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水文常识
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一、水文名词

()流域和水系

流域是地表水与地下水分水线所包围的集水区或汇水区,因地下水分水线不易确定,习惯上将地表水的集水区称为流域。河道干流的流域是由所属各级支流的流域所组成。流域面积的确定,可根据地形图勾出流域分水线,然后求出分水线所包围的面积。河流的流域面积可以计算到河流的任一河段,如水文站控制断面,水库坝址或任一支流的汇口处。流域里大大小小的河流,构成脉络相通的系统,称为河系或水系。

(二)河流的分段及其特点

每条河流一般都可分为河源.上游.中游.下游.河口等五个分段。

1.河源。河流开始的地方,可以是溪涧.泉水.冰川.沼泽或湖泊等。

2.上游。直接连着河源,在河流的上段,它的特点是落差大,水流急,下切力强,河谷狭,流量小,河床中经常出现急滩和瀑布。

3.中游。中游一般特点是河道比降变缓,河床比较稳定,下切力量减弱而旁蚀力量增强,因此河槽逐渐拓宽和曲折,两岸有滩地出现。

4.下游。下游的特点是河床宽,纵比降小,流速慢,河道中淤积作用较显著,浅滩到处可见,河曲发育。

5.河口。河口是河流的终点,也是河流入海洋.湖泊或其它河流的入口,泥沙淤积比较严重。

(三)河流的断面

河流的断面分为纵断面及横断面。

1.纵断面。沿河流中线(也有取沿程各横断面上的河床最低点)的剖面,测出中线以上(或河床最低点)地形变化转折的高程,以河长为横座标,高程为纵座标,即可绘出河流的纵断面图。纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程分布。

2.横断面。河槽中某处垂直于流向的断面称为在该处河流的横断面。它的下界为河底,上界为水面线,两侧为河槽边坡,有时还包括两岸的堤防。横断面出称为水断面,它是计算流量的重要参素。

(四)水尺与水位

水尺是直接观读江河、湖泊、水库、灌渠水位的标尺。水尺的历史悠久,直到现代仍在广泛使用。

河流或者其它水体的自由水面离某一基面零点以上的高程称为水位。水位的单位是米,一般要求记至小数2位,即0.01m。以水位为纵轴,时间为横轴,可绘出水位随时间的变化曲线,称为水位过程线。

(五)基面

变化曲线基面是指计算水位和高程的起始面。在水文资料中涉及的基面有:绝对基面.假定基面.测站基面.冻结基面等四种。

()流速

流速是指水流质点在单位时间内所通过的距离。渠道和河道里的水流各点的流速是不相同的,靠近河()底、河边处的流速较小,河中心近水面处的流速最大,为了计算简便,通常用横断面平均流速来表示该断面水流的速度。

()径流与径流量

流域地表面的降水,如雨、雪等,沿流域的不同路径向河流、湖泊和海洋汇集的水流叫径流。在某一时段内通过河流某一过水断面的水量称为该断面的径流量。径流是水循环的主要环节,径流量是陆地上最重要的水文要素之一,是水量平衡的基本要素。

()径流量的表示方法及其度量单位

(1)流量Q。指单位时间内通过某一过水断面的水量。常用单位为立方米每秒(m3/s)。各个时刻的流量是指该时刻的瞬时流量,此外还有日平均流量、月平均流量、年平均流量和多年平均流量等。

(2)径流总量W。时段Δt内通过河流某一断面的总水量。以所计算时段的时间乘以该时段内的平均流量,就得径流总量W,WQΔt。它的单位是立方米(m3)。以时间为横坐标,以流量为纵坐标点绘出来的流量随时间的变化过程就是流量过程线。流量过程线和横座标所包围的面积即为径流量。

(3)径流深R。指计算时段内的经流总量平铺在整个流域面积上所得到的水层深度。它的常用单位为毫米(mm)

若时段为Δt(s),平均流量为Q(m3s),流域面积为A(km2 ),则径流深R(mm)由下式计算:R=QΔt(1000A)

