水利助工复习资料掌握部分.docx
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水利助工复习资料掌握部分
1、掌握水文循环和水量平衡基本知识
答案：
水文循环的概念：
地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。
水分这种往返循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循环。
水循环的主要过程：
降雨、蒸发、入渗、地表径流、地下径流，水汽输送及凝结等
水循环的外因：
太阳辐射能和地球引力的存在
水循环的内因：
水物理三态（气、液、固）之间的相互转化
水量平衡：
指地球任一区域（可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区，也可以是整个地球），在一定时段内（时段可以是日、月，也可以是一年、数十年或更长的时间），收入的水量与支出的水量之差等于该区域内的蓄水变量（蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差）。
水量平衡是水文循环的定量描述，是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式。
水量平衡方程：
I－O=△W式中:
I—给定时段内输入研究区域的总水量；
O—给定时段内输出研究区域的总水量；
△W—时段内研究区域蓄水量的变化量。
上式中各变量的单位：
km3或mm
对于多年平均的情况，闭合流域的水量平衡方程式为：
式中:
：
流域内多年平均降水量；
：
流域内多年平均径流量；
：
流域内多年平均蒸发量。
将式
两边除以
，则该式变成
令
～多年平均径流系数，其反映流域降雨量转换成径流量的比例系数。
～多年平均蒸发系数,其反映流域降雨量转换成蒸发量的比例系数。
因此，0、0用以反映流域气候地理特性。
如湿润地区：
0>0.5;半干旱地区：
0<0.3;干旱地区:
0<0.1
2.掌握水文学基础知识（含降雨、蒸发及入渗，流域与河系，河川径流及水文统计学的基本知识）
按降雨强度大小，降雨可分为暴雨、大雨、中雨、小雨四种：
1）暴雨（>50mm/24h）
暴雨：
50~100
大暴雨：
100~200
特大暴雨：
>200
2）大雨：
25~50mm/24h
3）中雨：
10~25mm/24h
4）小雨：
<10mm/24h
按年降水量多少划分为五个降水量带：
分区
年降水（mm）
分布地区
1）十分湿润带
>1600mm
东南沿海，云南西南部，广西南部，西藏东南角，湖南、江西、四川山地
2）湿润带
800～1600mm
长江中下游地区，云贵川和广西大部分地区
3）半湿润带
400～800mm
华北平原，东北大部分，山西、陕西大部及甘肃东南部，四川西北，西藏东部
4）半干旱带
200～400mm
内蒙，宁夏，甘肃，新疆西北部
5）干旱带
<200mm
内蒙、宁夏、甘肃沙漠区，青海、新疆的盆地
由点雨量估算面雨量的常用方法：
（1）算术平均法
（2）泰森多边形法（面积加权平分法或垂直平分法）
（3）降雨量等值线法
中国降雨特性
我国多年平均年降水量：
648mm全球陆面平均降水量：
800mm亚洲：
740mm
中国降雨特征：
“三多三少”
东多西少南多北少夏秋多春冬少
蒸散发
水汽从水面、冰面或其他含水物质表面逸出的过程。
它属于水由液态或固态变为气态的相变过程。
蒸发是气象要素之一。
在自然界中，蒸发是海洋和陆地水分进入大气的唯一途径，是地球水文循环的主要环节之一。
蒸散发
水文学中指自然界水面蒸发、土壤表面蒸发和植物散发的总称。
蒸发
水面与土壤表面的水变成水汽的过程。
植物蒸散（蒸腾）
在植物生长期，水分从植物叶面和技干逸入大气的过程。
水面蒸发
水面蒸发是在水分充分供给条件下的蒸发现象。
用以反映当地蒸发能力的一个指标。
蒸发量的大小可用以下特征量表示：
◇蒸发量：
某个时段内单位面积蒸发的水量。
（单位:
cm3/cm2=cm或mm）
◇蒸发率／蒸发强度：
指单位时间内的蒸发量。
（单位:
mm/day,mm/min）
水面蒸发的影响因素：
①水汽饱和水压差：
②水面温度T：
③风速：
④湍流：
干旱指数是反映气候干湿程度的一个指标
式中，E0～年蒸发能力；P～年降雨量。
水面蒸发的测定：
蒸发器类型有：
φ-20型，φ-80型，K<1.0
E-601型：
环形水圈,K接近1.0
大型蒸发池（φ=5m，A=20m2和φ=11.3m，A=100m2两种）。
土壤蒸发：
土壤中的水分通过空隙上升和汽化以水汽形式从土壤表面进入大气的过程。
