第二章 水利水电基本知识

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K F B / L F / L2
流域平均高度H(m)与平均坡度J: 将流域划分成正方格,定出每个方格交 叉点上的高程及坡度,这些格点的高程 和坡度的平均值为流域平均高度和平均 坡度。 流域平均高度直接影响流域的气温与 降水,流域平均坡度对径流的产流、汇 流、下渗、土壤流失等有很大的影响.
流域的自然地理特征:流域的地理位置、 气候、地形、植物被覆、土壤特性、地 质构造、沼泽及湖泊情况等,都是与流 域水文特性密切有关的自然地理特征。
植物散发 土壤中的水分经植物根系吸收后,输送至叶面, 经气孔逸入大气,称为植物散发。植物散发的 水量随 植物的品种和季节而不同。植物散发与 蒸发总是同时存在的。通常将此二者结合称为 陆面蒸发。 流域蒸发 =水面蒸发+陆面蒸发=水面蒸发+土壤蒸发+植 物散发。
下渗
下 渗是从 土壤表 面进入 土壤内 的运动 过程 。 当雨水落在干燥土壤表面后,渗入土壤的水分 受附着力的作用,吸附于土粒表面,形成薄膜水。 当薄膜水满足以后,继续渗入的水分充填土壤形成 毛管水。当表层土壤中的毛管水满足以后,继续入 渗的水分使表层土壤饱和。水分在毛管力的作用下 向下层透水同时,空隙中的自由水在重力作用下, 也沿空隙向下游移动,形成重力水。如果地下水埋 藏不深,重力水可能渗过整个包气带 ,形成地下 径流。 随着土壤含水量的持续增加,下渗率不断降低。 当下渗仅靠重力作用时,达到稳定状态,此时的下 渗率称稳定下渗率。
等雨深线图法 :当流域上雨量站分布较密 时,可用等雨深线图来计算流域平均雨深。
p1f1 p 2 f 2 p n f n n f i P pi F F i 1
式中,
fi — 两条等雨深线间的面积; Pi — fi 上的平均雨深。
优点:反映降水量空间分布情况,使平均雨 量计算精度提高。 缺点:要求观测站点较多,每次都需重绘等 雨深线图。
流域各条河流构成脉络相通的系统,称为水 系,或河系或河网。
河道及流域的主要特征 河流长度 L(km): 自河源沿河道至河 口的长度称为河流长度,或称河长,可在地 形图上量出。 落差:河段两端的河底高程差。
h h 0 h1 河道纵比降 J :当河流纵断面近于直线时
当河流纵断面呈折线时
h J L
降水
降水的成因及分类 饱和湿度 在一定温度下,空气中最大的水汽含量。 如果空气中的水汽达到饱和湿度,就说这团空 气处于饱和状态。空气中水汽量超过饱和湿度,则 达到过饱和状态。 露点温度 在一定水汽含量下,空气达饱和状态时对应的温度。
空气达到饱和的原因是空气温度下降至露点温 度以下。水汽在过饱和状态下是不稳定的,多余 的水汽很容易凝结成水。 空气冷却是降水的主要条件,而造成空气冷却 的主要原因是气团抬升,气压下降,体积膨胀耗 能。 降水常按照使空气抬升而形成动力冷却的原因 分为对流性降水、地形性降水、锋面性降水和气 旋性降水,习惯上把它们分别称为对流雨、地形 雨、锋面雨与气旋雨。
流域平均雨深的计算
算术平均法:当流域内雨量站分布较 均匀,地形起伏变化不大时,可用算术平 均法求得流域上的平均降水量:
p1 p 2 Pn 1 n P pi n n i 1
式中: P — 流域平均降水量,mm; P1 …… Pn — 各雨量站同时期内的 降水量,mm; n — 测站数。
t
式中,ft— t 时刻的下渗率;f0— 初始下渗率; fc— 稳定下渗率;β — 递减指数; 式中f0、fc及β 都是反映土壤特性的参数,只能根 据实验资料推求。
径流
径流形成过程 径流是指降落到流域表面上的雨水,由地面与 地下汇入河川,最终流出流域出口断面的水流。 降雨开始时,一部分滞留在植物枝叶上,称为 植物截留。 降落到地面上的水量一般是向土中入 渗,除补充土壤含水量外,逐步向下层渗透,成 为地下径流。 位于不透水层之上的冲积层地下水,称为潜水 或浅层地下水,它具有自由水面;在两个不透水 层之间的地下水,称为深层地下水。
工程地质
工程地质学是地质学的重要分支学科,是研究与 工程建设有关的地质问题的科学,即在工程建筑 设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正 确地使用自然地质条件和改造不良地质条件。
三大类岩石