(4)径流模数M。一定时段内单位面积上所产生的平均流量称为径流模数M。它的常用单位为m3(s·km2 ),计算公式为: M QA

(5)径流系数α。 为一定时段内降水所产生的径

流量与该时段降水量的比值,以小数或百分数计。

()径流的形成过程

从降雨到达地面至水流汇集、流经流域出口断面的整个过程,称为径流形成过程。

径流的形成是一个极为复杂的过程、为了在概念上有一定的认识,可把它概化为两个阶段,即产流阶段和汇流阶段。

1.产流阶段。当降雨满足了植物截留、洼地蓄水和表层土壤储存后,后续降雨强度又超过下渗强度、其超过下渗强度的雨量,降到地面以后,开始沿地表坡面流动称为坡面漫流.是产流的开始。如果雨量继续增大,漫流的范围也就增大,形成全面漫流,这种超渗雨沿坡面流动注人河槽,称为坡面径流。地面漫流的过程,即为产流阶段。

2.汇流阶段。降雨产生的径流,汇集到附近河网后,又从上游流向下游,最后全部流经流域出口断面,叫做河网汇流,这种河网汇流过程,即为汇流阶段。

二、防洪标准及工程分等标准

要制定某一河段、水库或地区的防御洪水方案,首先要确定以防御多大的洪水为目标,即确定防洪标准。

众所周知,洪水的量级愈大愈是稀遇,所以人们常以洪水的重现期来表示洪水量级的大小。一个地点不同重现期洪水的数值是水文部门以一定数量的实测洪水资料为基础,通过频率分析法求得的。

防洪标准的确定,一般要根据防洪保护对象在遭受洪灾时造成的经济损失和社会影响划分若干等级。

1.水库分等标准

根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准”,水利水电枢纽工程的分等、水工建筑物的分级以及设计洪水标准如表4-64-74-8所示。

4-6 水利水电枢纽工程的分等指标

 

工程

等别

防洪

治涝

灌溉

供水

水电站

工程规模

总库容 (108m3)

城镇及工矿企业
的重要性

保护农田 (万亩)

治涝面积 (万亩)

灌溉面积 (万亩)

城镇及工矿企业的
重要性

装机容量 (104kw)

(1)

≥10

特别重要

≥500

≥200

≥150

特别重要

≥120

(2)

101.0

重要

500100

20060

15050

重要

12030

  

1.00.1

中等

10030

6015

505

中等

305

(1)

0.100.01

一般

305

153

50.5

一般

51

(2)

0.010.001

≤5

≤3

≤0.5

≤1

:①总库容系指校核水位以下的水库静库容

灌溉面积系指设计灌溉面积

4-7 水工建筑物级别的划分

 

工程等别

永久性建筑级别

临时性建筑物级别

主要建筑物

次要建筑物

1

3

4

2

3

4

3

4

5

4

5

5

5

5

 

 :①永久性建筑物。系指枢纽工程运行期间使用的建筑物,根据其重要性分为:主要建筑物, 系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物,例如坝、泄洪建筑物、输水建筑物及电站厂房等;次要建筑物,系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大并易于修复的建筑物,例如失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡上墙、导流墙、工作桥及护岸等;

临时性建筑物。系指枢纽工程施工期间所使用的建筑物,例如导流建筑物等。

4-8 永久性水工建筑物正常运用的洪水标准

筑物级别

1

2

3

4

5

洪水重现期 ()

500

100

50

30

20

 

2.堤防工程分等标准

《堤防工程技术规范》中规定堤防工程的级别,根据防护区内各类防护对象的重要性和规模划分分等标准及防洪标准如表4-94-l0所示。

4-9 堤防工程的分等标准

 

防护对象

   

堤防工程的级别

1

2

3

4

5

城镇

重要程度

特别重要城市

重要城市

中等城市

一般城市

--

非农业人口 (万人)

≥150

15050

5020

≤20

--

乡村

防护区耕地面积 (万亩)

≥500

500300

300100

10030

≤30

防护区人口 (万人)

≥250

250150

15050

5020

≤20

工矿企业

主要厂区 (车间)

特大型

大型

中型

中型

小型

辅助厂区 (车间)

生活区

--

--

特大型

大型

中、小型

4-l0 堤防工程的防洪标准

 

堤防工程的级别

1

2

3

4

5

防洪标准 [重型期(年)]

≥100

10050

5030

3020

2010

3.水闸分等标准

根据《水闸技术管理规程》,按校核过闸流量(无校核过闸流量则以设计过闸流量为准)划分为:

大型水闸:l000m3s及以上。

中型水闸:l00m3s及以上,不足1000m3s

小型水闸:l0m3s及以上,不足100m3s

4.机电排灌站分等标准

根据《泵站技术规范》规定:

大型电力排灌站:总装机容量达10000KW或受益面积达30万亩。

中型电力排灌站:总装机容量在1000KW以上、l0000KW以下或受益面积在1万亩~30万亩。

小型电力排灌站:总装机容量在100kW以下,或受益面积在1万亩以下。

大型泵站:水泵叶轮直径在1540mm、单机容量在800kW及以上的轴流泵;或水泵进口管径为800mm、单机容量在500KW及以上的离心泵。

中型泵站:水泵叶轮直径在1000mm、单机容量在500KW及以上的轴流泵;或水泵进口管径为500mm、单机容量在280kW及以上的离心泵。

5.城市的等级和防洪标准

根据防洪标准城市的等级和防洪标准如表4-11所示。

4-11 城市的等级和防洪标准

 

等级

重要性

非农业人口 (万人)

防洪标准 [重现期()]

特别重要城市

≥150

≥200

重要城市

15050

200100

中等城市

5020

10050

一般城镇

≤20

5020

6.乡村的等级和防洪标准

根据防洪标准”,乡村防护区的等级和防洪标准如表4-12所示。

4-12 乡村防护区的等级和防洪标准

等级

防护区人口 (万人)

防护区耕地面积 (万亩)

防洪标准 [重现期()]

≥150

≥300

10050

15050

300100

5030

5020

10030

3020

≤20

≤30

2010

7.工矿企业的等级和防洪标准

根据防洪标准,工矿企业的等级和防洪标准如表4-13所示,

4-13 工矿企业的等级和防洪标准

等级

工矿企业规模

防洪标? [重现期()]

特大型

200100

 

10050

 

5020

 

2010

:①各类工矿企业的规模,按国家现行规定划分。

如辅助厂区(或车间)和生活区单独进行防护的,其防洪标准可适当降低。

三、常用的水文特征值

()汛期时间的划分

从全国来讲,汛期时间是不同的,主要由各地区根据具£嚻颉⒔邓榭鼍龆ǎ戏饺胙?奔浣显?lt;/span>,结束时间较晚;北方入汛时间较晚,但结束时间较早。每年5月~9月,江淮流域降雨明显比其它月份多,故我省习惯上把5月~9月称为汛期。汛期又分为初汛期、中汛期和末汛期。中汛期又称大汛期或主汛期。

()频率与重现期

(l)频率的概念。频率是指某一数值随机变量出现的次数与全部系列随机变量总数的比值,用符号P表示,以百分比()作单位。

频率是随机变量出现的机会,例如P=1,表示平均每100年会出现一次;P=5%,表示平均每l00年会出现5,或平均每20年会出现一次。

(2)重现期的概念。随机变量出现频率的另一种表达方式是重现期,即通常所讲多少年一遇

重现期用T表示,水文分析所用的单位是

(3)重现期与频率的关系。重现期与频串的关系可用下式表示。

当所分析的对象是最大洪峰流量或最大24h降水量等,它们出现的频率小于50%时,则重现期为:T=1/P()

当所分析的对象是较小的枯水流量,其频率一般大于50%、则重现期为:

T=1/(1-P)()

应当注意的是,所谓重现期为百年一遇,是指在很长的时间内,平均每逢一百年会出现一次,而不是说刚好在一百年出现一次,事实上在一百年内可能遇到好几次,也可能一次也遇不到。

()常用的特征值

1.河道水位特征值

(1)起涨水位。一次洪水过程中,涨水前最低的水位。

(2)洪峰水位。一次洪水过程中出现的最高水位值。同样按日、月、年进行统计,可以分别得到日、月、年最高水位。

(3)警戒水位。当水位继续上涨达到某一水位,防洪堤可能出现险情,此时防汛护堤人员应加强巡视,严加防守,随时准备投入抢险,这一水位即定为警戒水位。

警戒水位主要是根据地区的重要性、洪水特性、堤防标准及工程现状而确定。

(4)保证水位。按照防洪堤防设计标准,应保证在此水位时堤防不溃决。有时也把历史最高水位定为保证水位。

2.水库的特征水位与库容

水库工程为完成不同任务不同时期和各种水文情况下,需控制达到或允许消落的各种库水位称为水库特征水位。相应于水库特征水位以下或两特征水位之间的水库容积称为水库特征库容。《水利水电工程水利动能设计规范》中,规定水库待征水饱主要有:正常蓄水位、死水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位等;主要特征库容有:兴利库容(调节库容)、死库容、重叠库容、防洪库容、调洪库容、总库容等。