土壤蒸发过程要比水面蒸发复杂，除影响水面蒸发的几种因素（气温、水面温度、饱和差及风速）外，还与土壤性质（结构、色泽等）、土壤中水分含量、地下水埋深、土壤表面特征和地形等因素有关。
（3）植物散发（蒸腾）
植物散发（蒸腾）：
在植物生长期，水分从植物叶面和枝干逸入大气的过程。
植物散发是一个物理～生物的过程，水分从叶面气孔中扩散出去的量可受气孔开闭程度而受到调节。
流域总蒸发：
在水文学中认为水面蒸发、土壤蒸发与植物散发是不可分割的，故统称为陆面蒸发。
干旱指数与降水分带的关系：
气候分带
年降水量（mm）
年径流深（mm）
干旱指数（）
十分湿润带
>1600
>800
<0.5
湿润带
800～1600
200～800
0.5～1.0
半湿润带
400～800
50～200
1～3
半干旱带
200～400
10～50
3～7
干旱带
<200
<10
>7
土壤水
存在于非饱和带土壤孔隙中和为土壤颗粒所吸附水分。
它具有三态：
液态水、固态水及汽态水。
土壤水是土壤─土粒、水、气三相系统的一个组成部分。
作用于土壤水的主要的力有分子力、毛细管引力和重力。
它们决定了土壤水的存在形式:
吸湿水、薄膜水、毛管水、重力水
⑴最大吸湿量（吸湿系数）
土壤吸湿水达到最大值时的土壤含水量，指在饱和空气条件下土壤颗粒所能吸附的大气中最大水汽量，它反映了土壤吸附气态水的能力。
⑵最大分子持水量
土壤颗粒的分子力所能吸附或结合的水分的最大值称作最大分子持水量，此时薄膜水厚度达到最大值。
⑶凋萎含水量（凋萎系数）
当土壤水分减少到一定量后致使植物根系无法从土壤中吸收水分，开始枯死时的相应最大土壤含水量称作凋萎含水量。
⑷田间持水量
指土壤中所能保持的毛细管悬着水的最大量。
当土壤含水量超过毛细管悬着水的最大量即田间持水量时，超过的部分不能为毛细管力所维持，则表现为自由重力水。
⑸饱和含水量/全蓄含水量
土壤中全部孔隙全被水所充满时的含水量称为饱和含水量。
土壤重量含水率W：
式中，Mw～土壤中水的重量（g）；
Ms～土壤中干土重量（g）；
M～土壤的湿重，M=Ms+Mw
土壤容积含水率θ
式中:
Vw～土壤中水的容积（cm3），V～土样总体积（cm3）
★与W的转换：
其中：
为水的密度，
为土壤干密度。
入渗的物理过程
入渗一般是指大气降水或灌溉水通过土壤表面进入土壤从而改变土壤内水分状况的过程。
包括三个阶段：
渗润阶段/渗漏阶段/渗透阶段。
•渗润阶段：
由于初始的土壤十分干燥，下渗的水分主要受到分子力（初期干燥的土粒吸附力极大）的作用，故下渗率很大，入渗率随时间增加而很快变小，当土壤含水量达到最大分子持水量时，分子力不再起作用，则该阶段结束；
•渗漏阶段：
下渗的水分主要受到毛管力及重力的共同作用，下渗水流在土壤空隙中向下作不稳定的非饱和流动，当土壤空隙逐渐充满时此时毛管力消失，则该这一阶段结束，在这一阶段，入渗率随时间增加而变小；
渗透阶段：
这时土壤空隙已充满水达到饱和，水分只在重力作用下呈稳定流动，此时的入渗率趋于稳定。
下渗量定量分析可用三种特征值来描述
①入渗总量F
指入渗开始到某一指定时刻渗入到土壤中的累积水量（单位：
mm）。
用下渗量累积曲线表示下渗量随时程的增长过程。
②入渗率
/入渗强度
指单位时间内单位面积上渗入土壤中的水量（单位：
mm/h或mm/min）。
在某时刻t的入渗率应为入渗累计量F对时间的变化率：
③土壤入渗能力/容量/性能
在充分供水和一定土壤类型、一定土壤湿度条件下的最大下渗率称为下渗能力（单位：
mm/h）。
下渗能力随时程而递减，初期
很大，后期逐渐变小，最后趋于稳定下渗率
影响稳定下渗率的主要因素：
土壤性质
地下水
存在于地表以下岩土的孔隙、裂隙和洞穴中的水统称为地下水。
水文学中把地下水潜水面以下饱和带中的水称作地下水。
根据埋存条件，地下水又可以分为以下二类：
潜水是指埋存于地表以下，第一个连续稳定的隔水层以上具有自由水面的重力水。
它主要的补给来源是降水和地表水的渗入。
承压水是充满于上下两个隔水层之间的含水层中的地下水，它承受一定的压力，当钻孔打穿上覆隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。
★流域的定义
河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（分别称做地面集水区和地下集水区）统称做河流在该断面以上的流域。
流域的几何特征:
流域面积，流域长度，流域平均宽度，流域形状系数
★河系的定义
地表水在重力作用下，沿陆地的凹地流动，按其大小可分为江、河、溪和沟，这些统称为河流，而流域中河流（包括干流、支流）和流域内的湖泊、沼泽或地下暗河彼此连接组成一个庞大的系统，称水系，又称河系或河网。
河流的几何特征:
