、做好笔记 课后要求 1.课前预习、课后复习 2.认真做好作

2、业 考 察 1.形式：闭卷考试 2.成绩：平时成绩（20%）+考试成绩（80%）课程要求第1章 绪论n内 容：1.1 水文现象及水文循环1.2 水文学的研究领域及发展1.3 水文现象的特性1.4 桥涵水文的研究意义1.5 桥涵水文的研究方法1.6 桥涵水文学课程的主要内容n重 点：水文现象表现的运动形式；水文循环的定义和分类；水文现象的研究方法n难 点：水文现象的特性1.1 1.1 水文现象及水文循环水文现象及水文循环1.1.1 1.1.1 水文现象水文现象 指地球上的指地球上的水水受受外部作用外部作用而产生的永无休而产生的永无休止的止的运动形式运动形式。1)1)水水的相关基本概念的相关基本概

3、念(1)(1)水体：水的聚积体。水体：水的聚积体。(2)(2)水圈：地球上的水以液态、固态和气态水圈：地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中，这些水体构成了地球的水圈。中，这些水体构成了地球的水圈。2)2)外部作用外部作用 主要指太阳辐射、地心引力，还有其它如周主要指太阳辐射、地心引力，还有其它如周围星球的作用力。围星球的作用力。3)3)运动形式运动形式 包括四种：包括四种：降水、蒸发、渗流、径流降水、蒸发、渗流、径流等。等。(1)(1)降水降水(Precipitation)(Precipitation)：大气中水汽凝结后以液

4、态水或固态水降落大气中水汽凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。到地面的现象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。(2)(2)蒸发蒸发(Evaporation)(Evaporation)：水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面蒸发、叶面散发、水蒸发等。蒸发、叶面散发、水蒸发等。(3)(3)径流径流(Runoff)(Runoff)：陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。海洋、含水层或沙漠的水流。包括

5、包括地面径流地面径流和和地下径流地下径流。(4)(4)渗流渗流(Seepage flow)(Seepage flow)：水从地表渗入地下及在地下流动的现象。水从地表渗入地下及在地下流动的现象。包括包括入渗入渗和和渗透渗透两种现象。两种现象。1.1.2 水文循环水文循环1)定义定义 地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力的地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力的作用下，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、作用下，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程不断变化、迁移的现象。径流等过程不断变化、迁移的现象。2)分类分类 (1)大循环：大区域（领域）内的循环，也称大循环：大区域（领域）内的循环，也

6、称外循环。外循环。海洋海洋海洋海洋云、大气云、大气云、大气云、大气陆地陆地陆地陆地海洋海洋海洋海洋(2)(2)小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。海洋海洋海洋海洋云、大气云、大气云、大气云、大气海洋海洋海洋海洋陆地陆地陆地陆地云、大气云、大气云、大气云、大气陆地陆地陆地陆地水汽输送水汽输送水汽输送水汽输送蒸发蒸发蒸发蒸发降水降水降水降水蒸发蒸发蒸发蒸发降水降水降水降水植物蒸腾植物蒸腾植物蒸腾植物蒸腾湖湖湖湖地表径流地表径流地表径流地表径流地下径流地下径流地下径流地下径流海洋海洋海洋海洋蒸发蒸发蒸发蒸发降水降水降水降水云云云云小循环小循环小循环

7、小循环小循环小循环小循环小循环1113853)3)意义意义水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。之一。认识它的基本客观规律，了解其各影响因素间认识它的基本客观规律，了解其各影响因素间的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要的意义。的意义。1.1.3 影响水文循环的主要因素影响水文循环的主要因素n(1)气候因素气候因素 气压、气温、风向、风力等。气压、气温、风向、风力等。夏季：气流（海洋夏季：气流（海洋大陆）大陆）冬季：气流（冬季

8、：气流（大陆大陆海洋）海洋）n(2)下垫面因素下垫面因素 各种自然地理条件各种自然地理条件 地形、地貌、土壤、地质构造、植被情况地形、地貌、土壤、地质构造、植被情况n(3)人类活动因素人类活动因素1）有利影响）有利影响修建水库修建水库引水灌溉引水灌溉跨流域调水跨流域调水2）不利影响）不利影响大面积滥伐森林大面积滥伐森林排干湖、沼排干湖、沼过度抽取地下水过度抽取地下水1.1.4 水资源简况水资源简况(1)水资源储量水资源储量海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水96.53%1.74%0.03%0.76%0.94%2.53%永冻土底冰永冻土