岩浆岩(火成岩)、沉 积岩、变质岩 地壳中三大类岩石比例 地壳重量——岩浆岩 95%,沉积岩4%,变质 岩1%
当降雨强度超过了土壤下渗能力时,产生超渗雨。 沿坡面向低处流动,称为坡面漫流。超渗雨要把流动 途径上的洼坑填满以后,才能往更低处流去。扣除植 物截留、下渗、填洼后的降雨量进入溪沟,最后成为 流域出口径流。这部分径流称为地面径流。 表层土壤的含水量首先达到饱和后,继续下渗的 雨量沿饱和层的坡度在土壤孔隙间流动,注入河槽形 成径流,称为壤中流(表层流)。 进入河网的水流,从上游向下游,从支流向干流 汇集,最后全部先后流经流域出口断面,这个汇流过 程称为河网汇流。 径流形成过程中的从降雨扣除各项损失称为产流 阶段,把坡面汇流及河网汇流称为汇流阶段。
第二章
水利水电基本知识
水循环及水量平衡
地球上的水因蒸发成为水汽,经输 送、上升、冷却、凝结,在适当的条件 下,再降落到地面。这种不断循环过程, 称为水循环。 水循环包括了多种的复杂过程,如 蒸发、水汽输送、冷凝、降水、植物截 留、滞蓄、下渗、径流等。其中最重要 的基本现象是蒸发、降水、下渗、径流。
土壤蒸发:土壤中所含水分以水汽的形式进入 大气。润湿的土壤,其干化过程一般可分为三个 阶段。 1)土壤蒸发主要发生在表层,蒸发速度稳定, 其蒸发量接近蒸发能力。 2)土壤表面局部地方开始干化,土壤蒸发一 部分在地表进行,另一部分发生在土壤内部。蒸 发速度逐渐降低。 3)当毛管水完全不能到达地表,土壤水分蒸 发发生在土壤内部,蒸发的水汽由分子扩散作用 逸入大气,蒸发速度缓慢。
蒸 发
蒸发是水由液态或固态转化为气态的物理反应, 是水分子克服了分子间的引力进入空气的过程。 影响蒸发过程的主要因素有水温(或土温)、空 气饱和差、风速等,它们分别影响水分子的运动 速度以及逸入空中后水分子向外扩散的速度。蒸 发量常用蒸发水层深度(mm)表示。
蒸 发
水面蒸发观测水面蒸发量的蒸发器有20cm口径 蒸发器、80cm口径套盆蒸发器、埋在地下的 60cm口径带套盆蒸发器(E601) 。 这三者都属于小型蒸发器皿,观测到的蒸发 量,都应乘折算系数,才能作为天然水体蒸发量 的估计值。折算系数随蒸发皿(器)的类型而异, 且与月份及所在地区有关。
h 0 h1 L1 h1 h 2 L 2 h n-1 h n L n 2h 0 L J
L
2
流域面积 F(km2): 流域面积是流域的主要几 何特征。通常先在适当比例尺的地形图上定出流域 分水线,然后量出它所包围的面积。 河网密度: 单位面积内的河流总长度称为河网 密度。它表示一个地区河网的疏密度。 流域长度 L(km):流域的轴长。 流域平均宽度B(km):流域面积与流域长度的 比值 B F / L 流域形状系数:流域平均宽度与流域长度的比 值
降水量的观测 降水量以降落在地面上的水层深度表示,以 mm为单位。观测降水量的仪器有雨量筒和自记雨 量计。 雨量筒口径为20cm,一般采用定时观测,通 常在每天8时与20时,称两段制观测。雨季增加观 测段次,如四段制,八段制制,雨大时还要加测。
自记雨量计有各种型式。虹吸式自记雨量计, 雨水从承雨器流入容器内,器内浮子随水面上升, 并带动自记笔在附于时钟上记录纸上画出曲线,当 容器内的水面升至虹吸筒的喉部时,容器内的水就 通过虹吸管排至储水瓶,与此同时,自记笔亦下落 至原点,以后再随着降再量增加而上升。
凝结 降 水
水汽输送
凝结
蒸发
凝结
水汽输送 地表径流 江河 汇聚
蒸发
降水
地下径流
入渗
海洋
作用:使陆地水不断得到补充,水资源得以再生,是最重要的循环
海上内循环
海上内循环
凝结 降 水
蒸发
凝结
降水
水气输送
Байду номын сангаас蒸发
海洋
作用:水循环的水量最大,对于全球的热量输送有重要意义
凝结
植 物 蒸 腾
降 水
陆地内循环
蒸发
径流形成过程可概括为如下的图式: 降雨过程→ 扣除损失→ 净雨过程→流域汇流→流 量过程 其中降雨转化为净雨的过程称产流过程;净雨转化 为河川流量的过程称汇流过程。
上部为流域降雨过程和扣除损失后的地面净雨过程及地下净雨 过程; 下部为降雨在流域出口形成的流量过程,它又分为地面与地下 径流过程。 -- 降雨扣除损失后形成净雨. -- 净雨要经过相当长的时间才能汇集到出口,所以洪水要比暴雨 滞后,且历时要比暴雨历时长得多. -- 地下径流比较稳定,维持河川径流常年不断.
凝结 降水
水气输送
蒸发 陆地水
水量平衡方程
原理:
PERS
河流与流域
河流
地表上较大的天然水流.
流动的水体与容纳流水的河槽是构成河流的两个要素。 河槽亦称河床,枯水期水流所占部位为基本河床,或称主 槽;洪水泛滥所及部位为洪水河床,或称滩地。 流域
河流某断面的集水区域。
流域的周界称为分水线。如果地面分水线与地下分水线 重合,这样的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水 线不一致的流域称为不闭合流域。 水系
径流模数M (L/s/km2):流域出口断面 流量与流域面积的比值
Q M F
径流系数α :某一时段的径流深与相应 的降雨深的比值 α = R / P
河流中的泥沙
河流中的泥沙,按其运动形式可分三类: 悬移质泥沙浮于水中并随之运动; 推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动; 河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。
影响一次降水下渗过程的主要因素,有降雨强度 及历时、土壤含水量、土壤构成情况等。此外,地 表坡度与糙率、植被及土地利用状况对下渗亦有影 响。 下渗过程可用各时段下渗量F(mm)和各时刻下 渗率f (mm/h)表示。 在充分供水条件下,下渗率的变化规律,也可用 数学公式表示,如常用的霍顿公式:
f (t ) f c ( f 0 f c )e
沉积岩:由成层沉积的松散沉积物固节而成的岩石
沉积物及其形成过程中的变化