河流长度，河网密度，河流弯曲系数，河流的落差/比降
径流的形成和径流的度量
径流：
指降落在流域表面的降水，沿流域地表和地下二个途径流入河系，再流出流域出口断面的水流，这样的物理过程称作径流形成过程。
包括：
（1）产流过程或称为流域蓄渗过程
（2）汇流过程
降雨的消耗量：
a.植物截留量Is
降雨被植物茎叶拦截的现象称截留，AP
IS
b.土壤蓄水量S
指降雨入渗过程中被土壤吸附存储于土壤孔隙中的水量。
c.填洼量Vd
水分停蓄在地面洼陷处（水库、湖、塘等），称填洼。
d.雨间蒸散发量E
降雨形成的径流量/净雨量
径流量（净雨量）=降雨量-损失量
净雨量：
降雨量和损失量之差，又称为径流量或产流量
净雨量包括：
地面径流R＋地下径流Rg
汇流过程：
径流的度量
径流的度量常采用以下几个指标进行度量：
（1）流量Q
单位时间内通过某一过水断面的水量，可按下式计算：
Q=A×V（m3/s）
式中，A：
过水断面的面积（m2）
V：
过水断面的平均流速（m/s）
流量过程线
用来表示流域出口断面的径流随时间变化过程
☆瞬时流量
指某时刻的流量,如右
图中的Q1，洪峰流量Qm等。
☆平均流量
指定时段内的平均流，如日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。
（2）径流量W
指一定的时段内T（=t2-t1）通过的某一河流断面的总水量，（单位：
m3）
式中,
Q（t）~流量过程线t时刻的瞬时流量;T=t2-t1~计算时段;
~计算时段内的平均流量。
（3）径流深R
把径流量均匀地铺在整个流域面积上所相当地水层深度，单位：
毫米（mm）
式中，F~流域的面积（km2）；T~时段（s）
~时段T内的平均流量（m3/s）
（4）径流模数M
流域出口断面流量与流域面积的比值,即流域单位面积上所产生的流量：
依据Q的不同含义，M则有不同的称谓：
•Q若是（多）年平均流量，则M称为（多）年平均流量模数；
•Q若是洪峰流量，则M称为洪峰流量模数。
（5）径流系数
某一时段的径流深R与相应的流域平均降雨深P的比值，其反映了降雨量转换成径流量比例的一个参数：
第一部分水文水资源
•水文测验：
4种水文测验断面
•水文统计：
PIII曲线，经验频率（会简单计算）
•水资源分类
•水资源供需平衡
•需水量的预测：
定额法
•节约水资源的途径：
（可出论述题）
水文站测验河段中各种测验断面的布设
按所测定的项目不同，可分为以下四种测验断面：
Ø基本水尺断面:
测定河流水位，及横断面面积
Ø流速仪测流断面:
测定水流的流速
Ø浮标法测流断面:
测定水流的流速
Ø比降断面:
分布有上下两个断面，用以测定河段的水面比降，进而估算河床的糙率
在水文计算中，一般要求出指定概率P所相应的随机变量的取值
，一般地做法是：
由给定的
及P，从P-III型曲线离均系数值表，查出
，再由下式求：
即求出指定概率P所相应的随机变量的取值
现行水文频率计算方法～配线法（适线法）
是以经验频率点据为基础，在一定的适线准则下，求解与经验点据拟合最优的频率曲线参数，这是一种较好的参数估计方法，是我国估计洪水频率曲线统计参数的主要方法
有关的概念介绍：
1）经验频率及经验频率曲线：
经验频率的计算公式：
该公式在水文计算中通常称为期望公式。
2）重现期
所谓的重现期是指某一随机事件在很长时期内平均多长时间出现一次（水文学中常称为“多少年一遇”）。
即在许多试验中，某一随机事件重复出现的时间间隔的平均数，即平均的重现间隔期。
在水文分析中，重现期可以等效地替代频率。
频率P与重现期T关系的两种表示法：
a.当研究洪水或暴雨问题
水文上关心的是大于某洪水或某暴雨量发生的频率，因此，重现期指在很长时期N年内，出现大于某水文变量XP事件的平均重现的间隔期T：
式中，T：
重现期，以年计；
P：
大于某水文变量XP事件的频率，
b.当研究枯水问题
水文上关心的是小于XP的事件出现的频率及相应的重现期。
重现期指在很长的时期内（N年）出现小于某水文变量XP事件的平均重现间隔期。
若水文变量大于XP的频率为P，则小于XP事件的频率应为1-P，在N年内小于XP事件出现的次数应为N（1-P），因此其重现期为：
随机变量统计参数：
（1）平均值
（2）标准差σ（均方差）：
值愈大，分布愈分散；值愈小，分布愈集中。
（3）变差系数Cv（离差系数）：
值愈大，分布愈分散；值愈小，分布愈集中
（4）偏差系数Cs（偏态系数）：
对称Cs＝0；若不对称：
CS>0,称为正偏；CS<0,称为负偏。
3.掌握水资源分类及计算方法
按存在形式分：
地表水：
一般指坡面流和壤中流，即地表水体的动态部分
地下水：
主要指浅层地下水
水资源的特点：
•资源的循环性：
水文循环