9、底冰湖泊淡水湖泊淡水土壤水土壤水大气水大气水沼泽水沼泽水河水河水生物水生物水海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水96.53%0.94%2.53%永冻土底冰永冻土底冰湖泊淡水湖泊淡水土壤水土壤水大气水大气水沼泽水沼泽水河水河水生物水生物水96.53%96.53%0.03%72.37%0.03%27.6%0.94%2.53%0.94%2.53%永冻土

10、底冰永冻土底冰湖泊淡水湖泊淡水土壤水土壤水大气水大气水沼泽水沼泽水河水河水生物水生物水世界前10名水资源占有国家8,2334,5073,0512,9022,8382,8302,1321,9131,897128302,0004,0006,0008,00010,000BrazilRussiaUSACanadaIndonesiaChinaColombiaPeruIndiaCongoNatural RenewableWater Resource(km )3)各地区人均水资源量599,944314,963289,848259,547159,171126,78993,40592,81085,2218478

11、76,8592,1860200,000400,000600,000800,000IcelandGuyanaSurinameCongoP.N.GuineaGabonSolomon Is.CanadaNew ZealandNorwayWorld Ave.ChinaPer Capita Water Resource(m3/person)Aridity中国缺水地区分布情况(2)(2)水资源与水文循环的关系水资源与水文循环的关系地球表层可供人类利用的水称为水资源地球表层可供人类利用的水称为水资源。包括水。包括水量、水质、水能资源和水域。量、水质、水能资源和水域。水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一

12、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水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化的变化 。各级水文部门根据水文、水质观测资料通过水文各级水文部门根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算进行水资源评价（包括水环境质量）学分析计算进行水资源评价（包括水环境质量）工作。工作。1.2 1.2 水文学的研究领域及发展水文学的研究领域及发展1.2.1 1.2.1 水文学的研究领域水文学的研究领域1)1)水文学定义水文学定义 研究水存在于地球上的大气层中和地球表面以研究水存

13、在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内的各种现象的发生和发展规律及其内在联及地壳内的各种现象的发生和发展规律及其内在联系的学科。包括水体的形成、循环和分布，水体的系的学科。包括水体的形成、循环和分布，水体的化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应等。等。2)2)研究领域研究领域(分类分类)水文学主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼水文学主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰川等，以后逐渐扩展到地下水、土壤水、大泽、冰川等，以后逐渐扩展到地下水、土壤水、大气水和海洋水。气水和海洋水。(1)(1)传统水文学按研究的传统水文学按研究的水体水体来进行划分：

14、来进行划分：河流水文学河流水文学湖泊水文学湖泊水文学沼泽水文沼泽水文冰川水文学冰川水文学海洋水文学海洋水文学地下水水文学地下水水文学土壤水文学土壤水文学大气水文学大气水文学(2)(2)由水文学采用的实验方法，派生出三个分支学科：由水文学采用的实验方法，派生出三个分支学科：水文测验学水文测验学水文调查水文调查水文实验水文实验(3)(3)由水文研究内容分为：由水文研究内容分为：水文学原理水文学原理水文预报水文预报水文分析与计算水文分析与计算水文地理学水文地理学河流动力学河流动力学(4)(4)作为应用科学，水文学分为：作为应用科学，水文学分为：工程水文学工程水文学_ _桥涵水文桥涵水文农业水文学农业

15、水文学土壤水文学土壤水文学森林水文学森林水文学城市水文学城市水文学(5)(5)随新科学、新技术的发展和引进，出现新分支：随新科学、新技术的发展和引进，出现新分支：随机水文学随机水文学模糊水文学模糊水文学灰色系统水文学灰色系统水文学遥感水文学遥感水文学同位素水文学同位素水文学1.2.2 1.2.2 水文学的发展水文学的发展 水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。由经验到理论的发展过程。1)201)20世纪以前是水文学的萌芽和奠基阶段世纪以前是水文学的萌芽和奠基阶段(1)(1)萌芽时期萌芽时期(公元公元14001400年以前年以前)

16、这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如：如：公元前公元前239239年的年的吕氏春秋吕氏春秋 ；20002000年前建成的都江堰；年前建成的都江堰；公元公元527527年的年的水经注水经注(2)(2)奠基时期奠基时期(公元公元1400140019001900年年)该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。

17、2)202)20世纪初至世纪初至5050年代，是应用水文学兴起阶段年代，是应用水文学兴起阶段 进入进入2020世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。美国美国19001900年年J.A.J.A.塞登提出著名的塞登定律；塞登提出著名的塞登定律；19241924年年H.A.H.A.福斯特建立了福斯特建立了P-P-水文频率曲线计算水文频率曲线计算方法；方法；19321932年年L.R.K.L.R.K.谢尔曼提出单位线法谢尔曼提出单位线法 19351935年年