物质形成——风化、搬运、分选
出现沉积岩特有矿物 溶解沉积矿物:方解石、白云石、石膏等
三者没有严格的界线,随水流条件的变化而 相互转化。一般情况,河流中泥沙以悬移质为 主。
描述河流泥沙的特征值:
含沙量:单位水体中所含泥沙重量.
输沙量:一定时间内通过某一过水断面的泥沙重 量,一般以年输沙量来衡量一条河流的含沙量. 起动流速:使泥沙颗粒从静止变为运动的水流速 度.
水利水电规划
水电站在电网中的作用 水能开发利用方式 径流调节(兴利、洪水) 水库的特征水位及对应库容 水库的调度(兴利、防洪)
µ µµµµµ± µ
³ Á» ýÑ Ò 4% ± äÖ ÊÑ Ò 1% Ñ Ò½ ¬Ñ Ò ³ Á» ýÑ Ò ± äÖ ÊÑ Ò Ñ Ò½ ¬Ñ Ò 95%

岩浆岩:由岩浆侵入地壳上部或喷出地表凝固而成
岩浆岩形成



地幔、地壳下层岩浆因内部压力增大而向地表喷涌 喷涌岩浆的压力释放——涌动停止——冷却——凝 固——岩浆岩 岩浆岩成岩过程(从喷涌岩浆——岩浆岩)复杂, 主要受岩浆来源、冷凝环境影响。
径流的表示法和度量单位 流量 Q :单位时间通过某一断面的水量,单位 为m3/s、 L/s 。流量随时间的变化过程,用流 量过程线来表示。 径流量 W :指时段内通过某一断面的总水量。 常用单位为m3 ,万m3 ,亿m3,(m3/s).月, (m3/s).天 等。 径流深 R : 指将径流量平铺在整个流域面积上 所求得的水层深度,以mm为单位。

泰森多边形法: 当流域内雨量站分布不太均匀 时,假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代 表。设P1,P2,……,Pn为各站雨量,f1, f2,……, fn为各站所在部分的面积,F为流域面积, 则流域平均降水量P可由下式计算:
1 n P pifi F i 1
式中fi / F表示第 i 雨量站所代表面积占整个 流域面积的份额,通常称为权重。求得的流域平均 雨深又称为加权平均雨深。
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