•储量的有限性：
全球淡水资源仅占全球总水量的2.5％
•时空分布的不均匀性：
•开发利用的多样性：
生产、生活、生态
•利、害双重性：
洪水、旱灾、污染
水资源评价：
⏹水量评价：
⏹地表水资源量
⏹地下水资源量
⏹水质评价：
⏹水资源评价资料的要求：
“三性”：
可靠性、一致性、代表性
•水资源量的计算
水资源量＝
地表水资源量＋地下水资源量－重复计算量
重复计算量包括：
灌溉回归补给量、河渠湖库等渗漏补给量等。
4掌握水资源供需平衡及预测的原理和计算方法．
水资源供需预测的目的和意义：
•水资源供需平衡分析，是指在一定范围内（行政、经济区域或流域）不同时期的可供水量和需水量的供求关系分析。
•目的：
–弄清水资源总量的供需现状和存在的问题
–预测不同时期不同部门的水资源余缺状况
–针对供需矛盾，进行水资源的总体规划
供水预测：
•可供水量：
指不同水平年、不同保证率或不同频率条件下通过工程设施可提供的符合一定标准的水量。
可供水量包括区域内的地表水、地下水、外流域调水、污水处理回用和海水利用等。
需水预测：
•“三生”：
生产（工业、农业）、生活、生态
–工业用水预测：
–农业用水预测：
–生活用水预测：
–生态环境用水预测：
供需平衡分析：
•供需平衡分析：
余缺水量:
△W＝∑W供i－∑W需i
W供i，W需i－分别表示分项i的可供水量和需水量。
△W－余缺水量，为＋表示水资源富余，尚可开发利用
为－表示缺乏,产生供需矛盾
5、掌握节约水资源的途径和措施
分类：
城市节水
工业节水
农业节水
污水再生回用
6．掌握洪水要素概念及危害性
洪水三要素：
洪峰：
洪峰流量，一次洪水过程中的最大流量，m3/s
洪量：
一次洪水的总径流量，m3
洪水过程线：
一次洪水的流量与时间的关系曲线
7掌握《防洪标准》（GB50201-94）中有关水利水电工程的内
8掌握水工建筑物分类及等级划分
1.水工建筑物的分类（按功用）
●挡水建筑物
用以拦截江河，相成水库或壅高水位。
坝、闸、堤防、海塘
●泄水建筑物
用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌等。
溢流坝、泄水孔、溢洪道、泄水隧洞
●输水建筑物
为灌溉、发电和供水的需要而从上游向下游输水的建筑物。
引水隧洞、引水涵管、渡槽、渠道
●取（进）水建筑物
输水建筑物的首部建筑。
引水隧洞的进口段、灌溉渠首、进水闸、扬水站
●整治建筑物
用以改善河流的水流条件、调整水流对河床及河岸的作用以及为防护波浪和水流对岸坡的冲刷。
丁坝、顺坝、导流坝、护底和护岸
●专门建筑物
发电用的压力前池、调压室、电站厂房；灌溉用的沉沙池、冲沙闸；过坝用的船闸、升船机、鱼道
2.水利工程分等
水利工程根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。
表1水利水电工程分等指标表（水利部2000年分布）
工程等级
工程
规模
水库
总库容
（亿m3）
防洪
排涝
灌溉
供水
水力发电
保护城镇及
工矿企业的
重要性
保护农田面积
（万亩）
排涝面积
（万亩）
灌溉面积
（万亩）
供水对象重要性
装机容量
（万kw）
I
大
（1）型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
II
大
（2）型
10~1.0
重要
500～100
200~60
150~50
重要
120~30
III
中型
1.0~0.1
中等
100～30
60~15
50~5
中等
30~5
IV
小
（1）型
0.1~0.01
一般
30～5
15~3
5~0.5
一般
5~1
V
小
（2）型
0.01~0.001
<5
<3
<0.5
<1
3.水工建筑物分级
水利工程中的水工建筑物，根据所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级。
表2水工建筑物的级别
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
一
1
3
4
二
2
3
4
三
3
4
5
四
4
5
5
五
5
5
注：
①永久建筑物――工程运行期间使用的建筑物，根据重要性分为：
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，如坝、闸、电站厂房、泵站等。
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，易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙、护岸等。
②临时性建筑物――系指工程施工期间使用的建筑物，如：