18、G.T.G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。法。这一时期我国水文学发展则比较落后。这一时期我国水文学发展则比较落后。3)203)20世纪世纪6060年代以来，是水文学的变革和发展阶年代以来，是水文学的变革和发展阶段，也是进入现代水文学的一个新阶段段，也是进入现代水文学的一个新阶段 随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。1.3 1.3 水文现象的特性

19、水文现象的特性1.3.1 1.3.1 1.3.1 1.3.1 水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一 （1 1 1 1）周期性的体现周期性的体现周期性的体现周期性的体现 （2 2 2 2）随机性的体现随机性的体现随机性的体现随机性的体现 （3 3 3 3）二者对立统一二者对立统一二者对立统一二者对立统一1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一水文现象地区分布的相似性与特殊性的

20、对立统一水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一 （1 1 1 1）相似性的体现相似性的体现相似性的体现相似性的体现 （2 2 2 2）特殊性的体现特殊性的体现特殊性的体现特殊性的体现 （3 3 3 3）二者对立统一二者对立统一二者对立统一二者对立统一小结：小结：小结：小结：（1 1）由水文现象具有时程上的由水文现象具有时程上的随机性随机性和地区上的和地区上的特殊性特殊性，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。（2 2 2 2）由水文现象具有地区

21、上的由水文现象具有地区上的相似性相似性，可有目的，可有目的选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。1.4 1.4 桥涵水文的研究意义桥涵水文的研究意义 (1)(1)在桥涵规划设计阶段在桥涵规划设计阶段 流量、水位、流速流量、水位、流速位置、规模、基本尺寸位置、规模、基本尺寸 (2)(2)在桥涵施工阶段在桥涵施工阶段 估算施工期设计洪水估算施工期设计洪水安全性、经济性安全性、经济性 (3)(3)在桥涵运行阶段在桥涵运行阶段 是否需要对桥涵工程进行维修与改造，是否需要对桥涵工程进行维修与改造，河床是否需要整治河床是否需要整治1.5 1.5

22、 桥涵水文现象的研究方法桥涵水文现象的研究方法 以实际观测资料为依据，对水文现象进行分析研究。按以实际观测资料为依据，对水文现象进行分析研究。按不同目的要求，水文学常用的分析方法可归纳为：成因分析不同目的要求，水文学常用的分析方法可归纳为：成因分析法、地区归纳法（地理综合法）、数理统计法、。法、地区归纳法（地理综合法）、数理统计法、。（1 1）成因分析法成因分析法：由观测资料，从物理成因上研究水文：由观测资料，从物理成因上研究水文变化规律，只定性分析，在定量上不能满足工程设计要求。变化规律，只定性分析，在定量上不能满足工程设计要求。（2 2）地区归纳法地区归纳法（地理综合法）（地理综合法）：由

23、地区经验公式和等：由地区经验公式和等值线图分析，揭示水文现象的地区分布规律。值线图分析，揭示水文现象的地区分布规律。（3 3）数理统计法数理统计法：运用概率统计理论对长期观测的资料：运用概率统计理论对长期观测的资料进行统计计算，以寻求其规律性。进行统计计算，以寻求其规律性。小结：在解决实际问题时，上述三种方法常同时使用，小结：在解决实际问题时，上述三种方法常同时使用，它们是相辅相成、互为补充。我国已初步形成一种具有自己它们是相辅相成、互为补充。我国已初步形成一种具有自己特点的研究方法，概括为特点的研究方法，概括为“多种方法，综合分析，合理选定多种方法，综合分析，合理选定”的原则。的原则。1.6

24、 桥涵水文学课程的主要内容桥涵水文学课程的主要内容n一、跨河构筑物过河点的选择与确定一、跨河构筑物过河点的选择与确定 n二、设计流量的确定二、设计流量的确定n三、跨河构筑物孔径的确定三、跨河构筑物孔径的确定n四、跨河构筑物基础埋深四、跨河构筑物基础埋深n五、河道中调制构筑物的设计五、河道中调制构筑物的设计本章总结n n 理解和掌握水文现象的四种运动形式；理解和掌握水文现象的四种运动形式；n 理解和掌握水文循环的概念、类型；了解其意理解和掌握水文循环的概念、类型；了解其意义和水资源的关系；义和水资源的关系；n 理解水文学的概念和研究领域；了解其发展状理解水文学的概念和研究领域；了解其发展状况；况；n 理解和掌握水文现象的特性及研究方法。理解和掌握水文现象的特性及研究方法。