(1)正常蓄水位与兴利库容。水库在正常运用情况下,为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位,称正常蓄水位,又称正常高水位、兴利水位,或设计蓄水位。它决定水库的规模、效益和调节方式,也在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库的淹没损失,是水库最重要的一项特征水位。当采用无闸门控制的泄洪建筑物时,它与泄洪堰顶高程相同;当采用有闸门控制的泄洪建筑物时,它是闸门关闭时允许长期维持的最高蓄水位,也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。正常蓄水位至死水位之间的水库容积称为兴利库容,即以调节库容。用以调节径流,提供水库的供水量。

(2)死水位与死库容。水库在正常运用情况下,允许消落到的最低水位,称死水位,又称设计低水位。死水位以下的库容称为死库容,也叫垫底库容。死库容的水量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年),它不直接用于调节径流。

(3)防洪限制水位与重叠库容。水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库在汛期防洪运用时的起调水位,称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定,关系到防洪和兴利的结合问题,要兼顾两方面的需要。如汛期内不同时段的洪水特征有明显差别时,可考虑分期采用不同的防洪限制水位。正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积称为重叠库容,也叫共用库容。此库容在汛期腾空,作为防洪库容或调洪库容的一部分。

(4)防洪高水位与防洪库容。水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时,在坝前达到的最高水位,称防洪高水位。只有当水库承擅下游防洪任务时,才需确定这一水位。此水位可采用相匝下游防洪标准的各种典型洪水,按拟定的防洪调度方式,自防洪限制水位开始进行水库调洪计算求得。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水,满足水库下游防护对象的防洪要求。

(5)设计洪水位。水库遇到大坝的设计洪水时,在坝前达到的最高水位,称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。也是挡水建筑物稳定计算的主要依据,可采用相应大坝设计标准的各种典型洪水,按拟定的调度方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。

(6)校核洪水位与调洪库容。水库遇到大坝的校核洪水时,在坝前达到的最高水位,称校核洪水位。它是水库在非常运用情况下,允许临时达到的最高洪水位,是确定大坝顶高及进行大坝安全校核的主要依据。此水伎可采用相应大坝校核标准的各种典型洪水,按拟定的调洪方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积称为调洪库容。它用以拦蓄洪水,在满足水库下游防洪要求的前提下保证大坝安全。 (7)总库容。校核洪水位以下的水库容积称为总库容。它是一项表示水库工程规模的代表性指标,可作为划分水库等级、确定工程安全标准的重要依据。

以上所述备项库容,均为坝前水位水平线以下或两特征水位水平线之间的水库容积,常称为静态库容,即是习惯上讲的库容。在水库运用中.特别是洪水期的调洪过程中,库区水面线呈抛物线形状,这时实际水面线以下、库尾和坝址之间的水库容积,称为动态库容。实际水面线与坝前水位水平线之间的容积称为楔形库容或动库容。以上各项水库特征水位和特征库容的相互关系如图4-1所示。

3.流量特征值

(1)洪峰流量。一次洪水过程中,流量的最大值。

(2)历史最大流量。历史最大洪水发生过程中的最大流量,又称历史洪水洪峰流量。

(3)安全泄量(允许泄量)。某河道或涵闸能安全通过的最大渲泄流量。河道安全泄量指在保证水位时的相应流量,亦代表现有堤防的防洪能力。河道安全泄量是规划设计堤防工程和水库担负下游防洪任务的重要数据,也是拟定防洪措施的主要依据。

4.设计洪水

(1)设计洪水是指符合一定设计标准的洪水。它包括设计洪峰流量、一定时段的设计洪水总量和设计洪水过程线三个要素。

(2)防洪设计标准是指防洪保护对象和防洪工程本身的防洪安全标准。防洪设计标准是衡量水利工程防洪效果的指标,通常采用洪水的重现期作为洪水的设计标准。

5.洪水特性

洪水特性的表示方法,通常用洪峰流量、洪水总量和洪水总历时来表示。

(l)一次洪水总量。它是某一控制断面以上流域内一次降雨产生的径流量,可以用一次降雨产生的径流深乘以产流的流域面积求得。也可以由一次洪水流量过程线与横坐标所包围的面积求得。

(2)洪水总历时。是指一次洪水过程所经历的时间可以由一次洪水流量过程线的底宽求得。

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