导流建筑物、施工围堰等。
（1）对于二至五等的工程及临时工程，下述情况经论证可提高或降低级别：
（1）工程位置特别重要，失事后将造成重大灾害者，可提高一级。
（2）工程地质条件特别复杂或者采用经验较少的新型结构时，可提高一级。
（3）临时性水工建筑物一旦失事将造成严重灾害或对施工有严重影响时，可提高一级。
（4）失事后影响不大的工程，经论证可适当降低级别。
（2）对水工建筑物的要求：
（1）设计基准期。
一级挡水建筑物100年，其他永久建筑物50年。
临时建筑物按预定的使用年限及可能滞后的时间确定。
特大工程挡水建筑物的设计基准期经专门研究决定。
（2）抗御灾害能力。
如：
防洪标准、抗震标准、坝顶超高等
（3）安全性。
如：
建筑物的强度和稳定安全指标，限制变形要求等
水工建筑物的结构安全级别，应根据建筑物的重要性及破坏可能产生后果的严重性而定，与水工建筑物的级别对应而分为三级。
表3水工建筑物的结构安全级别
水工建筑物的级别
水工建筑物的结构安全级别
1
I
2，3
II
4，5
III
对有特殊安全要求的水工建筑物，其结构的安全级别应专门研究决定。
结构及其构件的安全级别，可依其在水工建筑物中的部位，本身破坏对水工建筑物安全影响的大小，取与水工建筑物的结构安全级别相同或降低一级。
地基基础的安全级别与建筑物的结构安全级别相同。
（4）运行可靠性。
如：
建筑物的供电、供水、通航保证率、闸门等设备的可用性等。
（5）建筑材料。
如：
使用材料的品种、质量和耐久性等。
9掌握水坝的类型、组成、特点及适用条件，了解基本设计步骤
掌握水闸的类型、组成、特点及适用条件，了解基本设计步骤
水坝坝型分类：
重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝、溢流坝、非溢流坝。
第二节重力坝
坝体基本剖面为三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。
坝轴线通常为直线，有时为了适用地形、地质条件，或为了
枢纽布置上的要求也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的
拱形。
为了适用地基变形，温度变化和混凝土的浇筑能力，
坝体沿坝轴线用横缝分成若干个独立坝段。
2.1工作原理
工作原理：
依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力引起的压应力。
蓄水后，库水会通过坝体和坝基向下游渗透。
为减小渗流对坝体稳定和应力的不利影响，在靠近坝体上游面设排水管，坝踵附近地基设防渗帷幕，帷幕后设排水孔。
2.2特点
1.优点
①安全可靠。
重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震等破坏的能力比较强。
②对地形、地质条件适应性强。
任何形状的河谷都适合修建重力坝。
甚至在土基上也可以修建高度不高的重力坝。
③枢纽泄洪问题容易解决，枢纽布置紧凑。
重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高程设置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞。
④便于施工导流。
施工期可利用坝体导流，一般不需另设导流隧洞。
⑤施工方便。
大体积混凝土，可采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。
⑥结构作用明确。
重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。
2.缺点
①坝体剖面尺寸大，材料用量多。
②坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。
③坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。
④坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在混凝土浇筑时需要较严格的温控措施。
2.3适用条件
任何形状的河谷都可以修建重力坝。
地质条件要求也较低，土基上也可以修建高度不大的重力坝。
2.4设计内容（了解）
1.剖面设计
原则：
①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小；③运用方便；④便于施工。
2.荷载分析
重力坝的荷载：
自重；静水压力
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